機(jī)械工程材料第一章材料性能

1、機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料 教教 師：于玉城師：于玉城 電電 話：話-mail：材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院2第一章第一章 材料的性能材料的性能包括兩方面包括兩方面材料使用性能材料使用性能材料工藝性能材料工藝性能力學(xué)性能力學(xué)性能（強(qiáng)度、塑性韌性等）（強(qiáng)度、塑性韌性等）物理性能物理性能（光、熱、電、磁等）（光、熱、電、磁等）化學(xué)性能化學(xué)性能（氧化、腐蝕等）（氧化、腐蝕等）生物性能（生物性能（相容性、自恢復(fù)性等）相容性、自恢復(fù)性等）切削加工性能切削加工性能（可切削性）（可切削性）鍛造性能鍛造性能（適合鍛造與否）（適合鍛造與否）鑄造性能鑄造性能（適合鑄造與否

2、）（適合鑄造與否）焊接性能焊接性能（容易焊接與否）（容易焊接與否）熱處理性能熱處理性能（可熱處理強(qiáng)化）（可熱處理強(qiáng)化）3第一節(jié)第一節(jié) 材料的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能 材料受外力作用時(shí)所表現(xiàn)的性能稱為材料受外力作用時(shí)所表現(xiàn)的性能稱為力學(xué)力學(xué)性能性能，又稱機(jī)械性能。，又稱機(jī)械性能。 材料在外力作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化材料在外力作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化稱為稱為變形變形;外力去除后能夠恢復(fù)的變形稱為外力去除后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形彈性變形;不能恢復(fù)的變形稱為不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形塑性變形。4一、低碳鋼一、低碳鋼拉伸變形四階段拉伸變形四階段低碳鋼的應(yīng)力低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線彈性變形（彈

3、性變形（OA）屈服變形（屈服變形（BC）均勻變形（均勻變形（CD）集中變形（集中變形（DE）低碳鋼的集中變形（縮頸）低碳鋼的集中變形（縮頸）51、彈性、彈性定義：定義： 金屬材料受金屬材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形外力作用時(shí)產(chǎn)生變形, ,當(dāng)外力去掉后能恢復(fù)當(dāng)外力去掉后能恢復(fù)到原來形狀及尺寸的到原來形狀及尺寸的性能。性能。指標(biāo)：彈性極限指標(biāo)：彈性極限 e e 比例極限比例極限 p p62、剛度剛度定義：材料受力時(shí)定義：材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能抵抗彈性變形的能力。力。指標(biāo)：彈性模量指標(biāo)：彈性模量E E。特點(diǎn)：非常穩(wěn)定。特點(diǎn)：非常穩(wěn)定。E = tg=MPa（）EtgMPa （）7二、強(qiáng)度與塑性二、強(qiáng)度與

4、塑性1、強(qiáng)度、強(qiáng)度 材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。 屈服屈服強(qiáng)度強(qiáng)度 s s：材料發(fā)生塑：材料發(fā)生塑性變形而力不增加時(shí)的性變形而力不增加時(shí)的應(yīng)力值。應(yīng)力值。 條件屈服強(qiáng)度條件屈服強(qiáng)度 0.20.2：殘余：殘余變形量為變形量為0.2%0.2%時(shí)的應(yīng)力。時(shí)的應(yīng)力。 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 b：材料斷裂：材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。前所承受的最大應(yīng)力值。82、塑性、塑性 材料受力破壞前可承受最大塑性變形材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。的能力。伸長率伸長率 ：斷面收縮率斷面收縮率 100100%lll010100%FFF拉伸前拉伸前斷裂后斷裂后9 知識(shí)

5、提高知識(shí)提高當(dāng)當(dāng)L L0 0=10=10d d0 0 時(shí)，伸長率用時(shí)，伸長率用 表示；表示； 當(dāng)當(dāng)L L0 0=5=5d d0 0 時(shí)，伸長率用時(shí)，伸長率用 5 5 表示。表示。當(dāng)材料出現(xiàn)縮頸時(shí)，由于大量的塑形變形當(dāng)材料出現(xiàn)縮頸時(shí)，由于大量的塑形變形集中在局部，集中在局部，因此有因此有 5 5 。由于伸長率與試樣的由于伸長率與試樣的尺寸有關(guān)，因此用收縮率尺寸有關(guān)，因此用收縮率表示塑性更接近真實(shí)變形。表示塑性更接近真實(shí)變形。10 知識(shí)提高知識(shí)提高脆性材料與韌性材料脆性材料與韌性材料 10% 塑性材料塑性材料 時(shí)，無頸縮，脆性材料時(shí)，無頸縮，脆性材料 時(shí)，有頸縮，塑性材料時(shí)，有頸縮，塑性材料無頸縮

