机械工程材料(第2章)

1、第二章第二章 材料的性能与力学行为材料的性能与力学行为2.1 2.1 材料的静态力学性能材料的静态力学性能2.1.1 材料的强度与塑性材料的强度与塑性2.1.2 材料的硬度材料的硬度2.22.2材料的动态力学性能材料的动态力学性能2.2.1 材料的冲击韧度材料的冲击韧度2.2.2材料的多冲抗力材料的多冲抗力2.2.3 材料的疲劳强度材料的疲劳强度2.2.4 材料的断裂韧度材料的断裂韧度2.3 2.3 材料的物理化学性能材料的物理化学性能2.3.1 材料的物理性能材料的物理性能2.3.2 材料的化学性能材料的化学性能2.42.4材料的工艺性能材料的工艺性能2.5 2.5 金属的塑性变形及强化金属

2、的塑性变形及强化材料的性能材料的性能 材料的性能一般分为材料的性能一般分为使用性能使用性能和和工艺性能工艺性能。 使用性能：使用性能：力学：静态力学：静态-强度、硬度、塑性、耐磨性强度、硬度、塑性、耐磨性 动态动态-冲击韧度、疲劳特性等冲击韧度、疲劳特性等 物理：密度、熔点、导热性、热断裂性、电、磁、物理：密度、熔点、导热性、热断裂性、电、磁、光性光性 化学：耐腐蚀、抗氧化性化学：耐腐蚀、抗氧化性 工艺性能：工艺性能：铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性材料的力学性能材料的力学性能材料的力学性能材料的力学性能是指是指材料在外力或能量以及环境因材料在外力或能量以及

3、环境因素（温度、介质等）作用下表现出的素（温度、介质等）作用下表现出的变形变形和和破裂破裂的特性。的特性。通常把外力或能量称为载荷或负荷。通常把外力或能量称为载荷或负荷。1 1、强度强度4 4、冲击韧性冲击韧性3 3、硬度硬度2 2、塑性塑性弹性极限弹性极限(e)比例极限比例极限(p)屈服强度屈服强度s抗拉强度抗拉强度b名义名义(条件条件)屈服强度屈服强度0.2弹性弹性5 5、断裂韧度断裂韧度6 6、疲劳特性疲劳特性7 7、耐磨耐磨性性2.1 材料的静态力学性能材料的静态力学性能 力学载荷、热载荷、环境载荷、多种载荷的叠加力学载荷、热载荷、环境载荷、多种载荷的叠加 根据载荷性质可分为静载荷和动

4、载荷。根据载荷性质可分为静载荷和动载荷。 静载荷：静载荷：逐渐而缓慢地作用在工件上的力，一般逐渐而缓慢地作用在工件上的力，一般作用在机械零件上的静载荷有：拉伸、压缩、剪作用在机械零件上的静载荷有：拉伸、压缩、剪切、扭转、弯曲等多种形式，并导致各种形式的切、扭转、弯曲等多种形式，并导致各种形式的变形。变形。 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。为变形。 外力去处后能够恢复的变形称为外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形弹性变形。 外力去处后不能恢复的变形称为外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形塑性变形。 材料的材料的静态力学性能静态力学性能是

5、指是指材料在静载荷作用下，材料在静载荷作用下，抵抗抵抗变形变形或或断裂断裂的能力。的能力。 主要强度指标有：强度、塑性、硬度等主要强度指标有：强度、塑性、硬度等2.1.1 材料的强度与塑性 强度指标：反映材料对塑性变形和断裂抗力的指标。 加载方式不同，指标不同：抗拉强度，抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。 塑性指标：反映材料塑性变形能力的指标。（一）拉伸试验及曲线：（一）拉伸试验及曲线： 拉伸试验拉伸试验是测定材料力学性能最常用的方法。是测定材料力学性能最常用的方法。沿试样轴向沿试样轴向缓慢施加载荷缓慢施加载荷，使其发生拉伸变形，使其发生拉伸变形直至断裂。直至断裂。长试样：长试样：L0

6、=10d0短试样：短试样：L0=5d01.拉伸试样（拉伸试样（GB6397-86）拉伸试验拉伸试验机机拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象绘制出绘制出载荷载荷P与试样与试样伸长量伸长量L之间的关系曲线，之间的关系曲线，并可测定并可测定应力应力（）与与应变（应变（）关系：关系：(1)应力应力：单位面积上试样承受的载荷。用试样承受的载荷(N)(N)除以试样的原始横截面积原始横截面积S S0 0(mm(mm2 2) )表示: =F/S0 (MPa)(2)应变应变：单位长度的伸长量。用试样的伸长伸长量量l(mm)l(mm)除以试样的原始标距原始标距l l0 0(mm)(mm)表示: =l/l0 (3)

7、应力应力- -应变曲线应变曲线(-(-曲线曲线) ):形状和拉伸曲线相同，单位不同bse低碳钢低碳钢 (20 (20钢钢) )拉伸的应力拉伸的应力- -应变曲线应变曲线( (-曲线曲线) ) op段：段： 比例比例弹性变形阶段弹性变形阶段；pe段：段：非比例非比例弹性变形阶段弹性变形阶段；平台或锯齿（平台或锯齿（es段段）：）：屈服阶段屈服阶段；sb段：段：均匀均匀塑性变形阶段塑性变形阶段，强化强化阶段阶段。b点点：形成了：形成了“缩颈缩颈”。bk段：段：非均匀非均匀变形阶段变形阶段，承载下，承载下降，降，到到k点断裂。点断裂。l F Fbbk Fss o gl bl ul fe Fep Fp

