工程材料 第一章 材料的性能及應(yīng)用意義

1、第一章第一章 材料的性能及應(yīng)用意義材料的性能及應(yīng)用意義 1.1 材料性能依據(jù)材料性能依據(jù) 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 1.3 材料的工藝性能材料的工藝性能 引言引言 材料是人類社會經(jīng)濟地制造有用器件的物質(zhì)。材料是人類社會經(jīng)濟地制造有用器件的物質(zhì)。 1. 所謂有用所謂有用 使用性能使用性能 2. 所謂制造所謂制造工藝性能工藝性能 （原材料變成產(chǎn)品）（原材料變成產(chǎn)品） 它們之間有聯(lián)系、有區(qū)別，有統(tǒng)一、有矛盾，應(yīng)合理應(yīng)用。它們之間有聯(lián)系、有區(qū)別，有統(tǒng)一、有矛盾，應(yīng)合理應(yīng)用。 力學性能力學性能 物理性能物理性能 化學性能化學性能 鑄造性能（熱加工）鑄造性能（熱加工） 焊接性能（熱加工）焊接性

2、能（熱加工） 熱處理性能（熱加工）熱處理性能（熱加工） 塑性加工性能（熱、冷加工）塑性加工性能（熱、冷加工） 切削加工性能（冷加工）切削加工性能（冷加工） 引言引言 1.1 材料性能依據(jù)材料性能依據(jù) 材料的材料的性能性能是用于表征材料在給定的外界條件下所表現(xiàn)出來的行為。是用于表征材料在給定的外界條件下所表現(xiàn)出來的行為。 材料的化學成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)是其內(nèi)部依據(jù)，材料成分和結(jié)材料的化學成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)是其內(nèi)部依據(jù)，材料成分和結(jié) 構(gòu)確定后就表現(xiàn)出一定的性能。此時的構(gòu)確定后就表現(xiàn)出一定的性能。此時的“結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)”包含包含四個層次四個層次 ： 1. 原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu) 2. 結(jié)合鍵結(jié)合鍵 3. 原子排列方式原子

3、排列方式 4. 組織組織 注意：注意：（1）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)不不敏感性能：敏感性能：E、Tm等。等。 （2）結(jié)構(gòu)敏感性能：強度、塑性、韌性等。）結(jié)構(gòu)敏感性能：強度、塑性、韌性等。 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 一、力學性能一、力學性能 二、物理性能二、物理性能 三、化學性能三、化學性能 一、力學性能一、力學性能 （一）強度（一）強度 （二）剛度（二）剛度 （三）彈性（三）彈性 （四）塑性（四）塑性 （五）硬度（五）硬度 （六）韌性（六）韌性 （七）疲勞性能（七）疲勞性能 （八）耐磨性（八）耐磨性 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 一、力學性能一、力學性能 1.2 材料的使用性能材料的使用

4、性能 （a）拉伸）拉伸 （b）壓縮）壓縮 （c）彎曲）彎曲 （d）剪切）剪切 （e）扭轉(zhuǎn)）扭轉(zhuǎn) （一）強度（一）強度 - 材料在外力作用下對變形與斷裂的抵抗能力。材料在外力作用下對變形與斷裂的抵抗能力。 1. 比例極限比例極限 p 2. 彈性極限彈性極限 e 3. 屈服強度屈服強度 s 4. 抗拉強度抗拉強度 b 一、力學性能一、力學性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 低碳鋼拉伸低碳鋼拉伸flash演示演示1 低碳鋼拉伸低碳鋼拉伸flash演示演示2 拉伸實驗視頻拉伸實驗視頻 屈強比（屈強比（ s /b ），其值一般在），其值一般在0.650.75之間。屈強比愈之間。屈強比愈 小，工程

