第一章-材料的性能及应用意义

1、第一章第一章 材料的性能及应用意义材料的性能及应用意义材料的性能材料的性能使用性能 力学性能、物理性能和化学性能工艺性能 对所涉及的加工工艺的适应能力，包括：铸造性能、塑性加工性能、切削加工性能、焊接性能和热处理性能等1什么是材料？什么是材料？能够经济的制造有用器件的物质能够经济的制造有用器件的物质1.1 1.1 材料性能依据材料性能依据 材料的性能是用于表征材料在给定的外界条件下所表现出来的行为。 材料的化学成分和内部结构是其内部依据，材料成分和结构确定后就表现出一定的性能。此时的“结构”包含四个层次： 1. 原子结构 2. 结合键 3. 原子排列方式 4. 组织21.2 材料的使用性能材料

2、的使用性能一、力学性能一、力学性能 力学性能 指材料在外力（载荷）的作用下所显示出的特性。 载荷的加载方式：拉伸、压缩、弯曲、扭转与剪切等 载荷的变化特性：静载荷力学性能、动载荷力学性能 变形方式：弹性变形、塑性变形、断裂力学性能指标：强度、塑性、刚性、硬度、韧性、疲劳性能、耐磨性能3力学性能、物理性能、化学性能一、力学性能一、力学性能均匀变形均匀变形非均匀变形非均匀变形1.2 材料的使用性能材料的使用性能41、强度的指标、强度的指标卸载后不出现任何明显的微量塑性变形的极限应力值；卸载后不出现任何明显的微量塑性变形的极限应力值；比例极限比例极限p p 应力和应变的关系完全符合胡克定律；应力和应

3、变的关系完全符合胡克定律；弹性极限弹性极限e e屈服强度屈服强度s s材料产生屈服现象的极限应力值，残余变形量达到材料产生屈服现象的极限应力值，残余变形量达到0.2%的应力值表示；的应力值表示；抗拉强度抗拉强度b b材料在受力过程中能承受的最大载荷所对应的应力值；材料在受力过程中能承受的最大载荷所对应的应力值；1.2 材料的使用性能材料的使用性能52、刚度材料抵抗弹性变形的能力，在应力-应变曲线上弹性变形阶段，应力与应变的比值即为材料的刚度 以弹性模量E来衡量 E=/ Mpa 金属材料的弹性模量E是结构不敏感性参数3、弹性材料在外力作用下改变其形状和尺寸，当外力卸除后物体又回复到其原始形状和尺

4、寸的特性。弹性极限:材料不产生塑性变形时所能承受的最大应力 1.2 材料的使用性能材料的使用性能64、塑性即断裂前材料发生不可逆永久变形的能力 (1)伸长率：即试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比 (2) 断面收缩率：即试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。 q 良好的塑性是材料塑性加工的必要条件良好的塑性是材料塑性加工的必要条件 %100001LLL%100010SSS1.2 材料的使用性能材料的使用性能75、硬度指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。硬度试验的优点：1. 硬度试验设备简单，操作迅速方便。2. 一般不破坏成品

5、零件，无需加工专门的试样，试验对象可以是各类工程材料和各种尺寸的零件。3. 硬度与强度、塑性、耐磨性之间的关系密切，可按硬度估算强度而免做复杂的拉伸实验。4. 硬度与工艺性能之间有联系，可作为评定材料工艺性能的参考5. 硬度能较敏感地反映材料的成分与组织结构的变化，可用来检验原材料和控制冷热加工质量。1.2 材料的使用性能材料的使用性能85、硬度它是衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试验它是衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试验方法有关。方法有关。硬度的测试方法 布氏硬度布氏硬度 洛氏硬度洛氏硬度 维氏硬度维氏硬度 肖氏硬度肖氏硬度1.2 材料的使用性能材料的使用性能1、布氏硬度试验（布氏