8、断裂总伸长为断裂总伸长为Of，其中其中塑形变形塑形变形Og(试样断后测得试样断后测得的伸长的伸长)，弹性伸长弹性伸长gf。 研究表明研究表明,低碳钢在外加载荷作用下的变形过程低碳钢在外加载荷作用下的变形过程,一般分为一般分为三三个阶段：个阶段： 弹性变形弹性变形 塑性变形塑性变形 断裂。断裂。指材料在外力作用下指材料在外力作用下产生变形产生变形, ,外力去除后外力去除后能够恢复的能够恢复的变形称为变形称为弹性变形弹性变形。外力去除后外力去除后不能恢复的不能恢复的残余变形量残余变形量称为称为塑性变形塑性变形。五万吨水压机五万吨水压机（1）弹性与刚度）弹性与刚度弹性：弹性：指材料在外力作用下指材料

9、在外力作用下不发生永久变形的能力。不发生永久变形的能力。比例极限比例极限(p):指指A处应力与处应力与应变之比。应变之比。（Mpa)弹性极限弹性极限(e):指材料在外力指材料在外力作用下不产生永久变形的作用下不产生永久变形的最大应力。最大应力。（Mpa)弹性模量弹性模量E(杨氏模量杨氏模量):指材料指材料在弹性范围内在弹性范围内, ,其应力其应力与应变的比值。与应变的比值。标志标志材料抵抗弹性变形的能力材料抵抗弹性变形的能力,用以用以表示材料的表示材料的刚度刚度指标指标. E值的大小值的大小,主要取决于主要取决于材料的本性材料的本性,反映了材料内部原子反映了材料内部原子结合键的强弱结合键的强弱

10、。 E值愈大值愈大,即刚度愈大即刚度愈大,材料愈不容易产生弹性材料愈不容易产生弹性变形变形. E铁铁=196000,E塑料塑料=2004000影响因素：影响因素：温度。温度。随温度升高而逐渐降低随温度升高而逐渐降低,而一些处理方而一些处理方法法(如热处理、冷加工、微合金化等如热处理、冷加工、微合金化等)对它的影响很小。对它的影响很小。材料的刚度材料的刚度不等于不等于机件的刚度机件的刚度 机件的刚度与结构因素有关机件的刚度与结构因素有关,如如横截面积横截面积、截面形状截面形状.滞弹性滞弹性与与弹性滞后弹性滞后的概念的概念 铍青铜有极高的弹性极限和低弹性模量铍青铜有极高的弹性极限和低弹性模量）（M

11、PatgE (2) 强度强度:指材料在外力作用下抵抗指材料在外力作用下抵抗塑性变形塑性变形和和破断破断的的能力。能力。屈服强度屈服强度ss：试样试样屈服时屈服时的最小应力的最小应力 ,即即B点对应的应力值，点对应的应力值，或称为屈服极限。所谓或称为屈服极限。所谓屈服屈服是指是指应力不增加而应变却继续增加应力不增加而应变却继续增加的现象。的现象。 名义名义( (条件条件) )屈服强度屈服强度0.20.2：当试样产生的残余塑性变形量为标当试样产生的残余塑性变形量为标距长度的距长度的0.2%时所对应的应力值。时所对应的应力值。屈服强度屈服强度是工程设计与选材的重要依据之一。是工程设计与选材的重要依据

12、之一。如湘江三大桥的紧固螺栓各种如湘江三大桥的紧固螺栓各种机械零部件的设计，特别是结构零件机械零部件的设计，特别是结构零件抗拉强度抗拉强度b b：材料材料在拉伸条件下在拉伸条件下, ,破裂前所受的最大应力破裂前所受的最大应力。或称为或称为强度极限强度极限, ,它表示它表示材料抵抗材料抵抗断裂断裂的能力的能力。抗拉强度抗拉强度b是零件设计的重要依据；也是评定金属强度的重要指标之一。是零件设计的重要依据；也是评定金属强度的重要指标之一。对于那些变形要求不高的机件，无须靠对于那些变形要求不高的机件，无须靠s来控制产品的变形量，常将来控制产品的变形量，常将b作为设计与选材的依据。作为设计与选材的依据。

13、0.2:试样产生试样产生0.2%残余塑性变形时的应力残余塑性变形时的应力应用：应用：s和和0.2常作为零件选材和设计的依据。常作为零件选材和设计的依据。屈强比，越大，越能发挥材料潜力，减少自重。0.20.20.2%L0试样有长短两种：标注方法。试样有长短两种：标注方法。长试样长试样l=10d ,其伸长率写为其伸长率写为10;短试样短试样l=5d,其伸长率写为其伸长率写为5对于不同材料，对于不同材料，值值5值不能比较。值不能比较。（3 3）塑性）塑性：是指材料在载荷作用下是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不产生塑性变形而不被破坏被破坏的能力。也即的能力。也即材料断裂前发生永久变形的能力。材料断裂

14、前发生永久变形的能力。塑性大小用拉伸断裂后伸长率塑性大小用拉伸断裂后伸长率与断面收缩率与断面收缩率表示。表示。%100s%100001001sslll断后伸长率断后伸长率断面收缩率断面收缩率 值值值越大值越大,材料的塑性越好。材料的塑性越好。 值表示塑性更接近材料真实应变。值表示塑性更接近材料真实应变。材料应具有一定的塑性才能进行各种变形加工。材料应具有一定的塑性才能进行各种变形加工。(4)(4)不同材料的拉伸曲线不同材料的拉伸曲线退火低碳钢退火低碳钢低、中回火钢低、中回火钢淬火钢及铸铁淬火钢及铸铁中碳调质钢中碳调质钢不同材料的应力应变曲线不同材料的应力应变曲线（a）铜）铜OO（c）天然橡胶）

15、天然橡胶O（b）铸铁）铸铁压缩压缩拉伸拉伸O（d）塑料）塑料14321-强而韧，尼龙，聚氯乙烯强而韧，尼龙，聚氯乙烯2-硬而脆，有机玻璃硬而脆，有机玻璃3-硬而强，纤维增强热固性塑料硬而强，纤维增强热固性塑料4-软而韧，伸长率大，有增塑剂的聚氯乙烯。软而韧，伸长率大，有增塑剂的聚氯乙烯。练习题练习题一一 1.拉力试样的原标距长度为拉力试样的原标距长度为50mm50mm，直径为，直径为10mm10mm，经拉力试验，经拉力试验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为71mm71mm，颈缩区的最小直径为，颈缩区的最小直径为4.9mm4.9m