5、構(gòu)件的可靠性越高，萬一超載也不會馬上斷裂；屈強小，工程構(gòu)件的可靠性越高，萬一超載也不會馬上斷裂；屈強 比愈大，材料的強度利用率愈高，但可靠性降低。比愈大，材料的強度利用率愈高，但可靠性降低。 （二）剛度（二）剛度材料對彈性變形的抵抗能力。材料對彈性變形的抵抗能力。 E = / 一、力學性能一、力學性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 如果說強度保證了材料不發(fā)生過量塑性變形甚至斷裂的話，剛度則保如果說強度保證了材料不發(fā)生過量塑性變形甚至斷裂的話，剛度則保 證了材料不發(fā)生過量彈性變形。證了材料不發(fā)生過量彈性變形。 實際工件的剛度首先取決于其材料的彈性模量，即實際工件的剛度首先取決于其材料的彈

6、性模量，即E 注意：注意： 1.對于金屬材料而言，其彈性模量對于金屬材料而言，其彈性模量E主要取決于基體金屬的性質(zhì)。當基體金屬確定時主要取決于基體金屬的性質(zhì)。當基體金屬確定時, 難以通過合金化、熱處理、冷加工等方法使之改變，即難以通過合金化、熱處理、冷加工等方法使之改變，即 E 是結(jié)構(gòu)不敏感性參數(shù)是結(jié)構(gòu)不敏感性參數(shù)。 2.陶瓷材料、陶瓷材料、 高分子材料、高分子材料、 復(fù)合材料的彈性模量對其成分和組織結(jié)構(gòu)是敏感的，復(fù)合材料的彈性模量對其成分和組織結(jié)構(gòu)是敏感的， 可以通過不同的方法使其改變?？梢酝ㄟ^不同的方法使其改變。 一、力學性能一、力學性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 （三）彈性（

7、三）彈性在外力作用下材料發(fā)生彈性行為的綜合性能指標。在外力作用下材料發(fā)生彈性行為的綜合性能指標。 一、力學性能一、力學性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 滯彈性（彈性滯后）滯彈性（彈性滯后）：加載時應(yīng)變不立即達到平衡值，卸載時變形也不：加載時應(yīng)變不立即達到平衡值，卸載時變形也不 立即恢復(fù)。立即恢復(fù)。 對于易受振動且要求消振的零件，如機床床身和汽輪機葉片，要求材料對于易受振動且要求消振的零件，如機床床身和汽輪機葉片，要求材料 具有良好的消振性。機床床身可用灰鑄鐵制造，汽輪機葉片則采用具有良好的消振性。機床床身可用灰鑄鐵制造，汽輪機葉片則采用Cr13型鋼型鋼 制造。制造。 對于儀表上的傳感

8、元件和音響上的音叉、簧片等，則不希望有滯彈性出對于儀表上的傳感元件和音響上的音叉、簧片等，則不希望有滯彈性出 現(xiàn)，選材時應(yīng)予注意。現(xiàn)，選材時應(yīng)予注意。 （四）塑性（四）塑性在外力作用下材料產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力，在外力作用下材料產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力， 即材料斷裂前的塑性變形能力。即材料斷裂前的塑性變形能力。 1. 伸長率，以伸長率，以表示表示 一、力學性能一、力學性能 % l ll 100 0 01 %100 0 10 A AA 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 2. 斷面收縮率，以斷面收縮率，以表示表示 （五）硬度（五）硬度材料表面局部區(qū)域內(nèi)抵抗變形或破裂的能力。材料表面局部區(qū)