6、硬度计）用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等. .2、特点（1）测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）（2）可测的硬度值不高（3）不测试成品与薄件（4）测量费时，效率低1.2 材料的使用性能材料的使用性能101.2 材料的使用性能材料的使用性能111 1、洛氏硬度试验、洛氏硬度试验（洛氏硬度计洛氏硬度计）用于测量用于测量淬火钢、硬质合金淬火钢、硬质合金等材料等材料. .2、优缺点（1）试验简单、方便、迅速（2）压痕小，可测成品，薄件（3）数据不够准确，应测三点取平均值（4）不应测组织不均匀材料，如铸铁。1.2 材料的使用性能材

7、料的使用性能121.2 材料的使用性能材料的使用性能131 1、维氏硬度试验、维氏硬度试验原理原理: :用夹角为用夹角为136136的金刚石四棱锥体压头，使用很小试验力的金刚石四棱锥体压头，使用很小试验力F F（49.03-980.07N49.03-980.07N）压入试样表面，测出压痕对角线长度）压入试样表面，测出压痕对角线长度d d。常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。2、优缺点（1）测量准确，应用范围广（硬度从极软到极硬）（2）可测成品与薄件（3）试样表面要求高，费工。1.2 材料的使用性能材料的使用性能146、韧性指材料在断裂前吸收变形能

8、量的能力，是材料强度 和塑性的综合表现。韧性的评价指标： 冲击韧度 指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。 冲击吸收功AK或冲击韧度K表示 断裂韧度 反应材料抵抗裂纹失稳扩展即抵抗脆断的能力。 应力场强度因子K1.2 材料的使用性能材料的使用性能151.2 材料的使用性能材料的使用性能冲击吸收功的测定冲击吸收功的测定166、韧性韧脆转变温度韧脆转变温度 材料的冲击韧性随温度下材料的冲击韧性随温度下降而下降。降而下降。在某一温度范在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降围内冲击韧性值急剧下降的现象称的现象称韧脆转变韧脆转变。发生发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变的温度范围称韧韧脆转变脆转变

9、温度温度。材料的使用材料的使用温度应高于韧脆转变温度。温度应高于韧脆转变温度。韧体心立方金属具有韧脆转体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立变温度，而大多数面心立方金属没有。方金属没有。1.2 材料的使用性能材料的使用性能6、韧性17TITANIC建造中的建造中的Titanic 号号TITANIC的沉没与的沉没与船体材料的质量直船体材料的质量直接有关接有关1.2 材料的使用性能材料的使用性能6、韧性18Titanic 号钢板号钢板（左图）（左图）和和近代船用钢板（右图）近代船用钢板（右图）的冲击试验结果的冲击试验结果Titanic近代船用钢板近代船用钢板1.2 材料的使用性能材料的使用性

10、能6、韧性7、疲劳性能疲劳概念：在交变应力作用下，零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为疲劳断裂。疲劳断裂时无明显的宏观朔性变形，断裂前没有预 兆，而是突然破坏；引起疲劳断裂的应力很低，常常低于材料的屈服点；疲劳破坏的宏观断口由两部分组成。疲劳断裂的特征1.2 材料的使用性能材料的使用性能201.2 材料的使用性能材料的使用性能211.2 材料的使用性能材料的使用性能8、耐磨性耐磨性耐磨性：指材料抵抗磨损的性能。指材料抵抗磨损的性能。磨损：磨损：零件在摩擦过程中其表面发生尺寸变化和物质损零件在摩擦过程中其表面发生尺寸变化和物质损耗的表现。耗

11、的表现。磨损的基本类型：磨损的基本类型：粘着磨损粘着磨损磨粒磨损磨粒磨损腐蚀磨损腐蚀磨损麻点磨损（接触疲劳）麻点磨损（接触疲劳）221. 粘着磨损：滑动摩粘着磨损：滑动摩擦时摩擦副接触面局擦时摩擦副接触面局部发生金属粘着，在部发生金属粘着，在随后相对滑动中粘着随后相对滑动中粘着处被破坏，有金属屑处被破坏，有金属屑粒从零件表面被拉拽粒从零件表面被拉拽下来或零件表面被擦下来或零件表面被擦伤的一种磨损形式。伤的一种磨损形式。1.2 材料的使用性能材料的使用性能8、耐磨性232. 磨粒磨损：磨粒磨损：也叫磨料磨损，是指滑动摩擦时，在零件表面摩擦区存也叫磨料磨损，是指滑动摩擦时，在零件表面摩擦区存在在硬

