机械制造基础第一章材料的性能.

1、模块一模块一 工程材料与热处理工程材料与热处理基基本本内内容容材料的性能与成分、组织结构之间的关系及材料的性能与成分、组织结构之间的关系及其变化规律；提高材料性能的热处理工艺方其变化规律；提高材料性能的热处理工艺方法；常用材料的性能特点与用途。法；常用材料的性能特点与用途。学学习习目目标标熟悉常用工程材料的种类、成分、组织、性熟悉常用工程材料的种类、成分、组织、性能和用途及热处理方法，具有正确选用零件能和用途及热处理方法，具有正确选用零件材料和改变材料性能方法的能力；材料和改变材料性能方法的能力；工工程程材材料料高分子材料高分子材料陶瓷材料陶瓷材料复合材料复合材料第第1 1章章 材料的性能材料

2、的性能使用性能使用性能工艺性能工艺性能是指为了保证零件、工程构件或工具等正常是指为了保证零件、工程构件或工具等正常工作和一定使用寿命，材料所应具备的性能。工作和一定使用寿命，材料所应具备的性能。机械性能机械性能物理性能物理性能化学性能化学性能是指为了保证金属材料加工过程顺利进行，材料适应各是指为了保证金属材料加工过程顺利进行，材料适应各种冷、热加工的性能。包括：铸造、锻压、焊接、切削种冷、热加工的性能。包括：铸造、锻压、焊接、切削加工及热处理等方面的性能。加工及热处理等方面的性能。0第第1 1章章 材料的性能材料的性能第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能机机械械性性能能又称力学性能，是指

3、材料又称力学性能，是指材料抵抗各种外力作用而不被抵抗各种外力作用而不被破坏的能力。破坏的能力。第第1 1章章 材料的性能材料的性能强度不足引起螺栓的过量塑性变形强度不足引起螺栓的过量塑性变形 第第1 1章章 材料的性能材料的性能一、强度一、强度 所谓强度，是指金属材料在静载荷作所谓强度，是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。用下抵抗变形和断裂的能力。1.1.拉伸试样拉伸试样d d0 0试样直径试样直径l l0 0标距长度标距长度长试样长试样：l0=10d0 短试样短试样：l0=5d0第第1 1章章 材料的性能材料的性能2.2.力力伸长曲线伸长曲线图图1-2 1-2 低碳钢的力低碳钢的

4、力伸长曲线伸长曲线伸长量伸长量l(mm)0esbkFeFsFb拉伸力拉伸力F(N)F(N)F Fe e弹性范围内的最大载荷（弹性范围内的最大载荷（N N）F Fs s 最小屈服载荷（最小屈服载荷（N N） F Fb b 最大载荷（最大载荷（N N）第第1 1章章 材料的性能材料的性能3.3.强度指标强度指标 强度指标是用应力值来表示的。单位截面积强度指标是用应力值来表示的。单位截面积上的内力，称为应力，用符号上的内力，称为应力，用符号表示。表示。应力应力材料能保持弹性变形的最大应力，用材料能保持弹性变形的最大应力，用e e表示。表示。弹性极限弹性极限=ee0FS第第1 1章章 材料的性能材料的

5、性能 材料抵抗塑性变形的能力，也就是使材料产材料抵抗塑性变形的能力，也就是使材料产生屈服现象的最小应力，用生屈服现象的最小应力，用s s表示。表示。屈服强度屈服强度材料抵抗断裂的能力，即试样断裂前能够承材料抵抗断裂的能力，即试样断裂前能够承受的最大应力，用受的最大应力，用b b表示。表示。抗拉强度抗拉强度=ss0FS=0.20.20FS或条件屈服强度或条件屈服强度=bb0FS第第1 1章章 材料的性能材料的性能金属材料在外力作用下发生塑性变形金属材料在外力作用下发生塑性变形而不破坏的能力称为塑性，而不破坏的能力称为塑性，判别指标判别指标是伸长率和断面收缩率是伸长率和断面收缩率。二、塑性二、塑性