9、域內(nèi)抵抗變形或破裂的能力。 一、力學性能一、力學性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 硬度試驗的優(yōu)點：硬度試驗的優(yōu)點： 1. 硬度試驗設(shè)備簡單，操作迅速方便。硬度試驗設(shè)備簡單，操作迅速方便。 2. 一般不破壞成品零件，無需加工專門的試樣，試驗對象可以是各類工程一般不破壞成品零件，無需加工專門的試樣，試驗對象可以是各類工程 材料和各種尺寸的零件。材料和各種尺寸的零件。 3. 硬度與強度、塑性、耐磨性之間的關(guān)系密切，可按硬度估算強度而免做硬度與強度、塑性、耐磨性之間的關(guān)系密切，可按硬度估算強度而免做 復(fù)雜的拉伸實驗。復(fù)雜的拉伸實驗。 4. 硬度與工藝性能之間有聯(lián)系，可作為評定材料工藝性能的參

10、考。硬度與工藝性能之間有聯(lián)系，可作為評定材料工藝性能的參考。 5. 硬度能較敏感地反映材料的成分與組織結(jié)構(gòu)的變化，可用來檢驗原材料硬度能較敏感地反映材料的成分與組織結(jié)構(gòu)的變化，可用來檢驗原材料 和控制冷熱加工質(zhì)量。和控制冷熱加工質(zhì)量。 一、力學性能一、力學性能 1. 布氏硬度布氏硬度 GB231-1984 2. 洛氏硬度洛氏硬度 GB230-1991 3. 維氏硬度維氏硬度 GB4342-1984 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 硬度測試方法：硬度測試方法： 1.載荷大小載荷大小 2.壓頭尺寸壓頭尺寸 3.加載及保壓時間加載及保壓時間 硬度測試三要素：硬度測試三要素： 1. 布氏硬度（布

11、氏硬度（HB） GB231-1984 HB = F/S HBS 淬火鋼球淬火鋼球 （450HB) HBW 硬質(zhì)合金球（硬質(zhì)合金球（650HB) 1）誤差小，重復(fù)性好。）誤差小，重復(fù)性好。 2）壓痕面積大，不適合成品檢驗。）壓痕面積大，不適合成品檢驗。 3）與強度）與強度b之間存在近似的換算：之間存在近似的換算： b 0.36HB 一、力學性能一、力學性能 布氏硬度計布氏硬度計 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 一、力學性能一、力學性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 布氏硬度計布氏硬度計 一、力學性能一、力學性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 2. 洛氏硬度（洛氏硬度（HR）

12、 GB230 -1991 一、力學性能一、力學性能 洛氏硬度計洛氏硬度計 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 HR = (0.2 - h) / 0.002 (mm)， 其中其中 h = h1 - h0 一、力學性能一、力學性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 洛氏硬度的種類及應(yīng)用：洛氏硬度的種類及應(yīng)用： （1）HRA（金剛石圓錐）金剛石圓錐） 高硬度表面、硬質(zhì)合金高硬度表面、硬質(zhì)合金 （2）HRB（淬火鋼球）淬火鋼球） 未淬火鋼、灰鑄鐵、有色金屬未淬火鋼、灰鑄鐵、有色金屬 （3）HRC（金剛石圓錐）金剛石圓錐） 淬硬鋼、調(diào)質(zhì)鋼淬硬鋼、調(diào)質(zhì)鋼 一、力學性能一、力學性能 1.2 材料的使用

13、性能材料的使用性能 洛氏硬度計洛氏硬度計 一、力學性能一、力學性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 3. 維氏硬度（維氏硬度（HV） GB4342 -1984 （1）金剛石正四棱錐金剛石正四棱錐壓頭，精確壓頭，精確 操作復(fù)雜，適用于科學研究。操作復(fù)雜，適用于科學研究。 （2）壓力可選）壓力可選5120Kg間的特定間的特定 值，適用各種硬度值的測量。值，適用各種硬度值的測量。 （3）壓痕小，可測表面硬化層。）壓痕小，可測表面硬化層。 一、力學性能一、力學性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 一、力學性能一、力學性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 （六）韌性（六）韌性材料在塑性

