第一章 材料性能及应用意义

第一章材料的性能及应用意义主讲老师：黄彩娥教授2023/7/71第一章材料的性能及应用意义

材料满足产品使用需要的特性:使用性能——材料满足产品使用需要的特性，包括力学性能、物理性能和化学性能；工艺性能——材料对其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。2023/7/72第一章材料的性能及应用意义

全面地理解材料性能及其变化规律，是机械设计、选材用材、制订加工工艺及质量检验的重要依据。作为材料性能的两个方面，使用性能和工艺性能既有联系又有区别，两者有时是统一的，但更多的情况下却互相矛盾。合理地解决两者间的矛盾并使之不断改善和创新，是材料研究与应用的主要任务之一。2023/7/73第一章材料的性能及应用意义

第一节材料性能依据

第二节材料的使用性能

第三节材料的工艺性能第四节材料的环境性能2023/7/74第一节

材料性能依据

材料的性能是一种参量，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性能的内部依据，而性能那么是指确定成分和结构的材料的外部表现。结构是一个广泛的概念，它包括原子结构、结合键、原子排列方式(晶体、非晶体与晶体缺陷)以及组织(显微组织与宏观组织)等四个层次。2023/7/75第一节

材料性能依据性能一般必须量化表示，因而它通常是依照标准规定通过不同的试验来测定表述的，这便是我们从材料手册或设计资料上获得的性能参数。实际工件的性能首先取决于材料的性能，但须考虑到工件的形状尺寸、加工工艺过程和使用条件对其重要的影响。2023/7/76第一节

材料性能依据材料科学与工程是依据“工艺→结构→性能〞这条思路去控制或改变材料的性能，即工艺影响结构、结构决定性能。工艺〞主要是指材料的制备和加工工艺。改变结构时，应注意它的可变性以及因这种改变对于性能改变的敏感性。结构不敏感性能结构敏感性能2023/7/77第二节

材料的使用性能

材料的使用性能:力学性能、物理性能和化学性能由于工程结构与机器零件以传递力和能、实现规定的机械运动为主要功能，因此力学性能是最主要的。2023/7/78第二节

材料的使用性能

一、力学性能

二、物理性能

三、化学性能

2023/7/79

一、力学性能

力学性能材料在载荷(外力)作用下所表现出的行为。常用的力学性能强度、塑性、刚度、弹性、硬度、韧性、疲劳性能和耐磨性等。2023/7/710

一、力学性能

(一)强度

(二)刚度

(三)弹性(四)塑性(五)硬度(六)韧性

(七)疲劳性能

(八)耐磨性

2023/7/711(一)强度强度的定义：静拉伸试验(T1-1):强度指标：1、比例极限(σp)2、弹性极限(σe)

3、屈服点和屈服强度(σs、σ0.2)

4、抗拉强度(σb)

从强度指标派生出来的指标：①比强度②屈强比。2023/7/7122023/7/713(一)强度材料强度指标是其组织结构敏感性参数，合金化、热处理及各种冷热加工可在很大程度上改变它的大小。2023/7/714(二)刚度

1．概念

材料对弹性变形的抵抗能力——刚度(或刚性)。在应力—应变曲线上的弹性变形阶段，应力与应变的比值即为材料刚度。常用的有正弹性模量E。2．影响因素

金属材料而言，其弹性模量E(刚度)主要取决于基体金属的性质，当基体金属确定时，难于通过合金化、热处理、冷热加工等方法使之改变，即E是结构不敏感性参数。陶瓷材料、高分子材料、复合材料的弹性模量对其成分和组织结构是敏感的，可以通过不同的方法使其改变。2023/7/715(三)弹性

材料的弹性用来描述在外力作用下材料发生弹性行为的综合性能指标，前已述及的比例极限外σp、弹性极限σe和弹性模量E等在一定的程度上均可用来说明材料的弹性性能。最直接的弹性性能指标(图1-2)：1、最大弹性变形量(εe)

2、弹性比功

3、滞弹性(弹性滞后)

2023/7/7162023/7/717(四)塑性

1、概念塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力，即材料断裂前的塑性变形的能力。材料的塑性，常用试样拉断后的伸长程度(伸长率δ)和断面的收缩程度(断面收缩率ψ)来表示。2023/7/718(四)塑性2、塑性指标的应用意义材料的塑性指标一般不直接用于机械设计计算，但设计师往往要对所用材料提出一定的塑性要求，这是因为：(1)材料的塑性有保证通过此部位的局部塑性变形来削减应力峰，缓和应力集中的作用，从而防止零件出现未能预测的早期破坏；(2)发生塑性变形和因此而引起的形变强化可保证零件的平安以防止断裂，即具有抵抗过载的能力；2023/7/719(四)塑性(3)发生塑性变形过渡而不是直接发生突然断裂，即便最终要断裂(4)材料具有一定的塑性可保证某些成形工艺和修复工艺的顺利进行；(5)塑性指标还能反映材料的冶金质量的好坏，故是材料生产与加工质量的标志之一。2023/7/720(四)塑性辅助说明：材料的塑性与其强度指标一样，也是结构敏感性参数，可通过各种方法使之改变。金属材料之所以在过去、现在乃至将来都有广泛的应用，其主要原因之一并不是它的强度，而恰恰在于其良好的塑性2023/7/721(五)硬度

硬度定义：硬度试验的优点：硬度的种类1、布氏硬度(HBW)