6、1.1.伸长率伸长率试样拉伸断裂时的绝对伸长量与原始试样拉伸断裂时的绝对伸长量与原始长度值的百分率，用符号长度值的百分率，用符号表示。表示。第第1 1章章 材料的性能材料的性能2.2.断面收缩率断面收缩率是指试样拉断后，试样断口处横截是指试样拉断后，试样断口处横截面积的缩减量与原始横截面积之比面积的缩减量与原始横截面积之比值的百分率，用符号值的百分率，用符号表示。表示。第第1 1章章 材料的性能材料的性能硬度是指金属表面抵抗塑性变形和破坏硬度是指金属表面抵抗塑性变形和破坏的能力。它是衡量金属材料软、硬程度的能力。它是衡量金属材料软、硬程度的一个指标。的一个指标。三、硬度三、硬度可用硬度试验机测

7、定，常用的测试方法是可用硬度试验机测定，常用的测试方法是压入法压入法，它用，它用一定的静载荷（压力）将压头压在金属表面上，然后通一定的静载荷（压力）将压头压在金属表面上，然后通过测定压痕的面积或深度来确定其硬度。常用的硬度试过测定压痕的面积或深度来确定其硬度。常用的硬度试验方法有验方法有布氏硬度布氏硬度、洛氏硬度洛氏硬度和和维氏硬度维氏硬度三种。三种。第第1 1章章 材料的性能材料的性能2.2.表示方法表示方法. .特点及应用特点及应用1.1.原理原理 （一）布氏硬度（一）布氏硬度第第1 1章章 材料的性能材料的性能1.1.原理原理F F()()22FDp=2FHBS HBW0.102SD-D

8、-d第第1 1章章 材料的性能材料的性能2.2.表示方法表示方法 当压头为淬火钢球时，用当压头为淬火钢球时，用HBSHBS表示，适合于布氏表示，适合于布氏硬度值在硬度值在450450以下的材料；以下的材料； 当压头为硬质合金球时，用当压头为硬质合金球时，用HBWHBW表示，适合于布表示，适合于布氏硬度值为氏硬度值为450-650450-650的材料。的材料。例如：例如：150HBS10/10000/30150HBS10/10000/30或或500HBW5/7500500HBW5/7500 一般在零件图或工艺文件上标注材料要求的布一般在零件图或工艺文件上标注材料要求的布氏硬度时，不规定试验条件，

9、只需标出要求的硬度氏硬度时，不规定试验条件，只需标出要求的硬度值范围和硬度符号，值范围和硬度符号，如如210210230HBS230HBS。第第1 1章章 材料的性能材料的性能. .特点及应用特点及应用测定的数据准确、稳定、重复性强，常用于测定退火、测定的数据准确、稳定、重复性强，常用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。优点优点对不同材料需要更换压头和改变载荷，且压痕较大，对不同材料需要更换压头和改变载荷，且压痕较大，压痕直径的测量也较麻烦，易损坏成品的表面，不宜压痕直径的测量也较麻烦，易损坏成品的表面，不宜在成品上进行试验，不能测定太薄的试样硬

10、度。在成品上进行试验，不能测定太薄的试样硬度。缺点缺点第第1 1章章 材料的性能材料的性能2.2.洛氏硬度标尺洛氏硬度标尺及适用范围及适用范围. .优缺点优缺点1.1.原理原理（二）洛氏硬度（二）洛氏硬度第第1 1章章 材料的性能材料的性能1.1.原理原理F1-1 1-1 加上初载荷后压头的位置加上初载荷后压头的位置2-2 2-2 加上初载荷加上初载荷+ +主载荷后压头主载荷后压头 的位置的位置3-3 3-3 卸去主载荷后压头的位置卸去主载荷后压头的位置式中式中:h:h压痕的深度；压痕的深度； h =hh =h3 3- h- h1 1， CC常数常数 当压头为淬火钢球时当压头为淬火钢球时C=1