16、m，试求该材料的伸长率和，试求该材料的伸长率和断面收缩率的值？断面收缩率的值？ 解：解： =（71-5071-50）/50/50100%=42%100%=42% S S0 0=3.14x(10/2)=3.14x(10/2)2 2=78.5(mm=78.5(mm2 2) ) S S1 1=3.14x(4.9/2)=3.14x(4.9/2)2 2=18.85(mm=18.85(mm2 2) ) =(S=(S0 0-S-S1 1)/S)/S0 0 100%=24%100%=24% 2.某工厂买回一批材料某工厂买回一批材料,要求要求:s230MPa；b410MPa；523%；50%做短试样（做短试样（

17、0=50；0=10mm）拉伸试验，结果如下：）拉伸试验，结果如下：Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;问买回的材料合格吗？问买回的材料合格吗？ 解：解： 根据试验结果计算如下：根据试验结果计算如下：sFss(191000)/(3.1452 )=242 230MPa b Fb s(34.51000)/(3.1452 )=439.5 410MPa 5 ll 0100% (63.1-50)/50100%=26.2% 23% SS 0100% 60.31% 50% 材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格。2.1.2 硬度：

18、硬度：是衡量材料软硬程度的指标，是衡量材料软硬程度的指标，反映材料表面反映材料表面抵抗微区塑性变形抵抗微区塑性变形的能力的能力 硬度值硬度值是由起始塑性变形抗力起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力继续塑性变形抗力决定的,材料的强度越高,塑性变形抗力越高,硬度值也就越高。硬度分为： 压入硬度。压入硬度。主要用于金属材料，测定方法是用一定的载荷将规定的压头压入被测材料，以材料表面局部塑性变形的以材料表面局部塑性变形的大小比较被测材料的软硬。大小比较被测材料的软硬。由于压头、载荷以及载荷持续时间的不同，压入硬度有多种，主要有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等几种。硬度值表示材料表面抵抗另一物体压

19、入时所引起的塑性变形的能力。 回跳硬度。回跳硬度。主要用于金属材料，测定方法是使一特制的小锤从一定高度自由下落冲击被测材料的试样，通过测定小锤的回跳高度 (试样在冲击过程中储存继而释放应变能的多少)确定材料的硬度。主要有肖氏硬度、里氏硬度,硬度值代表金属弹性变形功能的大小。 划痕硬度。划痕硬度。主要用于比较不同矿物的软硬程度，方法是选一根一端硬一端软的棒，将被测材料沿棒划过，根据出现划痕的位置确定被测材料的软硬。定性地说，硬物体划出的划痕长，软物体划出的划痕短。 刻划法刻划法测量硬度，硬度值表示金属抵抗表面局部破裂的能力。 早在1822年，Friedrich Mohs提出摩氏硬度计摩氏硬度计。

20、按照他们的软硬程度分为十级： 1 1）滑石滑石 2 2）石膏石膏 3 3）方解石方解石 4 4）萤石萤石 5 5）磷灰石磷灰石 6 6）正长石正长石 7 7）石英石英 8 8）黄玉黄玉 9 9）刚玉刚玉 1010）金刚石金刚石 简单记忆方法：滑石方、萤磷长、石英、黄玉、刚、金刚。 各级之间硬度的差异不是均等的，等级之间只表示硬度的相对大小。 （1 1）布氏硬度布氏硬度 （2 2）洛氏硬度洛氏硬度 （3）维氏硬度）维氏硬度 （4）肖氏硬度）肖氏硬度(HS) （5）莫氏硬度）莫氏硬度2. 应用应用3. 优缺点优缺点4. 实验（录像）实验（录像）1. 原理原理1.布氏硬度布氏硬度（HB）：由瑞典工程

21、师由瑞典工程师J.B.Brinell于于1900年提出。年提出。 一般省略单位，一般省略单位，HBS一般简写为一般简写为HB,适宜测量较软的金属，不宜测试成品适宜测量较软的金属，不宜测试成品 a、选用淬火钢球时，选用淬火钢球时，HBS450 150HBS10/1000/30b、选用硬质合金球时选用硬质合金球时,HBW(450650)500HBW5/750 国标规定:球体直径D有五种,而P/D2有七种)22(2dDDDPAPHB凹（N/mm2)适用范围适用范围:v 450HBS;v 650HBW;1. 原理原理压痕大，测量准确，但不能测量成品件。压痕大，测量准确，但不能测量成品件。布氏硬度计布氏

22、硬度计 符号符号HBS或或HBW之前的数字表示硬度值之前的数字表示硬度值, ,符号后面的数字符号后面的数字按顺序分别表示按顺序分别表示球体直径球体直径、载荷载荷及载荷及载荷保持时间保持时间. .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约约9.807kN载荷载荷作用下作用下保持保持30s测得的测得的布氏硬度值为布氏硬度值为120。 布氏硬度的优点：布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。测量误差小，数据稳定。 缺点：缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。适于测量适于测量退

23、火、正火、调质钢退火、正火、调质钢, ,铸铁及有色金属的硬度。铸铁及有色金属的硬度。 材料的材料的 b b与与HBHB之间的经验关系：之间的经验关系： 对于低碳钢对于低碳钢: : b b(MPa)(MPa)3.6HB3.6HB 对于高碳钢：对于高碳钢： b b(MPa)(MPa)3.4HB3.4HB 对于铸铁：对于铸铁： b b(MPa)(MPa)1HB1HB或或 b b(MPa(MPa) ) 0.6(HB-40) 0.6(HB-40)HB b(MPa)钢黄铜球墨铸铁2.洛氏硬度洛氏硬度（HRC）：）： 该测试方法是由美国的两个洛克威尔（该测试方法是由美国的两个洛克威尔（S.P.Rockwel

