第2章金屬材料的性能

1、神舟一號(hào)飛船材料在外加載荷（外力或能量）作用下或載荷與環(huán)境因素（溫度、介質(zhì)和加載速率溫度、介質(zhì)和加載速率）聯(lián)合作用下表現(xiàn)出來(lái)的行為。主要是指材料在力的作用下抵抗變形和開裂的性能。主要是指材料在力的作用下抵抗變形和開裂的性能。拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力、組合拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力、組合機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)首先考慮材料的力學(xué)性能。通俗地講力學(xué)性能決定了在多大和怎樣形式的載荷條件下而不致于改變零件幾何形狀和尺寸的能力。指標(biāo)指標(biāo): 彈性、強(qiáng)度、塑性、韌性、硬度和疲勞強(qiáng)度彈性、強(qiáng)度、塑性、韌性、硬度和疲勞強(qiáng)度等。五萬(wàn)噸水壓機(jī)五萬(wàn)噸水壓機(jī)低碳鋼的應(yīng)力低碳鋼的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線拉

2、伸試樣拉伸試樣拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)機(jī)機(jī)應(yīng)力應(yīng)力 = P/F0應(yīng)變應(yīng)變 = (l-l0)/l0工程材料的機(jī)械性能工程材料的機(jī)械性能 材料在受力時(shí)的性質(zhì)材料在受力時(shí)的性質(zhì)靜載單向靜拉伸應(yīng)力（靜載單向靜拉伸應(yīng)力（ ）應(yīng)變（應(yīng)變（ ）曲線）曲線 拉伸機(jī)上，低碳鋼拉伸機(jī)上，低碳鋼緩慢加載單向靜拉緩慢加載單向靜拉伸曲線伸曲線 曲線分為四階段：曲線分為四階段：1階段階段I（oab）彈性變形階段彈性變形階段pa: Pp pb: Pe （不產(chǎn)生永久變（不產(chǎn)生永久變形的最大抗力，彈性極形的最大抗力，彈性極限，成為限，成為e e）poa段：段：L P 直線直線階段階段pab段：段：極微量塑性變極微量塑性變形形（0.00

3、1-0.005%)2階段階段II（bcd）段）段屈服變形屈服變形pc: 屈服點(diǎn)屈服點(diǎn) Ps低碳鋼緩慢加載單向靜拉伸曲線低碳鋼緩慢加載單向靜拉伸曲線 屈服現(xiàn)象：屈服現(xiàn)象：金屬材料開始產(chǎn)生明顯塑性變形的標(biāo)志金屬材料開始產(chǎn)生明顯塑性變形的標(biāo)志。3階段III（dB）段均均勻塑性變形階段勻塑性變形階段B: Pb 材料所能承受的最大載荷4階段IV(BK) 段局部局部集中塑性變形集中塑性變形低碳鋼緩慢加載單向靜拉伸曲線低碳鋼緩慢加載單向靜拉伸曲線 1. 低鋼、正火、退火調(diào)質(zhì)中鋼，低、中C合金鋼某些Al合金及某些高分子材料具有類似上述曲線（有明顯屈服現(xiàn)象的延性材料）。2. 鑄鐵、陶瓷：只有第I階段（脆性材料）

4、3. 中、高碳鋼：沒有第II階段（沒有明顯屈服現(xiàn)象的延性材料）頸縮頸縮工程材料與熱加工基礎(chǔ)程曉宇退火低碳鋼低、中回火鋼淬火鋼及鑄鐵中碳調(diào)質(zhì)鋼不同材料的拉伸曲線不同材料的拉伸曲線高聚物拉伸曲線高聚物拉伸曲線2.2.1 彈性和剛度彈性和剛度1 1彈性彈性( elasticity )( elasticity )u比例極限比例極限：p=Pp/Fo 應(yīng)力應(yīng)變保持線性關(guān)系的極限應(yīng)力值u彈性極限彈性極限： e=Pe/Fo 不產(chǎn)永久變形的最大抗力。u工程上，p、e視為同一值， 通常也可用0.01去除外力后試樣恢復(fù)原狀，這種變形稱為彈性變形 指標(biāo)為彈性極限指標(biāo)為彈性極限 e e。即即材料承受最大彈性變形時(shí)的應(yīng)力