11、30, C=130, 压头为金刚石圆锥时压头为金刚石圆锥时C=100C=100。洛氏硬度试验洛氏硬度试验第第1 1章章 材料的性能材料的性能2.2.洛氏硬度标尺及适用范围洛氏硬度标尺及适用范围标尺符号标尺符号 所用压头所用压头 总试验力总试验力F/NF/N适用范围适用范围应用举例应用举例HRAHRA金刚石圆锥金刚石圆锥588.4588.470708080碳化物、硬质合金、碳化物、硬质合金、淬火工具钢、浅层淬火工具钢、浅层表面硬化钢等表面硬化钢等HRBHRB1.588mm1.588mm淬淬火钢球火钢球980.7980.72525100100软钢、铜合金、铝软钢、铜合金、铝合金、可锻铸铁合金、可锻

12、铸铁HRCHRC金刚石圆锥金刚石圆锥1471147120206767淬火钢、调质钢、淬火钢、调质钢、深层表面硬化钢深层表面硬化钢表示方法如表示方法如58HRC58HRC、76HRA76HRA。第第1 1章章 材料的性能材料的性能. .优缺点优缺点操作迅速、简便，硬度值可从表盘上直接读出；压痕操作迅速、简便，硬度值可从表盘上直接读出；压痕较小，可在工件表面试验；可测量较薄工件的硬度。较小，可在工件表面试验；可测量较薄工件的硬度。优点优点精确性较低，硬度值重复性差精确性较低，硬度值重复性差，通常要在试样不，通常要在试样不同部位测试数次，取其平均值为该材料的硬度值。同部位测试数次，取其平均值为该材料

13、的硬度值。 缺点缺点第第1 1章章 材料的性能材料的性能2.2.表示方法表示方法及常用试验力及常用试验力. .特点及应用特点及应用1.1.原理原理（三）维氏硬度（三）维氏硬度第第1 1章章 材料的性能材料的性能1.1.原理原理 维氏硬度值用正四棱锥维氏硬度值用正四棱锥压痕单位面积上所承受的压痕单位面积上所承受的平均压力表示，符号平均压力表示，符号HVHV。 维氏硬度试验维氏硬度试验第第1 1章章 材料的性能材料的性能2.2.表示方法表示方法及常用试验力及常用试验力维氏硬度的表示方法如维氏硬度的表示方法如 640HV300/20维氏硬度值维氏硬度值载荷为载荷为300N载荷保持载荷保持时间为时间为

14、20秒秒维氏硬度试验所用试验力视其试样大小、薄厚及其维氏硬度试验所用试验力视其试样大小、薄厚及其他条件，可在他条件，可在49.0349.03980.7N980.7N的范围内选择试验力。的范围内选择试验力。第第1 1章章 材料的性能材料的性能. .特点及应用特点及应用可测软、硬金属，特别是极薄零件和渗碳层、渗氮层可测软、硬金属，特别是极薄零件和渗碳层、渗氮层的硬度。的硬度。与布氏、洛氏硬度试验比较，维氏硬度试验与布氏、洛氏硬度试验比较，维氏硬度试验不存在试验规范的约束；也不存在压头变形问题，压不存在试验规范的约束；也不存在压头变形问题，压痕轮廓清晰，采用对角线长度计量，精确可靠，硬度痕轮廓清晰，

15、采用对角线长度计量，精确可靠，硬度值误差较小。值误差较小。优点优点硬度值的测定较为麻烦，工作效率不如洛氏硬度，因硬度值的测定较为麻烦，工作效率不如洛氏硬度，因此不太适合成批生产的常规检验。此不太适合成批生产的常规检验。 缺点缺点第第1 1章章 材料的性能材料的性能四四冲冲击击韧韧度度（一）概念（一）概念（二）冲击试验（二）冲击试验（三）冲击韧度指标（三）冲击韧度指标第第1 1章章 材料的性能材料的性能加载速度很快加载速度很快而作用时间很短而作用时间很短的突发性载荷。的突发性载荷。金属抵抗冲击金属抵抗冲击载荷而不破坏的载荷而不破坏的能力。能力。（一）概念（一）概念2.2.冲击韧度冲击韧度1.1.