6、試樣無頸縮試樣有頸縮試樣有頸縮試樣11三、硬度三、硬度 指材料對局部塑性變形的抗力，常指材料對局部塑性變形的抗力，常用壓入法測量。用壓入法測量。1、布氏硬度（布氏硬度（HB）（1）測試原理：以單位壓痕面）測試原理：以單位壓痕面積載荷大小衡量硬度高低。積載荷大小衡量硬度高低。)(2102. 022dDDDPHB 加載規(guī)范：壓頭直徑、載荷大小、加載時(shí)間加載規(guī)范：壓頭直徑、載荷大小、加載時(shí)間12（2）表示方法）表示方法 壓頭為鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)壓頭為鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)HBS表示，表示，適用于布氏硬度值在適用于布氏硬度值在450以下的材料。以下的材料。 壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，用符號(hào)壓頭為硬質(zhì)合金

7、球時(shí)，用符號(hào)HBW表示，適表示，適用于布氏硬度在用于布氏硬度在650以下的材料。以下的材料。13表示方法具體舉例表示方法具體舉例150HBS10/3000/10 采用直徑采用直徑10mm的淬火鋼球壓頭，載荷的淬火鋼球壓頭，載荷3000kg，加載時(shí)間，加載時(shí)間10s的規(guī)范下測得的布氏的規(guī)范下測得的布氏硬度為硬度為150。&思考：思考：550HBW10/1000/30的含義。的含義。150HB硬質(zhì)合金壓頭硬質(zhì)合金壓頭14（3）布氏硬度的特點(diǎn)）布氏硬度的特點(diǎn) 壓痕大，數(shù)據(jù)穩(wěn)定、重復(fù)性好；壓痕大，數(shù)據(jù)穩(wěn)定、重復(fù)性好； 壓痕大，有時(shí)不能在成品上直接檢驗(yàn)；壓痕大，有時(shí)不能在成品上直接檢驗(yàn)； 不同材

8、料要更換加載規(guī)范，測量時(shí)麻煩。不同材料要更換加載規(guī)范，測量時(shí)麻煩。（4）布氏硬度應(yīng)用）布氏硬度應(yīng)用 適于測量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼，鑄鐵及有色金屬的硬度。152、洛氏硬度（、洛氏硬度（HR）（2）測試規(guī)范）測試規(guī)范根據(jù)壓頭類型和主載荷根據(jù)壓頭類型和主載荷不同不同, 常用的標(biāo)尺為常用的標(biāo)尺為A、B、C，分別用，分別用HRA、HRB、HRC表示。表示。 洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度測試示意圖（1）測試原理：以壓痕深度）測試原理：以壓痕深度(h1-h0)衡量硬度大小。衡量硬度大小。0.002khHR16（3）應(yīng)用及特點(diǎn)）應(yīng)用及特點(diǎn)HRA：金剛石圓錐壓頭，金剛石圓錐壓頭，50kgf主載荷主載荷，用用于測量高

9、硬度材料于測量高硬度材料, 如硬質(zhì)合金、表淬層和如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。滲碳層。HRB：淬火鋼球，淬火鋼球，90kgf主載荷，主載荷，用于測量用于測量低硬度材料低硬度材料, 如有色金屬和退火、正火鋼等。如有色金屬和退火、正火鋼等。HRC，金剛石圓錐壓頭，金剛石圓錐壓頭，140kgf主載荷，主載荷，用于測量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火用于測量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。鋼等。17洛氏硬度特點(diǎn)洛氏硬度特點(diǎn)操作快捷，適用范圍廣，操作快捷，適用范圍廣，可用于成品檢驗(yàn)；可用于成品檢驗(yàn)；測量結(jié)果分散度大，不測量結(jié)果分散度大，不同標(biāo)尺不可直接比較。同標(biāo)尺不可直接比較。183 3、維氏硬度、維氏硬度

10、（1 1）測試原理）測試原理 壓頭為對面壓頭為對面夾角夾角136136四棱錐，四棱錐，測試原理同布測試原理同布氏硬度相同。氏硬度相同。維氏硬度原理維氏硬度原理維氏硬度壓痕維氏硬度壓痕19（2）維氏硬度特點(diǎn)）維氏硬度特點(diǎn)顯微維氏硬度計(jì)顯微維氏硬度計(jì)維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)，維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)，可測量由極軟到極硬的材料的硬度，又能相互可測量由極軟到極硬的材料的硬度，又能相互比較。比較。顯微維氏硬度壓痕顯微維氏硬度壓痕極小，可以測量金極小，可以測量金屬鉑、極薄的表層屬鉑、極薄的表層以及金屬中各種組以及金屬中各種組成相的硬度。成相的硬度。20四、沖擊韌性四、沖擊韌性1