24、l)和（和（H.M.Rockwell)1911年提出。以压痕的深度年提出。以压痕的深度h来来计算硬度值。计算硬度值。HRC1/h HR=HR=k k-( -(h h1 1- -h h0 0)/0.002)/0.002h1-h0 洛氏硬度计洛氏硬度计洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛氏洛氏硬度硬度压头压头总载荷总载荷（kgf)测量范围测量范围 应用应用HRA120金刚石金刚石圆锥体圆锥体6070HRA高硬度材料高硬度材料硬质合金硬质合金零件表面硬化零件表面硬化层层(表淬层和渗碳层表淬层和渗碳层)等等HRB1.588钢球钢球10025100HRB低低硬度材料硬度材料铜合金等有色金属和退铜合金等

25、有色金属和退火、正火钢等软钢火、正火钢等软钢HRC120金刚石金刚石圆锥体圆锥体1502067HRC中中等硬度材料等硬度材料调质钢、调质钢、淬火钢等零件淬火钢等零件洛氏硬度与布氏硬度的换算关系：HRC0.1HB应用范围应用范围:根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为常用的标尺为A A、B B、C C。适宜测量较硬的金属（成品）适宜测量较硬的金属（成品）常用洛氏硬度标度的试验范围常用洛氏硬度标度的试验范围 优点：操作简便、迅速，效率高，压痕小，可直接测量成品件优点：操作简便、迅速，效率高，压痕小，可直接测量成品件及高硬度及高硬度 的材料。适用

26、范围广。的材料。适用范围广。 缺点：压痕小缺点：压痕小,测量结果分散度大测量结果分散度大,测量不准确测量不准确,需多次测量。需多次测量。钢球压头与钢球压头与金刚石压头金刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕试验返返 回回上一页上一页下一页下一页回主页回主页加初载荷加初载荷加主载荷加主载荷卸除主载荷卸除主载荷读硬度值读硬度值 采用一相对面为采用一相对面为136的金刚石正的金刚石正四棱锥体压头，在规定载荷四棱锥体压头，在规定载荷P作用下压作用下压入被测材料表面，保持一定时间后卸入被测材料表面，保持一定时间后卸除载荷，然后再再测量压痕投影的两除载荷，然后再再测量压痕投影的两对角线的平均长度对角线的平均长度

27、d，如图如图1-10所示，所示，并计算出压痕的面积并计算出压痕的面积S，最后求出压痕最后求出压痕表面积上平均压（表面积上平均压（P/S），），以此作为被以此作为被测金属的维氏硬度值（测金属的维氏硬度值（HV）：）：2028544. 168sin2dPdPSPHV 适用于各种适用于各种软硬金属，尤其是表面硬软硬金属，尤其是表面硬化层，化层，如化学热处理渗层、电镀层等，如化学热处理渗层、电镀层等，此法压痕清晰、测试精度高此法压痕清晰、测试精度高（3）维氏硬度：）维氏硬度：由英国史密斯由英国史密斯（R.L Smith)和桑德兰德和桑德兰德（G.E.Sandland）于于1925年提出的。年提出的。维

28、氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度压痕维氏硬度压痕根据载荷范围不同，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度试验维氏硬度试验 、小负荷维氏硬度试验小负荷维氏硬度试验、显微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洛氏硬度的优点。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。 适用范围适用范围: : 测量薄板类测量薄板类 ; HVHBS ;小负荷维氏硬度计小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计显微维氏硬度计工工 件件(4)肖氏硬度肖氏硬度 HS (drop hardness )254mm2.5gh12hhKHS 适宜于在现场对大型试件（如机床床身，大

29、型齿轮等）进行适宜于在现场对大型试件（如机床床身，大型齿轮等）进行硬度测量硬度测量（5）莫氏硬度：）莫氏硬度：划痕硬度，主要用于陶瓷和矿物材料划痕硬度，主要用于陶瓷和矿物材料的硬度测量，从软到硬，共分的硬度测量，从软到硬，共分10级级.一般来说，材料的硬度值越高，其强度值也越高（4）肖氏硬度）肖氏硬度(HS)： 金刚石的冲金刚石的冲头头h1高度自由下落回高度自由下落回跳跳 h22.2 2.2 材料的动态力学性能材料的动态力学性能 动载荷：动载荷：随时间而变化的载荷，包括交变载荷、冲击载荷等。 交变载荷：交变载荷：载荷大小或方向随时间而发生变化的载荷。 冲击载荷：冲击载荷：以很大速度作用于机件上

30、的载荷称为。 材料动态力学性能材料动态力学性能：是指材料在动载荷作用下，抵抗材料在动载荷作用下，抵抗变形和断裂的能力。变形和断裂的能力。 主要指标有：冲击韧度冲击韧度、疲劳强度疲劳强度和断裂韧度断裂韧度等。TITANIC建造中的建造中的Titanic Titanic 号号TITANICTITANIC的沉没与的沉没与船体材料的质量有船体材料的质量有直接关系。直接关系。Titanic Titanic 号钢板号钢板（左图）（左图）和近代船用钢板和近代船用钢板（右（右图）的冲击试验结果图）的冲击试验结果Titanic近代船用钢板近代船用钢板韧性断口韧性断口脆性解理断口脆性解理断口2.2.1 2.2.1

31、 材料的冲击韧度材料的冲击韧度a ak k 材料在塑性变形和断裂过程中材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量吸收能量的的能力能力称为称为韧性、韧性、 1.1.定义定义: :材料在材料在冲击载荷冲击载荷作用下抵抗作用下抵抗变形变形和和断裂断裂的能力。的能力。即材料抵抗冲击载荷作用而即材料抵抗冲击载荷作用而不破坏不破坏的能力称为的能力称为冲击韧度冲击韧度 2.2.冲击韧性的测定原理：冲击韧性的测定原理：试样被冲断过程中吸收的能量试样被冲断过程中吸收的能量即冲击吸收功即冲击吸收功( (A Ak k) )等于摆锤冲击试样前后的势能差。等于摆锤冲击试样前后的势能差。冲击吸收功冲击吸收功 Ak=GH1GH2