5、材料承受最大彈性變形時(shí)的應(yīng)力。 e2.2.1 彈性和剛度彈性和剛度2剛度剛度 u E：楊氏彈性模量 GPa, MPau 本質(zhì)是：反映了材料內(nèi)部原子種類及其結(jié)合力的大小，組織不敏感的力系指標(biāo)。材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。指標(biāo)為彈性模量指標(biāo)為彈性模量E E。 彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強(qiáng)化材料的手段如熱處理、冷高而逐漸降低外，其他強(qiáng)化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對(duì)彈性模量的影響很小。可以通過(guò)熱加工、合金化等對(duì)彈性模量的影響很小?？梢酝ㄟ^(guò)增加橫截面積或改變截面形狀來(lái)提高零件

6、的剛度。增加橫截面積或改變截面形狀來(lái)提高零件的剛度。 ）（MPatgE 2.2.2 材料的強(qiáng)度材料的強(qiáng)度(strength) 單位： MPa(MN/mm2) 公式：=P/Fo 物理意義:材料在載荷作用下抵抗變形和破壞的能力材料在載荷作用下抵抗變形和破壞的能力。 屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、 抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度 、 抗剪強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度 、 抗扭強(qiáng)度等?？古?qiáng)度等。1 1屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度s s ( yield strength)( yield strength)和條件屈服強(qiáng)度和條件屈服強(qiáng)度0.20.2a: s=Ps/Fo （s s代表材料開始明顯塑性變形的抗力,是設(shè)計(jì)和

7、選材的主要依據(jù)之一。） Ps s = ( M pa ) F0試樣屈服時(shí)的載荷( N )試樣原始橫截面積( mm2)材料發(fā)生微量塑性變形時(shí)的應(yīng)力值。材料發(fā)生微量塑性變形時(shí)的應(yīng)力值。0.2脆性材料：b=s 灰口鑄鐵 P0.2 0.2 = ( M pa ) S0試樣產(chǎn)生試樣產(chǎn)生0.2%殘余塑性變殘余塑性變 形時(shí)的載荷形時(shí)的載荷(N)試樣原始橫截面積( mm2) Pb b = ( M pa ) S0試樣斷裂前的最大載荷試樣斷裂前的最大載荷(N)試樣原始橫截面積( mm2)s2.2.3 塑性塑性 (plasticity):材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的

8、能力。力。材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。指標(biāo)：指標(biāo)：Lk: 試樣拉斷后最終標(biāo)距長(zhǎng)度延伸率與試樣尺寸有關(guān)1 1延伸率延伸率（specific elongationspecific elongation） 10% 屬塑性材料屬塑性材料 是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長(zhǎng)量是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長(zhǎng)量L L k k與原始標(biāo)距與原始標(biāo)距L L 0 0之比。之比。斷裂后u =F/Fo=(Fo-Fk)/Fo x 100%u 越大，塑性愈好u KIC時(shí)，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，發(fā)生脆斷。uKIKIC時(shí)，裂紋處于臨界狀態(tài)uKIKIC時(shí)，裂紋擴(kuò)展很慢或不擴(kuò)展，不發(fā)生脆斷。 KIC可通

9、過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，它是評(píng)可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，它是評(píng)價(jià)阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的力學(xué)價(jià)阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的力學(xué)性能指標(biāo)。性能指標(biāo)。 是材料的一種固有特性，與是材料的一種固有特性，與裂紋本身的大小、形狀、外加應(yīng)裂紋本身的大小、形狀、外加應(yīng)力等無(wú)關(guān)，而與材料本身的成分、力等無(wú)關(guān)，而與材料本身的成分、熱處理及加工工藝有關(guān)熱處理及加工工藝有關(guān)。斷裂韌性斷裂韌性KIC應(yīng)用應(yīng)用 斷裂韌性是強(qiáng)度和韌性的綜合體現(xiàn)。p（1）已知2a、 ，選擇一定KIC的材料或根據(jù)KIC，制定零件工作是否安全KI KIC ，失穩(wěn)擴(kuò)展。p（2）已知2a、KIC，計(jì)算承受的最大應(yīng)力。p（3）已知 、KIC，計(jì)算不產(chǎn)生脆斷所允許的內(nèi)部宏觀裂紋的臨界

10、尺寸2a 。2.2.6 2.2.6 硬度硬度( hardness ) ( hardness ) 金屬材料抵抗金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力的能力。 1 1布氏硬度布氏硬度HB ( Brinell-hardness )HB ( Brinell-hardness )2. 2. 洛氏硬度洛氏硬度3. 3. 維氏硬度維氏硬度4. 4. 納米硬度納米硬度5. 5. 銼刀法銼刀法)(2102. 022dDDDPHB 布氏硬度計(jì)布氏硬度計(jì)1 布氏硬度試驗(yàn)的原理布氏硬度試驗(yàn)的原理：用一定直徑：用一定直徑D（mm）的鋼球或硬質(zhì)合金球，以相應(yīng)）的鋼球或硬