11、 1、沖擊試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)試樣尺試樣尺 寸：寸：101055mm；試樣缺試樣缺 口：口：U型、型、V型或無型或無2120(J/cm )kkAS試樣缺口處單位截試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。面積上所消耗的沖擊功。 2 2、沖擊韌性：、沖擊韌性：K K。223、韌脆轉(zhuǎn)變、韌脆轉(zhuǎn)變 材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降，在材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降，在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱韌脆轉(zhuǎn)變。稱韌脆轉(zhuǎn)變。 對應(yīng)溫度范圍為對應(yīng)溫度范圍為韌脆轉(zhuǎn)溫度韌脆轉(zhuǎn)溫度tk23泰坦尼克號(hào)（泰坦尼克號(hào)（1912年大西洋）年大西洋）Titanic近代船用鋼板近代船用鋼板

12、24五、疲勞強(qiáng)度五、疲勞強(qiáng)度1 1、疲勞、疲勞 材料在低于材料在低于 s s重復(fù)交變應(yīng)重復(fù)交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。2 2、疲勞強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度 材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力后仍不發(fā)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力稱為稱為疲勞極限疲勞極限。用。用 -1-1表示。表示。疲勞應(yīng)力示意圖疲勞應(yīng)力示意圖疲勞曲線示意疲勞曲線示意圖圖鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107，有色金屬合金為，有色金屬合金為10825疲勞斷口疲勞斷口通過改善材料形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，提高通過改善材料形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進(jìn)行表面強(qiáng)化等方法可提高材料疲

13、勞表面光潔度，進(jìn)行表面強(qiáng)化等方法可提高材料疲勞抗。抗。軸的疲勞斷口軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）疲勞輝紋（掃描電鏡照片）262 2、斷裂韌性：材料抵抗內(nèi)部裂、斷裂韌性：材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。3、 C為斷裂應(yīng)力，為斷裂應(yīng)力， aC為臨界為臨界裂紋半長，單位為裂紋半長，單位為 六、斷裂韌性六、斷裂韌性1 1、應(yīng)力強(qiáng)度因子：描述裂紋尖端附近應(yīng)力場強(qiáng)度、應(yīng)力強(qiáng)度因子：描述裂紋尖端附近應(yīng)力場強(qiáng)度的指標(biāo)。的指標(biāo)。aYKI CCICaYK 23/mMN27小結(jié)小結(jié)本節(jié)中本節(jié)中所講的所講的材料的材料的力學(xué)性力學(xué)性能指標(biāo)能指標(biāo)及應(yīng)用及應(yīng)用屈服強(qiáng)度和塑性屈服強(qiáng)度和塑性：一般零件的

14、抗斷裂設(shè)一般零件的抗斷裂設(shè)計(jì)。計(jì)。剛度剛度：剛度設(shè)計(jì)中，考慮構(gòu)件在受力時(shí)發(fā)剛度設(shè)計(jì)中，考慮構(gòu)件在受力時(shí)發(fā)生的彈性變形量。主要力學(xué)性能是材料的生的彈性變形量。主要力學(xué)性能是材料的彈性模量。如精密機(jī)床主軸等零構(gòu)件彈性模量。如精密機(jī)床主軸等零構(gòu)件彈性指標(biāo)彈性指標(biāo)：彈性極限和彈性模量是設(shè)計(jì)彈性極限和彈性模量是設(shè)計(jì)彈性零件考慮的性能指標(biāo)。如汽車板簧彈性零件考慮的性能指標(biāo)。如汽車板簧和各類彈簧等和各類彈簧等硬度硬度：在耐磨零件中必須考慮的性能指在耐磨零件中必須考慮的性能指標(biāo)，如滾珠軸承等標(biāo)，如滾珠軸承等.斷裂韌度斷裂韌度：高強(qiáng)鋼和重要構(gòu)件的抗斷裂高強(qiáng)鋼和重要構(gòu)件的抗斷裂設(shè)計(jì)。如輪船、飛機(jī)、火箭等。設(shè)計(jì)。如輪船、飛機(jī)、火箭等。28第二節(jié)第二節(jié) 材料其它性能材料其它性能一、物理化學(xué)性能一、物理化學(xué)性能物理性能：密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱、物理性能：密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱、 導(dǎo)電性、磁性。導(dǎo)電性、磁性?；瘜W(xué)性能：耐腐蝕性、抗氧化性化學(xué)性能：耐腐蝕性、抗氧化性29二、材料的工藝性能二、材料的工藝性能1、鑄造性、鑄造性 澆注時(shí)液體充滿型腔并獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的能力。澆注時(shí)液體充滿型腔并獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的能力。2、可鍛性、可鍛性 金屬易于鍛壓成型的能力金屬易于鍛壓成型的能力3、可焊性、可焊性 材料容易焊接到一起并獲得優(yōu)質(zhì)焊縫的能力。材料容易焊接到一起并獲得優(yōu)質(zhì)焊縫的能力。4