2、洛氏硬度(HRAHRBHRC)3、其它硬度

①维氏硬度HV②显微硬度HV③莫氏硬度2023/7/722(五)硬度由于各种硬度的试验条件不同，故相互间无理论换算关系。但在一定条件下存在着某种粗略的经验换算关系。2023/7/723(六)韧性

韧性：评定材料韧性的力学性能指标：1、冲击韧度(1)概念(2)应用意义(3)局限性——多冲抗力〔T1-4)2、断裂韧度(KⅠC)临界断裂判据：KⅠ=Yσα1/2≤KⅠC2023/7/724(六)韧性1)根据零件的实际名义工作应力σ和其内可能的裂纹尺寸α，确定材料应有的断裂韧度Kic，为正确选材提供依据。2)根据零件所使用的材料断裂韧度尺Kic及已探伤出的零件内存在的裂纹尺寸α，确定零件的临界断裂应力σc，为零件最大承载能力设计提供依据。3)根据材料的断裂韧度置Kic，和零件的实际工作应力σ，估算断裂时的临界裂纹长度α，为零件的裂纹探伤提供依据。2023/7/725(七)疲劳性能

1、疲劳根本概念2、疲劳根本过程3、疲劳抗力指标4、影咽疲劳极限的因素2023/7/7261、疲劳根本概念交变载荷描述交变载荷的参数疲劳断裂疲劳断裂的特点2023/7/7272、疲劳根本过程疲劳断口的三个典型区域〔图1-5〕疲劳过程：(1)裂纹萌生(2)裂纹扩展(3)最后断裂2023/7/7283．疲劳抗力指标

疲劳类型不同那么其疲劳抗力指标也不一样应力疲劳或高周疲劳〔主要疲劳〕应变疲劳或低周疲劳用以评定材料疲劳性能的疲劳抗力指标很多，主要有疲劳极限(或疲劳强度)σ-1。最常用的疲劳试验是旋转弯曲疲劳试验。局部工程材料的疲劳极限表〔B1-4〕2023/7/7294、影咽疲劳极限的因素(1)材料本质(2)零件外表强化处理(3)零件外表状况(4)载荷类型(5)工作温度(6)腐蚀介质2023/7/730(八)耐磨性

磨损:1、磨损的主要类型与机理

(1)粘着磨损

(2)磨粒磨损

2、提高材料耐磨性的途径

材料抵抗磨损的能力称为耐磨性，可用磨损量或相对磨损性来表示，常通过实物磨损试验或试样磨损试验来测定。

(1)粘着磨损

(2)磨粒磨损

2023/7/731(1)粘着磨损提高其耐磨性的具体措施有：①减小外表摩擦因数或提高材料外表硬度，采用各种外表处理②减小接触压力③合理选配摩擦副材料④减小外表粗糙度值以增大实际接触面积，从而降低接触压应力⑤改善润滑状况。2023/7/732(2)磨粒磨损

改善其耐磨性的具体措施有：①提高材料的硬度，可通过合理选用高硬度材料如高碳钢、耐磨铸铁、陶瓷等，采用外表强化处理来实现。②设计时合理采用减小接触压力的措施，工作时改进润滑油过滤装置以及时去除磨屑。2023/7/733二、物理性能固体材料中，由原子、离子、电子及它们之间的相互作用所反映出现的物理性能，不仅对工程材料的选用有着重要的意义，而且也会对材料的加工工艺产生一定的影响。(一)密度

(二)热学性能

1、熔点

2、热容

3、热膨胀4、热传导2023/7/734二、物理性能

(三)电学性能

1、电阻率

2、电阻温度系数

3、介电性(四)磁学性能

1、磁导率

2、饱和磁化强度和磁矫顽力

2023/7/735三、化学性能

腐蚀：是指材料外表与周围介质发生化学反响、电化学反响或物理溶解而引起的外表损伤现象，并分别称为化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀三大类。其中物理腐蚀(如钢铁在液态锌中的溶解)因在工程上较少见，不很重要，故这里主要介绍化学腐蚀和电化学腐蚀的概念与防腐措施。2023/7/736三、化学性能

(一)化学腐蚀

化学腐蚀氧化膜(二)电化学腐蚀

电化学腐蚀电化学腐蚀的条件(三)提高零件耐蚀性的主要措施

提高耐化学腐蚀性(主要指抗氧化性)的措施提高耐电化学腐蚀的措施2023/7/737第三节材料的工艺性能

材料的工艺目的——在于最经济地满足产品的要求，包括材料内部的成分、组织、结构和材料外部形状、尺寸、外表质量等。工艺性能——是指材料对各种加工工艺的适应能力，即加工工艺性能，它表示了材料加工的难易程度。工艺性能的影响：一方面材料的工艺性能影响了零件的性能和外观，还影响到零件的生产率和本钱；另一方面，材料的工艺性能不仅取决于材料本身(即成分、组织、结构)，而且还受各种加工工艺条件的影响(如加工方式、设备、工具、温度等)。2023/7/738第三节材料的工艺性能几种主要加工工艺性能：一、铸造性能

二、锻造性能

三、焊接性能

四、切削加工性能

五、热处理性能

2023/7/739第四节材料的环境性能

材料的环境性能表征了材料与环境之间的交互作用行为，包括环境对材料(使用性能、工艺性能)的影响和材料工程对环境(环境保护、能源和资源消费)两方面