11、質(zhì)合金球，以相應(yīng)的試驗(yàn)力的試驗(yàn)力F（N）壓入試件表面，并保）壓入試件表面，并保持一定的時(shí)間，然后卸除試驗(yàn)力，測(cè)量持一定的時(shí)間，然后卸除試驗(yàn)力，測(cè)量試件表面的壓痕直徑試件表面的壓痕直徑d（mm），用試），用試驗(yàn)力除以壓痕球形表面積驗(yàn)力除以壓痕球形表面積A（mm2）所）所得的商作為布氏硬度值，符號(hào)為得的商作為布氏硬度值，符號(hào)為HBS（壓頭為鋼球時(shí)）或（壓頭為鋼球時(shí)）或HBW（壓頭為硬（壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)）。質(zhì)合金球時(shí)）。l符號(hào)符號(hào)HBS或或HBW之前的數(shù)字表示之前的數(shù)字表示硬度值硬度值, 符號(hào)后面的數(shù)字按順序分符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示別表示球體直徑球體直徑、載荷及載荷保載荷及載荷保持時(shí)間持時(shí)間

12、。如如 120HBS10/1000/30 表表 示直徑為示直徑為10mm的鋼球在的鋼球在1000kgf（9.807kN）載）載荷作用下保持荷作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為測(cè)得的布氏硬度值為120。布氏硬度壓布氏硬度壓痕痕金屬金屬種類種類布氏硬度范圍布氏硬度范圍HBS(HBW)試樣厚度試樣厚度/mm0.102球的直徑球的直徑/mm試驗(yàn)力試驗(yàn)力F/KN（k g f)試驗(yàn)力試驗(yàn)力保持時(shí)保持時(shí)間間/s黑色黑色金屬金屬140-450634223010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)126631010.05.09.807(1000)2.452(250)

13、12非鐵非鐵金屬金屬130634262.510.02.452(250)60表表試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測(cè)的材料不同，球直徑、試驗(yàn)力試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測(cè)的材料不同，球直徑、試驗(yàn)力及試驗(yàn)力保持時(shí)間按表及試驗(yàn)力保持時(shí)間按表-1選擇。選擇。HB b(MPa)鋼黃銅球墨鑄鐵2 2洛氏硬度洛氏硬度HR HR ( Rockwll hardness ) ( Rockwll hardness ) 定義：每0.002mm相當(dāng)于洛氏1度洛氏硬度常用標(biāo)尺有：B、C、A三種HRB 輕金屬，未淬火鋼HRC 較硬，淬硬鋼制品HRA 硬、薄試件h1-h0洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度洛氏硬度計(jì)計(jì)10HRCHBS洛氏硬度洛氏硬

14、度h1-h0洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度計(jì)洛氏硬度計(jì)lHRA用于測(cè)量高硬度材料用于測(cè)量高硬度材料, 如如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。lHRB用于測(cè)量低硬度材料用于測(cè)量低硬度材料, 如如有色金屬和退火有色金屬和退火、正火鋼等。正火鋼等。lHRC用于測(cè)量中等硬度材料，用于測(cè)量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。l洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，操作簡(jiǎn)便，壓痕小，適用范圍廣。壓痕小，適用范圍廣。l缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：測(cè)量結(jié)果分散度大。測(cè)量結(jié)果分散度大。鋼球壓頭與鋼球壓頭與金剛石壓頭金剛石壓頭洛氏硬度壓痕洛氏硬度壓痕符號(hào)符號(hào)壓頭類型壓頭類型載

15、荷載荷/k g f硬度有效范圍硬度有效范圍使用范圍使用范圍HRA金剛石圓錐體金剛石圓錐體6070 08585適用于測(cè)量硬質(zhì)合適用于測(cè)量硬質(zhì)合金、鋼表、淬火層金、鋼表、淬火層或滲碳層或滲碳層HRB直徑為直徑為1.588mm鋼球鋼球10025100100（6060230HB230HB）適用于測(cè)量非鐵金適用于測(cè)量非鐵金屬退火、火等屬退火、火等HRC金剛石圓錐體金剛石圓錐體150206767(HB230(HB230700)700)適用于調(diào)質(zhì)鋼、淬適用于調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等火鋼等120表表-23維氏硬度維氏硬度( diamond penetrator hardness ) 科學(xué)試驗(yàn)科學(xué)試驗(yàn) 維氏硬度的壓力一