12、质磨粒硬质磨粒（外界进入的磨料或表面剥落的碎屑）（外界进入的磨料或表面剥落的碎屑） 使磨使磨面发生局部面发生局部塑性变形塑性变形、磨粒嵌入和被磨粒切割等过程，、磨粒嵌入和被磨粒切割等过程，以致磨面材料逐渐损耗的一种磨损，如以致磨面材料逐渐损耗的一种磨损，如图图1.2 材料的使用性能材料的使用性能8、耐磨性243. 腐蚀磨损：腐蚀磨损：腐蚀磨损是在摩擦力和环境介质联合作用下，金属表腐蚀磨损是在摩擦力和环境介质联合作用下，金属表层的腐蚀产物剥落和金属磨面间的机械磨损（粘着磨层的腐蚀产物剥落和金属磨面间的机械磨损（粘着磨损和磨粒磨损）相结合的一种磨损。损和磨粒磨损）相结合的一种磨损。腐蚀气氛的腐蚀磨

13、损氧化磨损氧化磨损机件嵌合部位的微动磨损水利机中的冲蚀磨损包括：包括：1.2 材料的使用性能材料的使用性能8、耐磨性251、粘着磨损、粘着磨损（1）合理选择摩擦副配对材料）合理选择摩擦副配对材料 异类材料比同类材料配对磨损量小；异类材料比同类材料配对磨损量小； 多相合金比单相合金配对磨损量小。多相合金比单相合金配对磨损量小。 硬度差大的比硬度差小的配对磨损量小；硬度差大的比硬度差小的配对磨损量小； 金属与非金属配对磨损量小。金属与非金属配对磨损量小。减小接触压力和摩擦系数、增加材料硬度、改善润滑条件都有减小接触压力和摩擦系数、增加材料硬度、改善润滑条件都有利于提高零件零件的抗磨损能力利于提高零

14、件零件的抗磨损能力提高零件磨损抗力的途径：提高零件磨损抗力的途径：1.2 材料的使用性能材料的使用性能8、耐磨性26（2）采用表面处理减小摩擦因数或提高表面硬度）采用表面处理减小摩擦因数或提高表面硬度磷化、渗碳、渗氮、渗硅、渗流、表面淬火，热喷涂等方法磷化、渗碳、渗氮、渗硅、渗流、表面淬火，热喷涂等方法提高黏着磨损抗力。提高黏着磨损抗力。（3）减小接触压应力）减小接触压应力粘着磨损量随接触压应力增大而增加，接触压力超过材料硬粘着磨损量随接触压应力增大而增加，接触压力超过材料硬度值的度值的1/31/3时，黏着磨损加剧。时，黏着磨损加剧。（4）减小表面粗糙度值）减小表面粗糙度值零件表面粗糙度减小可

15、增加接触面积，从而减小接触压应力零件表面粗糙度减小可增加接触面积，从而减小接触压应力1.2 材料的使用性能材料的使用性能8、耐磨性提高零件磨损抗力的途径：提高零件磨损抗力的途径：272、磨粒磨损、磨粒磨损1 1）设计时，减小接触压力和滑动摩擦距离及改善润滑）设计时，减小接触压力和滑动摩擦距离及改善润滑2 2）合理选用高硬度材料图高碳钢、高碳合金钢、耐磨铸铁、陶瓷）合理选用高硬度材料图高碳钢、高碳合金钢、耐磨铸铁、陶瓷等等3 3）采用表面处理（如表面淬火、渗碳、渗氮、热喷涂陶瓷和堆焊）采用表面处理（如表面淬火、渗碳、渗氮、热喷涂陶瓷和堆焊耐磨合金等）和表面加工硬化等方法提高摩擦副材料表面硬度，可