14、變形和斷裂的全過程中吸收能量的材料在塑性變形和斷裂的全過程中吸收能量的 能能 力，它是材料強度和塑性的綜合表現(xiàn)。力，它是材料強度和塑性的綜合表現(xiàn)。 一、力學性能一、力學性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 韌性不足可用脆性來表達。韌性不足可用脆性來表達。 韌性高低決定是韌性斷裂，還是脆性斷裂。韌性高低決定是韌性斷裂，還是脆性斷裂。 1. 沖擊韌度沖擊韌度 Ak 材料抵抗沖擊載荷的能力材料抵抗沖擊載荷的能力 三種不同冷脆傾向的材料三種不同冷脆傾向的材料 1面心立方晶格的金屬面心立方晶格的金屬 2中、低強度體心立方晶格的金屬中、低強度體心立方晶格的金屬 3高強度材料高強度材料 1 2 3 溫

15、度溫度T TK 沖擊吸收功沖擊吸收功AK 一、力學性能一、力學性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 沖擊吸收功的測定沖擊吸收功的測定 一、力學性能一、力學性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 一、力學性能一、力學性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 K 沖擊能量沖擊能量A 沖擊破斷次數(shù)沖擊破斷次數(shù) lgN 1 2 1高強度低韌性材料高強度低韌性材料 2低強度高韌性材料低強度高韌性材料 A A N N 交點交點K以左：在較高沖擊能量以左：在較高沖擊能量A下，多沖抗力取決于韌性。下，多沖抗力取決于韌性。 交點交點K以右：在較低沖擊能量以右：在較低沖擊能量A”下，多沖抗力取決于強度

16、下，多沖抗力取決于強度。 （即小能量多沖（即小能量多沖) 不同材料的沖擊抗力不同材料的沖擊抗力: 小能量多沖時以強度為主，塑性、韌性為輔，強韌性配合處小能量多沖時以強度為主，塑性、韌性為輔，強韌性配合處 于最佳狀態(tài)時，多沖抗力最高。于最佳狀態(tài)時，多沖抗力最高。 在低中強度范圍，沖擊韌度的提高對多沖抗力影響不大（因在低中強度范圍，沖擊韌度的提高對多沖抗力影響不大（因 其韌性已足夠）。其韌性已足夠）。 在高強度范圍時（如在高強度范圍時（如b1300MPa），改善韌性有利于提），改善韌性有利于提 高多沖抗力。高多沖抗力。 一、力學性能一、力學性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 2. 斷裂韌度

17、斷裂韌度 KIC材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力 一、力學性能一、力學性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 傳統(tǒng)設(shè)計思想：傳統(tǒng)設(shè)計思想： 0.2 / n，n為安全系數(shù)，依此思想反而導(dǎo)致經(jīng)常的為安全系數(shù)，依此思想反而導(dǎo)致經(jīng)常的 低應(yīng)力脆斷低應(yīng)力脆斷（ s），此時），此時偏低而尺寸、重量偏高。偏低而尺寸、重量偏高。 n 加大尺寸加大尺寸 依此思想反而導(dǎo)致經(jīng)常的依此思想反而導(dǎo)致經(jīng)常的低應(yīng)力脆斷低應(yīng)力脆斷 。 一、力學性能一、力學性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 KI KIC KI = Ya1/2 KIC： ：金屬材料的最高， 金屬材料的最高， 復(fù)合材料次之，復(fù)合材

18、料次之， 高分子材料、陶瓷材料最低。高分子材料、陶瓷材料最低。 先進的設(shè)計思想：材料中存在著既存或后生的微小的宏觀裂紋，可能是冶金先進的設(shè)計思想：材料中存在著既存或后生的微小的宏觀裂紋，可能是冶金 缺陷，也可能是加工裂紋（如熱處理、焊接等）或是使用中發(fā)生裂紋（如疲缺陷，也可能是加工裂紋（如熱處理、焊接等）或是使用中發(fā)生裂紋（如疲 勞、應(yīng)力腐蝕）。勞、應(yīng)力腐蝕）。 2. 斷裂韌度斷裂韌度 KIC材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力 一、力學性能一、力學性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 總之，總之，AK（K）和）和KIC 首先取決于內(nèi)因首先取決于內(nèi)因材料的成分、組織結(jié)構(gòu)，