16、般可選5，10，20，30，50，100，120kg等，小于10kg的壓力可以測(cè)定顯微組織硬度。適用范圍適用范圍: 測(cè)量薄板類測(cè)量薄板類 ; HVHBS ;小負(fù)荷維氏硬小負(fù)荷維氏硬度計(jì)度計(jì)顯微維氏硬度顯微維氏硬度計(jì)計(jì)4納米硬度納米硬度( nano hardness ) 科學(xué)試驗(yàn)科學(xué)試驗(yàn) 納米壓入納米壓入測(cè)試測(cè)試系統(tǒng)系統(tǒng)納米壓入納米壓入演示演示納米壓入技術(shù)的新進(jìn)展納米壓入技術(shù)的新進(jìn)展-模量成像模量成像2.2.6 疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度-1 ( fatigue strength ) n 疲勞：軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等 承受載荷的大小和方同隨時(shí)間作周期性變化（交變應(yīng)力）作用下，往往在遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限，甚

17、至小于屈服極限的應(yīng)力下發(fā)生裂紋、斷裂、局部剝落等。n交變應(yīng)力：r=min/max =-1 對(duì)稱 不對(duì)稱（80%的斷裂由疲勞造成）的斷裂由疲勞造成）1943年美國(guó)年美國(guó)T-2油輪發(fā)生斷裂油輪發(fā)生斷裂對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)示意圖對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)示意圖 -1最大應(yīng)力最大應(yīng)力最小應(yīng)力最小應(yīng)力;m為平均應(yīng)力為平均應(yīng)力;a為應(yīng)力幅為應(yīng)力幅;為應(yīng)力范圍為應(yīng)力范圍;r為應(yīng)力比為應(yīng)力比(r=min/max)疲勞曲線示意圖疲勞曲線示意圖陶瓷、高分子材料陶瓷、高分子材料 疲勞抗力很低；疲勞抗力很低；金屬材料金屬材料 疲勞強(qiáng)度較高；疲勞強(qiáng)度較高；纖維增強(qiáng)復(fù)合材料纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 較好的抗疲勞性能。較好的抗疲勞性能。n 影響因素：

18、循環(huán)應(yīng)力特征、溫度、材料成分和組織、夾雜物、表面狀態(tài)、殘余應(yīng)力等。鋼的疲勞強(qiáng)度約為抗拉強(qiáng)度的4050，有色金屬約為抗拉強(qiáng)度2550 通過(guò)通過(guò)改善材料的形狀結(jié)構(gòu)改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷減少表面缺陷，提高表面光潔度提高表面光潔度，進(jìn)行表面強(qiáng)進(jìn)行表面強(qiáng)化化等方法可提高材料疲勞抗力。等方法可提高材料疲勞抗力。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）疲勞破壞過(guò)程：在交變應(yīng)力作用下，由于疲勞破壞過(guò)程：在交變應(yīng)力作用下，由于材料的質(zhì)量、加工缺材料的質(zhì)量、加工缺陷或者結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理陷或者結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，材料的某些局部地區(qū)逐漸產(chǎn)生微小的，材料的某些局部地區(qū)逐漸產(chǎn)生微小的裂

19、紋（尤其在氧化物、硫化物等非金屬夾雜物和鋼件表面的溝裂紋（尤其在氧化物、硫化物等非金屬夾雜物和鋼件表面的溝槽、螺紋根部、加工刀痕等處，更易誘發(fā)裂紋）隨著應(yīng)力循環(huán)槽、螺紋根部、加工刀痕等處，更易誘發(fā)裂紋）隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋逐漸擴(kuò)展、長(zhǎng)大，以致不能承受載荷而局部次數(shù)的增加，裂紋逐漸擴(kuò)展、長(zhǎng)大，以致不能承受載荷而局部剝落或者突然斷裂。剝落或者突然斷裂。n(1)(1)高周疲勞高周疲勞( (高循環(huán)疲勞高循環(huán)疲勞),),又稱應(yīng)力疲勞又稱應(yīng)力疲勞, ,是指零件在是指零件在較低的交變應(yīng)較低的交變應(yīng)力作用力作用下至斷裂的循環(huán)周次較高下至斷裂的循環(huán)周次較高( (一般一般N N 10104 4),),它是最