第2章_工程材料性能

1、2.1 材料的力学性能材料的性能：材料的性能：用来表征材料在给定外界条件下用来表征材料在给定外界条件下的的行为参量，包括使用性能和工艺性能。强度、硬度、塑性、冲击韧度、疲劳性能使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。冲击载荷冲击载荷和交变载和交变载荷荷2.1 材料的力学性能材料的力学性能：材料的力学性能：静载静载和和动载动载力学性能。力学性能。1.定义定义-材料在载荷作用下所表现出来的特材料在载荷作用下所表现出来的特性。性。对试样缓对试样缓慢加载慢加载2.力学性能指标力学性能指标等

2、。 2.1.1强度和塑性强度：通过拉伸试验测定拉伸试验拉伸试验拉伸试样拉伸试样拉伸试验机拉伸试验机d0L0：L0=10d0L0=5d0低碳钢拉伸应力低碳钢拉伸应力应变曲线应变曲线常用拉伸试样常用拉伸试样( (圆截面圆截面):):标距长度标距长度： L L =10d =10d 或或5 5d d 施加拉伸载荷施加拉伸载荷P P，记录记录P P L L曲线曲线; ;或或 (=(=P/A)P/A) (=(= L L/L)/L)曲线。曲线。颈缩 l l低碳钢拉伸应力低碳钢拉伸应力应变曲线应变曲线: : 颈缩颈缩屈服屈服 强化强化 弹性弹性 两种变形： 弹性变形：加载产生、卸载消失 塑形变形：加载产生、卸

3、载不能回复拉伸试验的四个阶段屈服阶段：屈服阶段：变形迅速增大，材变形迅速增大，材料料 似乎失去抵抗变形的能力。似乎失去抵抗变形的能力。强化阶段：强化阶段：恢复抵抗变形的恢复抵抗变形的能力能力。颈缩阶段：颈缩阶段：到到k k点发生断裂。点发生断裂。 弹性阶段：弹性阶段：卸载后变形可恢复卸载后变形可恢复。颈缩 l l拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象四种常见的失效形式断裂（主轴、齿轮）塑性变形（发动机气缸上的螺钉）磨损（凸轮）过量的弹性变形强度和塑性强度：材料抵抗塑形变形和断裂的能力塑性：材料发生不可逆永久变形的能力由由 - - 曲线定义的曲线定义的：比例极限比例极限 p p： =E=E - -

4、 关系是线性、弹性的。关系是线性、弹性的。弹性模量弹性模量 (Elastic Modulus)(Elastic Modulus)E=E= / / ：opop段直线的斜率段直线的斜率, ,反映材料抵抗弹性变形的能力。反映材料抵抗弹性变形的能力。弹性极限弹性极限 e e： e e：弹性变形弹性变形pepe段为段为非线性。非线性。 e e与与 p p数值相近。数值相近。 opesybk=PAk LL L=/ ysys p p e eE E1 1反映材料是否破坏的重要强度指标反映材料是否破坏的重要强度指标。极限强度极限强度(ultimate strength) (ultimate strength)

5、b b： 屈服极限或屈服强度屈服极限或屈服强度(yield strength) (yield strength) ysys：材料是否出现塑性变形的重要强度指标材料是否出现塑性变形的重要强度指标。强度强度(strength): 材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。 0.20.2材料产生材料产生0.2%0.2%的塑性变形的塑性变形塑性塑性：%100001llln 伸长率伸长率 n n: :%100010AAA面缩率面缩率 ：材料在外力下，产生塑性变形而不断裂的性能材料在外力下，产生塑性变形而不断裂的性能。 5%, 5%, 如低碳钢、低合金钢、青铜等如低碳钢、

6、低合金钢、青铜等延性材料：延性材料：脆性材料：脆性材料： 5%, 5%, 如铸铁、硬质合金、石料等。如铸铁、硬质合金、石料等。低碳钢，低碳钢， 约约 25% 25%左右，左右， 约为约为 60% 60%。颈缩 l lE E1 1弹性指标：弹性指标：弹性模量弹性模量E: E: 材料抵抗弹性变形的能力；材料抵抗弹性变形的能力； ysys b b强度指标：强度指标：屈服强度屈服强度 ys ys - -材料发生屈服材料发生屈服极限强度极限强度 b b - -材料发生破坏材料发生破坏塑性指标：塑性指标：延伸率延伸率 和和/ /或或 面缩率面缩率 。五五. .硬度硬度( hardness ):( hard