32、（J）冲击韧度值冲击韧度值SAakk(J/mm2)式中式中：S 缺口截面积缺口截面积3.脆性材料：脆性材料：ak低，断裂前无明显塑性变形低，断裂前无明显塑性变形,断口平整断口平整,呈结晶状呈结晶状,有金属光泽有金属光泽韧性材料韧性材料： ak高高,断裂前有明显塑性变形断裂前有明显塑性变形,断口呈纤维断口呈纤维状状,无光泽无光泽.摆锤一次冲击试验，测定材料的冲击韧度值摆锤一次冲击试验，测定材料的冲击韧度值 冲击韧度值一般只能作为选材的参考冲击韧度值一般只能作为选材的参考, ,而不能作为定量性能指标用于设计而不能作为定量性能指标用于设计, , 对抵抗少数几次大能量冲击的设计有一定参考意义.如装甲板

33、.冲击试样和冲击试验示意图冲击试样和冲击试验示意图4 4、冷脆转变冷脆转变温度温度T,则韧度则韧度 ak;材料由韧性材料由韧性脆性脆性,这种转变称为冷脆转变这种转变称为冷脆转变,冷脆转变温度冷脆转变温度TkTk：冷脆转变时相应的温度称为冷脆转变冷脆转变时相应的温度称为冷脆转变温度温度Tk。Tk越低越低,低温冲击韧度越好低温冲击韧度越好.TkTak图 冷脆转变温度冲击试验对材料组织非常敏感冲击试验对材料组织非常敏感, ,能灵敏地显示冶金因素能灵敏地显示冶金因素对材料的损伤对材料的损伤, ,如回火如回火 过热等过热等. .而静载荷试验方法对而静载荷试验方法对此无能为力此无能为力. .2.2.2 2

34、.2.2 材料的多冲抗力材料的多冲抗力 实际生产中,机械零件很少是受到一次大能量冲击而损坏,大多数是在小能量多次冲击载荷下工作的,如,凿岩机风镐上的活塞,冲模的冲头等, 采用小能量多次冲击小能量多次冲击的抗力指标抗力指标作为评定材料质量及选材的依据。 破坏过程：裂纹产生和扩展的过程。是每次冲击损伤积累发展的结果。与一次冲击有本质区别。 一次冲击试验的冲击韧度值高的材料，小能量多次冲击抗力不一一次冲击试验的冲击韧度值高的材料，小能量多次冲击抗力不一定高定高，反之亦然。如孕育铸铁。 大能量冲击载荷作用时，冲击抗力主要取决于，冲击韧度的大小，而在小能量多次冲击条件下，其多冲抗力不但要求具备一定强度，

35、同时要求有适当的塑性。是材料强度和塑性的综合体现。 实践证明， 冲击能量高时，依赖于塑性，冲击能量低时，依赖于强度。2.2.3 材料的疲劳强度材料的疲劳强度fatigue strength疲劳特性疲劳特性1 ）疲劳：疲劳：工程上有一些长时间承受工程上有一些长时间承受交变应力交变应力或或循环应力循环应力的的机件，在工作应力低于制造材料的屈服强度机件，在工作应力低于制造材料的屈服强度 s s时就发生了断时就发生了断裂，称为裂，称为疲劳断裂疲劳断裂。2）疲劳极限）疲劳极限-1(疲劳强度疲劳强度)：指：指材材料能经受无限次料能经受无限次( (或或达到规定循达到规定循环次数环次数) )应力交变应力交变,

36、而不发生断裂而不发生断裂的最大应力。的最大应力。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之间的关系的关系: -1 =(0.45(0.450.55)0.55)b3 ）条件疲劳极限：条件疲劳极限：工程上常规工程上常规定循环周次定循环周次N=107或或108周次时的周次时的最大应力最大应力.有色金属的循环基数有色金属的循环基数一般取一般取 N = 108钢材的循环基数钢材的循环基数一般取一般取 N = 107腐蚀介质作用下的循环基数腐蚀介质作用下的循环基数一般取一般取 N = 1064）高周与低周疲劳）高周与低周疲劳 高周疲劳：高周疲劳：交变应力低于材料的屈服强度，断裂循环周次多 （N1

37、07）。 低周疲劳：低周疲劳：交变应力高于材料的屈服强度，断裂循环周次少 （N107）。 零件疲劳断裂过程可表述为疲劳裂纹零件疲劳断裂过程可表述为疲劳裂纹产生产生、疲劳裂纹疲劳裂纹扩展扩展和瞬时和瞬时断裂断裂三个阶段三个阶段疲劳强度疲劳强度( fatigue strength ):( fatigue strength ): 疲劳强度与选用材料的疲劳强度与选用材料的成分成分及及组织组织等本质有关外等本质有关外,还与零件的还与零件的表面结构形状表面结构形状及及状态状态有关。有关。 机件疲劳断裂机件疲劳断裂产生根源产生根源 ：表面应力集中处或内部缺陷处：表面应力集中处或内部缺陷处 解决办法：通过通过

38、改善或改善或选择合理的选择合理的材料的形状结构材料的形状结构,提高表面提高表面光洁度光洁度,减少表面缺陷减少表面缺陷和损伤和损伤,进行表面强化进行表面强化处理处理(如如喷丸、滚压、喷丸、滚压、表面淬火、渗碳表面淬火、渗碳等等)等方法可提高材料疲劳抗力。等方法可提高材料疲劳抗力。轴的疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片疲劳辉纹（扫描电镜照片）六、断裂韧性六、断裂韧性油轮断裂和北极星导弹油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与材料发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关中存在缺陷有关 1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂北极星导北极星导弹弹裂纹扩展的基本形式裂纹扩展的基本形式2.2.4