16、耐磨合金等）和表面加工硬化等方法提高摩擦副材料表面硬度，可有效提高耐磨性有效提高耐磨性1.2 材料的使用性能材料的使用性能8、耐磨性提高零件磨损抗力的途径：提高零件磨损抗力的途径：281.2 材料的使用性能材料的使用性能二、物理性能二、物理性能（一）密度（二）热学性能：熔点、热容、热膨胀、热传导等（三）电学性能：电阻率、电阻温度系数、介电性（四）磁学性能：磁导率、饱和磁化强度和磁矫顽力291.2 材料的使用性能材料的使用性能三、化学性能三、化学性能材料的化学性能：反应材料与外界环境介质（接触物）发生化学反应的可能性和反应速度大小的相关参数。30 材料由于周围环境介质侵蚀而造成的损伤和破坏材料由

17、于周围环境介质侵蚀而造成的损伤和破坏均称为腐蚀。均称为腐蚀。 发生腐蚀的化学过程有化学腐蚀发生腐蚀的化学过程有化学腐蚀( (氧化氧化) )、电化学、电化学腐蚀和应力腐蚀等不同形式。腐蚀速度与材料、介质、腐蚀和应力腐蚀等不同形式。腐蚀速度与材料、介质、温度、应力、辐照温度、应力、辐照因素有关。腐蚀不仅影响零件因素有关。腐蚀不仅影响零件表明质量，并且可以造成零件早期损坏，防腐设计应表明质量，并且可以造成零件早期损坏，防腐设计应考虑材料的选择和防腐措施相结合。考虑材料的选择和防腐措施相结合。化学腐蚀：化学腐蚀：除少数金属如金、铂外，大多数金属在空气中都会发生氧除少数金属如金、铂外，大多数金属在空气中

18、都会发生氧化，形成氧化膜。在室温或者温度不高时，氧化过程进行化，形成氧化膜。在室温或者温度不高时，氧化过程进行很慢，然而在较高温度下，氧化过程明显加快。由于氧化很慢，然而在较高温度下，氧化过程明显加快。由于氧化膜较脆，其力学性能明显低于基体金属，而且氧化也造成膜较脆，其力学性能明显低于基体金属，而且氧化也造成零（构）件有效截面减小，从而降低了零（构）件的承载零（构）件有效截面减小，从而降低了零（构）件的承载能力。能力。1.2 材料的使用性能材料的使用性能三、化学性能三、化学性能31金属的氧化过程（以金属的氧化过程（以+2价金属为例）：价金属为例）：1、金属原子失去电子成为离子；、金属原子失去电

19、子成为离子；2、氧原子吸收电子成为氧离子；、氧原子吸收电子成为氧离子；3、金属离子和氧离子结合形成氧化物；、金属离子和氧离子结合形成氧化物；22MMe22OeO22MOMO1.2 材料的使用性能材料的使用性能三、化学性能三、化学性能（一）氧化腐蚀（一）氧化腐蚀32 (二二)电化学腐蚀：电化学腐蚀：金属发生电化学腐蚀的金属发生电化学腐蚀的条件条件是不同金属或同一金属的是不同金属或同一金属的不同组成部分之间存在着不同组成部分之间存在着电极电位差电极电位差，且它们是相互，且它们是相互接触并处于互相联通的电解质溶液中构成接触并处于互相联通的电解质溶液中构成微电池微电池。1.2 材料的使用性能材料的使用

20、性能三、化学性能三、化学性能在机器或金属结构中在机器或金属结构中,两种金属相互接触的情况经常发生两种金属相互接触的情况经常发生,它们接触潮湿空气它们接触潮湿空气,或电解质就会发生电化学腐蚀或电解质就会发生电化学腐蚀.33例、钢中珠光体在硝酸酒精中的腐蚀例、钢中珠光体在硝酸酒精中的腐蚀钢中珠光体是由铁素体（钢中珠光体是由铁素体（）和渗碳体（）和渗碳体（FeFe3 3C C）层片相间组成，在硝）层片相间组成，在硝酸酒精溶液中就构成了无数个微电池，有（酸酒精溶液中就构成了无数个微电池，有（图图1-23a1-23a）所示，铁素体）所示，铁素体（）的电极电位较低，成为阳极，）的电极电位较低，成为阳极，