7、ness ):是指材料抵抗其他更硬物体压入其表面的能力。是指材料抵抗其他更硬物体压入其表面的能力。是指金属表面一个小的或很小的体积内抵抗是指金属表面一个小的或很小的体积内抵抗弹性变形、塑性变形、或抵抗破裂的一种能力弹性变形、塑性变形、或抵抗破裂的一种能力 布氏硬度布氏硬度HB 洛氏硬度洛氏硬度HR 维氏硬度维氏硬度HV 肖氏硬度肖氏硬度HS常用测量硬度的方法常用测量硬度的方法(1)布氏硬度布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )布氏硬度计布氏硬度计 (1)布氏硬度布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )适用范围适用范围:v 450HBS;v 650HBW;测头是

8、淬火钢球测头是硬质合金球(1)布氏硬度布氏硬度 HB ( Brinell-hardness ) 符号符号HBS或或HBW之前的数字表示硬度之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间直径、载荷及载荷保持时间。如如: :120HBS10/1000/30表示表示直径为直径为10mm的的钢球钢球在在1000kgf（9.807kN）载荷载荷作用下作用下保保持持30s测得的测得的布氏硬度值为布氏硬度值为120。（2）洛氏硬度应用最广泛地性能试验方法。直接测量压痕深度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度计10

9、HRCHBS压头用顶角为压头用顶角为120度度的的金刚石圆锥体金刚石圆锥体，或直径为或直径为1.588mm的的淬火钢球淬火钢球。洛氏硬度 硬度较高或试样较小h0符号符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。(3)维氏硬度维氏硬度 HV ( diamond penetrator hardness )适用范围适用范围: 测量薄板类测量薄板类 ; HVHBS ;原理：以单位压痕面积的 力作为硬度值压头：136度的金刚石正四棱锥体2201891. 0)2/136sin(2/102. 0dFdFSFHV维氏硬度维氏硬度用符号维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬

10、度值，表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。根据载荷范围不同，规定了三种测定方法根据载荷范围不同，规定了三种测定方法维氏硬维氏硬度试验度试验 、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。维氏硬度保留了布氏硬度和维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。洛氏硬度的优点。 2.1.3.2.1.3.冲击韧性冲击韧性( notch toughness ): ( notch toughness ): 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。摆锤式一次冲击试

11、验摆锤式一次冲击试验冲击试验机冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图冲击试样和冲击试验示意图试样冲断时所消耗的试样冲断时所消耗的冲击功冲击功A k为为: A k = m g H m g h (J) 冲击韧性值冲击韧性值a k 就是试样缺口处单位就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。截面积上所消耗的冲击功。 AK a k = (J/cm) S0韧脆转变温度材料的冲击韧性随温材料的冲击韧性随温度下降而下降。度下降而下降。在某在某一温度范围内冲击韧一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象性值急剧下降的现象称称韧脆转变。韧脆转变。发生韧发生韧脆转变的温度范围称脆转变的温度范围称韧脆转变韧脆转变温度。材料温

12、度。材料的使用温度应高于的使用温度应高于韧韧脆转变温度。脆转变温度。TITANICTitanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果2.1.4疲劳强度疲劳强度( fatigue strength ) 零件在循环应力的作用下，零件在循环应力的作用下，即使工作时承受的应力低于材即使工作时承受的应力低于材料的屈服点或规定残余伸长应料的屈服点或规定残余伸长应力，在经受一定的应力循环后力，在经受一定的应力循环后也会发生突然断裂，这种现象也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳。称为疲劳。和静载荷作用不同，断裂前没有明显的塑性变形，发生断裂也突然。大部分机械零件的失效是由金属疲劳造成的！应力疲劳

13、应变疲劳疲劳曲线疲劳疲劳-N-N（2 2）疲劳强度疲劳强度-1 -1( ( 疲劳极限疲劳极限 ) ) 表示材料经无数次交变载荷作表示材料经无数次交变载荷作 用而不致引起断裂的最大应力值。用而不致引起断裂的最大应力值。钢材的循环次数钢材的循环次数一般取一般取 N = 107有色金属的循环次数有色金属的循环次数一般取一般取 N = 108钢材的钢材的疲劳强度疲劳强度与与抗拉强度抗拉强度之间的关系之间的关系: -1 = (0.45 (0.450.55)0.55) b(3)改善零件的结构形状；改善零件的结构形状；降低表面粗糙度值；降低表面粗糙度值；采取表面强化采取表面强化1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂2.1.5.比强度比强度 ( specific strength ): 材料的强度值与密度值之比。材料的强度值与密度值之比。名称名称密度密度(g / cm3)强强度度( Mpa )比比强强度度纯铝纯铝2.7801003037纯铁纯铁7.