39、.2.2.4 .断裂断裂韧度韧度K Kcc1）低应力脆性断裂：低应力脆性断裂：指一些高强度钢制造的机件和中、低指一些高强度钢制造的机件和中、低强度钢制造的大尺寸机件，经常出现在工作应力低于屈服强度钢制造的大尺寸机件，经常出现在工作应力低于屈服强度强度s时发生断裂。时发生断裂。原因：存在裂纹、裂纹尖端处应力集中、快速扩展乃至断裂原因：存在裂纹、裂纹尖端处应力集中、快速扩展乃至断裂形成一个尖端应力场。形成一个尖端应力场。 2）应力场强度因子应力场强度因子K KaYK=(MPam1/2) Kc是材料的固有力学性能指标，反映了是材料的固有力学性能指标，反映了有裂纹存在时材有裂纹存在时材料抵抗脆性断裂的

40、能力料抵抗脆性断裂的能力，是强度和韧性的综合体现。，是强度和韧性的综合体现。 Kc的高低一定与的高低一定与材料的成分、材料的成分、内部组织内部组织、晶粒大小晶粒大小及及非金非金属夹杂物属夹杂物的数量及分布形式的数量及分布形式有关。有关。）（aYK /当机件的最大工作应力当机件的最大工作应力则带有长度小于则带有长度小于2a裂纹的机件就不会发生断裂。裂纹的机件就不会发生断裂。，可见材料的可见材料的断裂韧度断裂韧度也是工程设计中防止低应力脆性断裂也是工程设计中防止低应力脆性断裂的重要力学依据。的重要力学依据。 3 3）断裂断裂韧度韧度KcKc：当应力强度因子当应力强度因子K增大到某一临增大到某一临界

41、值时，就能使裂纹突然扩展，材料快速断裂，这界值时，就能使裂纹突然扩展，材料快速断裂，这个个应力强度因子应力强度因子K K的临界值的临界值，或称为，或称为断裂韧性断裂韧性。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)强度强度( Mpa )比强度比强度纯铝纯铝2.7801003037纯铁纯铁7.871802802336纯钛纯钛4.5405500901116、耐磨耐磨性性：是指材料对磨损的抵抗能力。一个零件相是指材料对磨损的抵抗能力。一个零件相对另一个零件摩擦的结果引起摩擦表面对另一个零件摩擦的结果引

42、起摩擦表面有微小颗粒分离出来，使接触面尺寸变有微小颗粒分离出来，使接触面尺寸变化、质量损失，这种现象称为化、质量损失，这种现象称为磨损。磨损。增加材料的耐磨性方法有增加材料的耐磨性方法有降低材料的摩擦系数降低材料的摩擦系数提高材料的硬度提高材料的硬度maxmaxm m作业 熟悉拉伸曲线 掌握掌握强度及塑性指标强度及塑性指标，了解这些指，了解这些指标在工程上的应用标在工程上的应用 课后习题P21：、2.3 材料的物理化学性能材料的物理化学性能2.3.1 2.3.1 材料的物理性能材料的物理性能1、密度：单位体积的质量。、密度：单位体积的质量。抗拉强度与密度之比，称为比强度。抗拉强度与密度之比，称

43、为比强度。2、熔点：材料在缓慢加热时由固态转变为液态的转变温度。、熔点：材料在缓慢加热时由固态转变为液态的转变温度。3、热膨胀性：热膨胀性：线胀系数：温度上升线胀系数：温度上升1时，单位长度的伸时，单位长度的伸长量。长量。4、导电性：、导电性：电阻率电阻率5、导热性、导热性 导热现象：热能从高温到低温传输。导热现象：热能从高温到低温传输。热导率：物体内的温度梯度为热导率：物体内的温度梯度为1/m时，在单位时间、单位时，在单位时间、单位面积的传热量。面积的传热量。6、磁性、磁性2.3.2 2.3.2 材料的化学性能材料的化学性能 1. 耐腐蚀性：指材料抵抗各种介质侵蚀耐腐蚀性：指材料抵抗各种介质

44、侵蚀的能力。的能力。 2. 抗氧化性：金属与空气中的抗氧化性：金属与空气中的O2作用形作用形成氧化物成氧化物 3. 化学稳定性：耐腐蚀性和抗氧化性统化学稳定性：耐腐蚀性和抗氧化性统称为材料的化学稳定性，高温下的则为称为材料的化学稳定性，高温下的则为热化学稳定性。如，汽轮机，飞机发动热化学稳定性。如，汽轮机，飞机发动机，工业锅炉机，工业锅炉 2.4 材料的工艺性能材料的工艺性能 1、铸造性：、铸造性：铸造工艺中液体金属充满铸型并铸造工艺中液体金属充满铸型并获得优良铸件获得优良铸件的能力。的能力。包括包括流动性流动性、收缩率收缩率、偏析偏析倾向，熔点及吸气性等。倾向，熔点及吸气性等。 2、锻造性、

45、锻造性（塑性加工性）锻造工艺中获得优良锻件的能力。（塑性加工性）锻造工艺中获得优良锻件的能力。塑性变形能力塑性变形能力和和变形抗力变形抗力，材料的塑性高，变形抗力小，锻，材料的塑性高，变形抗力小，锻造性好。造性好。 3、焊接性、焊接性：是否易于焊接并：是否易于焊接并获得优良焊缝的能力。获得优良焊缝的能力。化学成化学成分分、工艺条件工艺条件是主要影响因素。低碳钢具有良好的焊接性，是主要影响因素。低碳钢具有良好的焊接性， 4、切削加工性：材料被切削加工成形的难以程度，包括切、切削加工性：材料被切削加工成形的难以程度，包括切削速度、表面粗糙度，刀具使用寿命等，与材料的削速度、表面粗糙度，刀具使用寿命