16、冲击载荷冲击载荷第第1 1章章 材料的性能材料的性能m（二）冲击试验（二）冲击试验摆锤一次冲击试验摆锤一次冲击试验第第1 1章章 材料的性能材料的性能试样缺口有试样缺口有U U和和V V两种，两种，冲击韧度值分别以冲击韧度值分别以KUKU 和和KVKV表示。表示。其中，其中，A AKVKV= mg(H= mg(H1 1-H-H2 2) )， A AKVKV常称为冲击吸收功，常称为冲击吸收功，可从冲击试验机上直接读出。可从冲击试验机上直接读出。()=kVkV2AJcmS（三）冲击韧度指标（三）冲击韧度指标第第1 1章章 材料的性能材料的性能1.1.交变载荷交变载荷2.2.金属的疲劳金属的疲劳3.

17、3.疲劳强度疲劳强度五五疲疲劳劳强强度度（一）概念（一）概念（二）疲劳曲线（二）疲劳曲线第第1 1章章 材料的性能材料的性能大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。1.1.交变载荷交变载荷在交变载荷作用下经过长时间工作发生的破坏现象。在交变载荷作用下经过长时间工作发生的破坏现象。2.2.金属的疲劳金属的疲劳材料在无数次交变载荷作用下而不破坏的最大应力材料在无数次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度，在对称弯曲循环载荷作用下的疲劳称为疲劳强度，在对称弯曲循环载荷作用下的疲劳强度用强度用-1-1表示。表示。3. 3. 疲劳强度疲劳强度第第1 1章章 材料

18、的性能材料的性能图图1-7 1-7 金属的疲劳曲线金属的疲劳曲线N（循环周次）（循环周次）（交变应力）（交变应力）710-1-10交变应力交变应力maxmax 与疲劳与疲劳寿命寿命N N的关系曲线称疲劳的关系曲线称疲劳曲线或曲线或S SN N曲线曲线钢铁：钢铁：N10N107 7有色金属：有色金属：N10N108 8第第1 1章章 材料的性能材料的性能第二节第二节 材料的物理、化学性能材料的物理、化学性能一、物理性能一、物理性能单位体积某种物质的质量称为该物质的密度，用单位体积某种物质的质量称为该物质的密度，用表表示。金属材料根据密度的大小可分为示。金属材料根据密度的大小可分为轻金属和重金属。

19、轻金属和重金属。密度密度材料的熔化温度。金属材料根据熔点的高低可分为材料的熔化温度。金属材料根据熔点的高低可分为难难熔金属和易熔金属。熔金属和易熔金属。熔点熔点第第1 1章章 材料的性能材料的性能材料传导热量的性能称为导热性，用热导率（也称导材料传导热量的性能称为导热性，用热导率（也称导热系数）热系数）表示。表示。导热性导热性材料传导电流的能力称为导电性，用电导率材料传导电流的能力称为导电性，用电导率表示，表示，也可用其倒数电阻率也可用其倒数电阻率表示。表示。导电性导电性材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性，材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性，用线胀系数用线胀系数1 1和体胀系数和体胀系数表示。表示。热膨胀性热膨胀性第第1 1章章 材料的性能材料的性能二、化学性能二、化学性能 材料的化学性能主要是指它们在室温或高温时抵抗材料的化学性能主要是指它们在室温或高温时抵抗各种介质的化学侵蚀能力。各种介质的化学侵蚀能力。耐腐蚀性耐腐蚀性 材料在常温下抵抗周围各种介质腐蚀的能力。材料在常温下抵抗周围各种介质腐蚀的能力。抗氧化性抗氧化性材料在加热时抵抗氧化作用的能力。材料在加热时抵抗氧化作用的能力。化学稳定性化学稳定性材料耐腐蚀性和抗氧化性的总称。材料耐腐蚀性和抗氧化性的总称。第第1 1章章 材料的性能材料的性能第三节第三节 材料的加工工艺性能