21、中的铁原子变成离子进入溶中的铁原子变成离子进入溶液液（）被腐蚀；渗碳体（）被腐蚀；渗碳体（F Fe e3 3C C）电极电位较高，成为阴极，它将电子）电极电位较高，成为阴极，它将电子传导给算中的氢离子（传导给算中的氢离子（H+H+），变成氢气逸出，即发生氢反应），变成氢气逸出，即发生氢反应公式公式上述电化学腐蚀结果，使上述电化学腐蚀结果，使片不断被腐蚀而凹陷片不断被腐蚀而凹陷,(,(Fe3C)片不断受腐片不断受腐蚀而凸起，从而使原来平滑表面变得凸凹不平（图蚀而凸起，从而使原来平滑表面变得凸凹不平（图1-23b），显示出），显示出珠光体层片状形貌。这是观察金属显微组织之前必须进行腐蚀的原因。珠光

22、体层片状形貌。这是观察金属显微组织之前必须进行腐蚀的原因。33FeFee213312HeH1.2 材料的使用性能材料的使用性能三、化学性能三、化学性能(二二) 电化学腐蚀电化学腐蚀34+-1.2 材料的使用性能材料的使用性能三、化学性能三、化学性能(二二) 电化学腐蚀电化学腐蚀352. 局部腐蚀：局部腐蚀：1）电偶腐蚀：异类材料连接在一起，由于电极电位不）电偶腐蚀：异类材料连接在一起，由于电极电位不同而发生的电化学腐蚀。同而发生的电化学腐蚀。2）小孔腐蚀：金属表面微小区域因氧化膜破损或析出）小孔腐蚀：金属表面微小区域因氧化膜破损或析出相和夹杂物剥落，引起该处电极电位降低而出现小孔相和夹杂物剥落

23、，引起该处电极电位降低而出现小孔并向深度发展的现象，又称点蚀。并向深度发展的现象，又称点蚀。3）缝隙腐蚀：指电解质进入零件的缝隙中出现缝内金）缝隙腐蚀：指电解质进入零件的缝隙中出现缝内金属加速腐蚀的现象。属加速腐蚀的现象。1.2 材料的使用性能材料的使用性能三、化学性能三、化学性能(二二) 电化学腐蚀电化学腐蚀361. 应力腐蚀：零件在应力腐蚀：零件在拉应力拉应力和特定的和特定的化学介质化学介质联合作联合作用下作用所产生的低应力脆性断裂现象。用下作用所产生的低应力脆性断裂现象。1）引起应力腐蚀的拉应力很小，如果没有腐蚀介质存在，零件在）引起应力腐蚀的拉应力很小，如果没有腐蚀介质存在，零件在该应

24、力作用下长期工作不发生断裂；该应力作用下长期工作不发生断裂；2）引起应力腐蚀的介质的腐蚀性较弱，如果没有拉应力，零件在）引起应力腐蚀的介质的腐蚀性较弱，如果没有拉应力，零件在该介质中耐腐蚀；该介质中耐腐蚀；1.2 材料的使用性能材料的使用性能三、化学性能三、化学性能(三三) 应力腐蚀应力腐蚀372. 应力腐蚀断裂过程：应力腐蚀断裂过程：裂纹形成和扩展过程：裂纹形成和扩展过程：1）在拉应力作用下，零件表面钝化膜在应力集中点被破坏，该处）在拉应力作用下，零件表面钝化膜在应力集中点被破坏，该处称为阳极，钝化膜为阴极，构成微电池形成腐蚀坑，裂纹萌生称为阳极，钝化膜为阴极，构成微电池形成腐蚀坑，裂纹萌生