46、等，与材料的化学成分化学成分、显微组织显微组织及及力学性能力学性能等因素有关。等因素有关。有利于切削加工的硬度为有利于切削加工的硬度为160230HB 如如45钢钢 5、热处理性能：、热处理性能：材料进行材料进行热处理热处理获得优良产品的能力，获得优良产品的能力，包包括淬透性、淬硬性、热处理变形，开裂倾向，氧化与脱碳倾括淬透性、淬硬性、热处理变形，开裂倾向，氧化与脱碳倾向等。向等。金属材料的加工工艺手段材材料料毛毛坯坯零零件件铸造铸造锻压锻压焊接焊接粉末冶金粉末冶金切削加工切削加工型材型材热处理热处理铸造铸造 熔炼金属，制造铸熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后浇入

47、铸型，凝固后获得一定形状和性获得一定形状和性能铸件的成形方法，能铸件的成形方法，称为称为铸造铸造。锻压锻压 锻压是对坯料施加外力，使其锻压是对坯料施加外力，使其产生塑性变形、改变尺寸、形产生塑性变形、改变尺寸、形状及改善性能，用以制造机械状及改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工零件、工件或毛坯的成形加工方法。它是方法。它是锻造与冲压锻造与冲压的总称，的总称，属于压力加工的范畴属于压力加工的范畴。焊接结构焊接结构 焊接的实质是使两个分离的焊接的实质是使两个分离的物体通过加热或加压，或两物体通过加热或加压，或两者并用，在用或不用填充材者并用，在用或不用填充材料的条件下借助于原子间或料的

48、条件下借助于原子间或分子间的联系与质点的分子间的联系与质点的扩散扩散作用作用形成一个整体的过程形成一个整体的过程。2.5 金属的塑性变形及强化金属的塑性变形及强化 金属在外力作用下会发生金属在外力作用下会发生弹性变形弹性变形和和塑性变形塑性变形。 塑性变形是强化金属的重要手段之一（加工硬化）。塑性变形是强化金属的重要手段之一（加工硬化）。 金属材料，熔炼金属材料，熔炼-浇注成铸锭浇注成铸锭-各种压力加工各种压力加工 轧制、挤压、冷拔、锻造轧制、挤压、冷拔、锻造及及冲压冲压等。等。2-9所示。所示。 压力加工，压力加工，改变形状和尺寸改变形状和尺寸，改变材料组织和性能改变材料组织和性能。 冷塑性

49、变形，产生冷塑性变形，产生组织组织和和性能性能变化。变化。 加热过程中组织发生加热过程中组织发生回复回复、再结晶再结晶和和晶粒长大晶粒长大等一系等一系列变化。列变化。 了解这些过程的实质，了解各种影响因素及规律，了解这些过程的实质，了解各种影响因素及规律， 有助于发挥金属的性能潜力，正确确定加工工艺有助于发挥金属的性能潜力，正确确定加工工艺. . 掌握和改进金属材料压力掌握和改进金属材料压力加工工艺加工工艺，控制材料的，控制材料的组织组织和性能和性能。金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形 不同材料有不同结构，因而具有不同的性能，不同材料有不同结构，因而具有不同的性能， 不同性能的材料相应就有不

50、同的应用范围不同性能的材料相应就有不同的应用范围机加工（车床刨床铣床等机械加工）机加工（车床刨床铣床等机械加工）线切割线切割焊接焊接铸造铸造锻造锻造轧制轧制冲压成型（热冲压、冷冲压）冲压成型（热冲压、冷冲压）粉末冶金等粉末冶金等 铸铁铸铁 碳钢碳钢 高分子材料高分子材料相应的不同材料有不同的成型方法：相应的不同材料有不同的成型方法：结构结构决定决定性能性能金属材料得到广泛的应用金属材料得到广泛的应用重要原因就是在重要原因就是在具有较高具有较高强度和韧性强度和韧性的同时还的同时还具有具有良好的塑性良好的塑性。学习本章的意义学习本章的意义 知道知道材料性能材料性能后可得出材料在各种后可得出材料在各

51、种使用场合使用场合下的下的使用状态使用状态。（如，如，长度长度/ /体积体积/ /形状形状的变化及是否处于各种的变化及是否处于各种危险状态危险状态等等） 在材料力学里表现为参数：弹性模量在材料力学里表现为参数：弹性模量E E 如：一根长为如：一根长为5m，直，直径径为为3mm的铝线，已知铝的弹性模量的铝线，已知铝的弹性模量为为70GPa，求在，求在200N的的拉力作用下铝线总长。拉力作用下铝线总长。 这属这属材料力学材料力学的计算问题。的计算问题。 材料成型过程中如何确定材料的变形程度？（材料成型过程中如何确定材料的变形程度？（冷冷变形度变形度 、热热变形度变形度 ）如锻造、冲压成型等，）如锻

52、造、冲压成型等，其依据是什么？这里体现为其依据是什么？这里体现为材料的塑性，材料的塑性， 材料的塑性变形对材料性能也是有影响的。材料的塑性变形对材料性能也是有影响的。（意义）（意义） 故而掌握故而掌握塑性变形塑性变形的的过程过程、变形的、变形的实质实质以及以及变形变形对对金属金属组织组织的的影响影响；组织变化组织变化对金属对金属性能性能的影响，的影响， 对金属的合理使用，如何对金属的合理使用，如何利用利用其性能，其性能，改变改变性能、性能、提高提高产品产品质量、质量、降低降低生产成本，生产成本，提高提高市场竞争力意义重大。市场竞争力意义重大。 因为材料是由因为材料是由多晶体多晶体组成的，当材料

53、组成的，当材料宏观宏观变形时，变形时，从从微观微观看每个看每个晶粒晶粒都参与了变形。所以分析多晶都参与了变形。所以分析多晶体的塑性变形可以从研究单晶的体的塑性变形可以从研究单晶的塑性变形规律塑性变形规律来来着手。着手。 宏观现象：宏观现象：材料的塑性变形：伸长、缩短、弯曲、材料的塑性变形：伸长、缩短、弯曲、扭转扭转 微观本质：微观本质：单晶体的塑性变形：滑移与孪生（以单晶体的塑性变形：滑移与孪生（以滑移为主）滑移为主） 看问题一定要看问题一定要从现象到本质从现象到本质，抓住现象与本质间的联系才可以依据现象来分析问，抓住现象与本质间的联系才可以依据现象来分析问题。下面将介绍题。下面将介绍2.5.