19、材料的成分、組織結(jié)構(gòu)， 其次是受零件外部因素的影響，如工作溫度、環(huán)境介質(zhì)。其次是受零件外部因素的影響，如工作溫度、環(huán)境介質(zhì)。 一、力學性能一、力學性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 螺栓韌性斷裂與脆性斷裂的比較螺栓韌性斷裂與脆性斷裂的比較 一、力學性能一、力學性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 （七）疲勞性能（七）疲勞性能材料在交變應(yīng)力作用下，在遠小于強度極限，材料在交變應(yīng)力作用下，在遠小于強度極限， 甚至小于屈服極限的應(yīng)力下發(fā)生斷裂。甚至小于屈服極限的應(yīng)力下發(fā)生斷裂。 疲勞極限：材料能承受的無數(shù)次循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力值。疲勞極限：材料能承受的無數(shù)次循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力值。

20、 疲勞曲線示意圖疲勞曲線示意圖 a 一般鋼鐵材料一般鋼鐵材料 b 有色金屬、高強度鋼等有色金屬、高強度鋼等 一、力學性能一、力學性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 碳鋼碳鋼-10.43b 合金鋼合金鋼-10.35b+12MPa 一、力學性能一、力學性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 一、力學性能一、力學性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 一、力學性能一、力學性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 （八）耐磨性（八）耐磨性 一、力學性能一、力學性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 1. 磨損的主要類型磨損的主要類型 1）粘著磨損：是指摩擦副接觸面局部發(fā)生金屬粘著

21、，而這些粘著的強）粘著磨損：是指摩擦副接觸面局部發(fā)生金屬粘著，而這些粘著的強 度往往大于金屬本身強度，在隨后的相對運動時發(fā)生的破壞將出現(xiàn)在強度往往大于金屬本身強度，在隨后的相對運動時發(fā)生的破壞將出現(xiàn)在強 度較低的地方，有金屬磨屑從表面被拉下來或零件表面被擦傷的磨損。度較低的地方，有金屬磨屑從表面被拉下來或零件表面被擦傷的磨損。 2）磨粒磨損：是指滑動摩擦時，在零件表面摩擦區(qū)內(nèi)存在硬質(zhì)磨粒，）磨粒磨損：是指滑動摩擦時，在零件表面摩擦區(qū)內(nèi)存在硬質(zhì)磨粒， 使磨面發(fā)生局部塑性變形、磨料嵌入和被磨料切割等過程，以致磨面材使磨面發(fā)生局部塑性變形、磨料嵌入和被磨料切割等過程，以致磨面材 料逐步磨耗。料逐步磨

22、耗。 粘著磨損磨痕粘著磨損磨痕 粘著磨損示意圖粘著磨損示意圖 一、力學性能一、力學性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 磨粒磨損磨痕磨粒磨損磨痕 磨粒磨損示意圖磨粒磨損示意圖 一、力學性能一、力學性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 一、力學性能一、力學性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 2. 提高材料耐磨性的途徑提高材料耐磨性的途徑 1）粘著磨損）粘著磨損 減小表面摩擦系數(shù)或提高材料表面硬度；減小表面摩擦系數(shù)或提高材料表面硬度； 減小接觸壓力；減小接觸壓力； 合理選配摩擦材料；合理選配摩擦材料； 減小表面粗糙度值以增大實際接觸面積；減小表面粗糙度值以增大實際接觸面積； 改善潤滑狀況。改善潤滑狀況。 2）磨粒磨損）磨粒磨損 提高材料硬度提高材料硬度 ； 設(shè)計時合理采用減小接觸壓力的措施，工作時改進