25、2）在拉应力和介质的联合作用下裂纹不断扩展导致断裂。）在拉应力和介质的联合作用下裂纹不断扩展导致断裂。1.2 材料的使用性能材料的使用性能三、化学性能三、化学性能(三三) 应力腐蚀应力腐蚀381. 抗抗氧化腐蚀氧化腐蚀措施：措施： 改善零件腐蚀抗力的措施改善零件腐蚀抗力的措施1）选择抗氧化材料，如耐热钢、高温合金、耐热铸铁、陶瓷材料。）选择抗氧化材料，如耐热钢、高温合金、耐热铸铁、陶瓷材料。2）表面涂层如喷涂铝、陶瓷。）表面涂层如喷涂铝、陶瓷。2. 抗抗电化学腐蚀电化学腐蚀措施：措施：1）选择耐腐蚀材料，如不锈钢、耐蚀合金、陶瓷材料、高分子材料。）选择耐腐蚀材料，如不锈钢、耐蚀合金、陶瓷材料、

26、高分子材料。2）表面涂层如电镀）表面涂层如电镀Ni、Cr，热喷涂陶瓷。，热喷涂陶瓷。3）电化学保护，如牺牲阳极保护、外加电位阴极保护）电化学保护，如牺牲阳极保护、外加电位阴极保护4）加缓蚀剂降低电解质腐蚀性。）加缓蚀剂降低电解质腐蚀性。1.2 材料的使用性能材料的使用性能三、化学性能三、化学性能393. 抗抗应力腐蚀应力腐蚀措施：措施：1）设计时，减小拉应力和应力集中；设计时，减小拉应力和应力集中；2）进行去应力退货消除）进行去应力退货消除 残余拉应力；残余拉应力；3）根据工作介质选择在该介质中对应力腐蚀不敏感）根据工作介质选择在该介质中对应力腐蚀不敏感材料；材料；4）改变介质条件，清除有害化

27、学离子。）改变介质条件，清除有害化学离子。1.2 材料的使用性能材料的使用性能三、化学性能三、化学性能 改善零件腐蚀抗力的措施改善零件腐蚀抗力的措施40金属材料零件的一般加工过程1.3 材料的工艺性能材料的工艺性能41 材料的工艺性能是材料力学、物理、化学性能材料的工艺性能是材料力学、物理、化学性能的综合表现。主要反映材料生产或零部件加工过程的综合表现。主要反映材料生产或零部件加工过程的可能性或难易程度。的可能性或难易程度。材料可生产性材料可生产性：得到材料可能性和制备方法。：得到材料可能性和制备方法。1. 铸造性铸造性：将材料加热得到熔体，注入较复杂的型腔：将材料加热得到熔体，注入较复杂的型

28、腔后冷却凝固，获得零件的方法。后冷却凝固，获得零件的方法。流动性：充满型腔能力流动性：充满型腔能力收缩率：缩孔数量的多少和分布特征收缩率：缩孔数量的多少和分布特征偏析倾向：材料成分的均匀性偏析倾向：材料成分的均匀性1.3 材料的工艺性能材料的工艺性能42零件的毛坯：（零件的毛坯：（1）铸造铸造毛坯毛坯 熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法，称为铸造。固后获得一定形状和性能铸件的成形方法，称为铸造。1.3 材料的工艺性能材料的工艺性能432. 锻造性锻造性：材料进行压力加工：材料进行压力加工(锻造、压延、轧制

29、、锻造、压延、轧制、拉拔、挤压等拉拔、挤压等)的可能性或难易程度的度量。的可能性或难易程度的度量。3. 焊接性焊接性：利用部分熔体，将两块材料连接在一起。：利用部分熔体，将两块材料连接在一起。塑性变形能力：塑性变形能力：材料不破坏的前提下的最大变形量。材料不破坏的前提下的最大变形量。塑性变形抗力：塑性变形抗力：发生塑性变形所需要的最小外力。发生塑性变形所需要的最小外力。连接能力：连接能力：焊接头部位强度与母材的差别程度。焊接头部位强度与母材的差别程度。焊接缺陷：焊接缺陷：焊接处出现气孔、裂纹可能性的大小或母材变形程度。焊接处出现气孔、裂纹可能性的大小或母材变形程度。1.3 材料的工艺性能材料的工艺性能44 锻压是对坯料施加外力，使其产生塑性变形、改变尺寸、锻压是对坯料施加外力，使其产生塑性变形、改变尺寸、形