54、1 2.5.1 单晶体金属的塑性变形单晶体金属的塑性变形 单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为解为正应力正应力和和切应力切应力。正应力只能引起弹。正应力只能引起弹性变形及解理断裂。性变形及解理断裂。 单晶体单晶体只有在只有在切应力切应力作用下才能产生作用下才能产生塑性塑性变形。变形。 塑性变形的形式：塑性变形的形式：滑移和孪生。滑移和孪生。 金属常以金属常以滑移滑移方式发生塑性变形。方式发生塑性变形。1.1.滑移、滑移带、滑移系滑移、滑移带、滑移系的概念的概念 滑移滑移：当应力超过材料的当应力超过材料的弹性极限弹性极限后，后，晶体的一晶体的一部分沿部分沿

55、晶面和晶向晶面和晶向相对于另一部分发生滑动相对于另一部分发生滑动位移位移的现象。的现象。 这种位移这种位移(即塑性变形即塑性变形) 在应力去除后不能恢在应力去除后不能恢复。复。 宏观现象宏观现象:金属经过滑移变形后金属经过滑移变形后,其表面会留其表面会留下变形的下变形的痕迹。痕迹。即即滑移带滑移带.他们在显微镜甚至在肉眼他们在显微镜甚至在肉眼下就可以观察下就可以观察到。如图到。如图6-1（1 1）滑移带）滑移带在分辨率很高的电子显微镜下观在分辨率很高的电子显微镜下观察察每一条滑移带每一条滑移带可以发现他们是可以发现他们是由由很多相互平行的滑移很多相互平行的滑移线线组成组成，如图，如图6-2从图

56、从图6-2可以看出：可以看出：1 ;2 ;3 ;4 .滑移带间有一滑移带间有一定间距，且带的厚度不等，表明晶体滑移定间距，且带的厚度不等，表明晶体滑移变形是不均匀的它只是发生在某些晶面上。变形是不均匀的它只是发生在某些晶面上。滑移层30nm滑移量120nm滑移带滑移线滑移带及滑移线铜拉伸试样表面滑移带铜拉伸试样表面滑移带（2）滑移变形的特点1）滑移变形只能在切应力作用下才会发生。临界切应力。2）滑移变形实质上是晶体内部的晶体内部的位错在切应力作用下运动的结果位错在切应力作用下运动的结果。3）滑移时，晶体两部分的相对滑移时，晶体两部分的相对位移量（位移量（总变形量总变形量）一定是滑移方向上原子间

57、距原子间距的整数倍整数倍。滑移滑移的结果在晶体表面形成台阶，称的结果在晶体表面形成台阶，称滑移滑移线线，若干条滑移线组成一个，若干条滑移线组成一个滑移带滑移带。4）滑移常沿晶体中原子密度最）滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。大的晶面和晶向发生。4 4）滑移系与晶体结构之间的关系）滑移系与晶体结构之间的关系沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面滑移面和和滑移方向滑移方向。一个滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个一个滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个滑移系滑移系。它表示一。它表示一个空间位向个空间位向. .滑移面滑移面通常是原子密度最大的晶面通常是原子密

58、度最大的晶面( (最密排面最密排面) ) why why？滑移方向滑移方向通常也是滑移面上原子密度最大的方向通常也是滑移面上原子密度最大的方向( (最密排方向最密排方向) ) whywhy？因原子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需因原子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。切应力最小。因而：不同材料其晶体结构（即晶格）因而：不同材料其晶体结构（即晶格）不同，导致其滑移系个数也不一样。不同，导致其滑移系个数也不一样。（具体例证见下表（具体例证见下表6-16-1） 通常情况下，通常情况下，晶体的滑移系越多，可供滑移的空晶体的滑移系越多

59、，可供滑移的空间位向也越多，金属的塑性变形能力也就越大间位向也越多，金属的塑性变形能力也就越大。 这是为什么？后面关于晶体受到的应力与滑移之间的关系将要介绍到的。这是为什么？后面关于晶体受到的应力与滑移之间的关系将要介绍到的。 滑移系的多少取决于金属的晶体结构滑移系的多少取决于金属的晶体结构。由前述可知由前述可知 1 Fe 2 Cu Al Ag Au 3 Zn Mg1 Fe 2 Cu Al Ag Au 3 Zn Mg 面心立方（面心立方（f.c.cf.c.c）Cu Cu 、AlAl：12个滑移系=4个滑移面111*3个滑移方向 比比 体心立方（体心立方（b.c.cb.c.c）Fe Fe ：12

60、个滑移系=6个滑移面110*2个滑移方向滑移系个数都为滑移系个数都为1212，但前者塑性要好的多。，但前者塑性要好的多。（whywhy？）？）因为在考虑滑移系的个数的同时还要考虑到滑移面的面密度及滑移方向上因为在考虑滑移系的个数的同时还要考虑到滑移面的面密度及滑移方向上的线密度。滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大的多的缘故。下面我们的线密度。滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大的多的缘故。下面我们介绍一下介绍一下 滑移系滑移系越越多多，金属，金属发生滑移发生滑移的的可能性可能性越越大大，塑性，塑性也也越越好好，其中，其中滑移方向滑移方向对塑性的贡献对塑性的贡献比比滑移面滑移面更大。更大。因而金属