工程材料性能

1、第第2章章 工程材料的性能工程材料的性能 學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)1.重點(diǎn)了解工程材料的常用力學(xué)性能；重點(diǎn)了解工程材料的常用力學(xué)性能；2.了解工程材料的物理、化學(xué)及工藝性能了解工程材料的物理、化學(xué)及工藝性能并建立材料性能的技術(shù)經(jīng)濟(jì)概念。并建立材料性能的技術(shù)經(jīng)濟(jì)概念。材料性能使用性能工藝性能物理性能力學(xué)性能化學(xué)性能鑄造性能切削加工性熱處理工藝性焊接性能鍛造性能2.1 材料的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能l力學(xué)性能力學(xué)性能 是指金屬在外加載荷（外力）作是指金屬在外加載荷（外力）作用下與環(huán)境因素（溫度、介質(zhì)和加載速度）聯(lián)用下與環(huán)境因素（溫度、介質(zhì)和加載速度）聯(lián)合作用下所表現(xiàn)的行為。合作用下所表現(xiàn)的行為。 作用在機(jī)件

2、上的外力載荷靜載荷動(dòng)載荷1 1. .彈性變形：彈性變形： 材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后恢復(fù)其原來材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后恢復(fù)其原來形狀，這種形狀，這種隨外力消失而消失的變形隨外力消失而消失的變形，稱為，稱為彈性變形彈性變形。FFF 2 2. .塑性變形塑性變形: : 材料在外力作用下材料在外力作用下產(chǎn)生永久的不可恢復(fù)的變形產(chǎn)生永久的不可恢復(fù)的變形，稱為稱為塑性變形塑性變形。FFF3 3斷裂斷裂 斷裂斷裂塑性變形進(jìn)行到一定程度，材料內(nèi)部出塑性變形進(jìn)行到一定程度，材料內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，在外力繼續(xù)作用下，裂紋逐步擴(kuò)展最終現(xiàn)裂紋，在外力繼續(xù)作用下，裂紋逐步擴(kuò)展最終使材料使材料相互分

3、離相互分離的現(xiàn)象，稱之為的現(xiàn)象，稱之為斷裂斷裂。變形的三個(gè)階段變形的三個(gè)階段彈性變形塑性變形斷裂4應(yīng)力和應(yīng)變內(nèi)力材料在外力的作用下，其內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的作用力以抵抗變形，并在整體上與外力達(dá)到平衡。這種材料內(nèi)部一部分物質(zhì)相對(duì)另一部分物質(zhì)的相互作用稱為內(nèi)力。FFF = F （MPa）外力 內(nèi)力應(yīng)力FF= F /SSFSF應(yīng)力真實(shí)應(yīng)力 =F/S1 S1桿件瞬時(shí)直徑的d1所對(duì)應(yīng)的橫截面積工程應(yīng)力 =F/S0 S0桿件的原始橫截面積按國際單位，應(yīng)力的單位常用MPa(兆帕)，1MPa1MN/=1N/m。單位面積的內(nèi)力稱為材料的應(yīng)力。單位長度的伸長量稱為應(yīng)變。 l/l0應(yīng)變1.單向靜拉伸實(shí)驗(yàn)單向靜拉伸實(shí)驗(yàn)2

4、.1.1 強(qiáng)度和塑性強(qiáng)度和塑性0l0dFFL拉伸試樣（拉伸試樣（GB6397-86）長試樣：長試樣：L0=10d0短試樣：短試樣：L0=5d0GB國標(biāo)國標(biāo)6397序列號(hào)序列號(hào)86年號(hào)年號(hào)靜拉伸實(shí)驗(yàn)是指在室溫下，將標(biāo)準(zhǔn)試樣卡在材料試驗(yàn)機(jī)上，緩慢的在試樣兩端施加載荷，使試樣受軸向拉力，引起試樣沿軸向伸長，試樣一般進(jìn)行到拉斷為止。目的：測(cè)定試樣對(duì)外加載荷的抗力，可以求出材料的強(qiáng)度指標(biāo)，測(cè)定試樣在破斷前塑性變形的大小，可以求出材料的塑性變形。全過程可以看材料在拉力下變形的整個(gè)過程。1.彈性變形階段彈性變形階段2.塑性變形階段塑性變形階段縮頸現(xiàn)象縮頸現(xiàn)象拉伸試驗(yàn)中得出的拉伸力與伸長量的關(guān)系曲線。拉伸試驗(yàn)

5、中得出的拉伸力與伸長量的關(guān)系曲線。強(qiáng)化階段強(qiáng)化階段屈服階段屈服階段3.斷裂斷裂kbb 極限載荷點(diǎn)Fee 彈性極限點(diǎn)sS 屈服點(diǎn)K 斷裂點(diǎn)lsFeFbFopp 比例極限點(diǎn)OP段：彈性變形階段 PES段：彈性塑性變形階段 （過渡段）SBK段：塑性變形階段 材料隨著變形量增加，變形抗力增加的現(xiàn)象稱為強(qiáng)化。K：斷裂階段 PES段：彈性塑性變形階段 （過渡段）SBK段：塑性變形階段 K：斷裂階段 2強(qiáng)度：彈性模量的單位同應(yīng)力的單位 Pa MPa (N/m2)材料在外力作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。材料在外力作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。（1 1）彈性極限）彈性極限e e和彈性模量和彈性模量E E

6、 彈性變形階段的極限應(yīng)力值稱為彈性極限，用彈性變形階段的極限應(yīng)力值稱為彈性極限，用e來來表示。表示。E/（應(yīng)力（應(yīng)力/應(yīng)變）應(yīng)變）彈性模量E表征了材料抵抗變形的能力 E E 材料抵抗彈性變形的能力越大。材料抵抗彈性變形的能力越大。當(dāng)材料單位面積上所受的應(yīng)力 e es s時(shí)，材料將產(chǎn)生明顯的塑性變形。條件屈服強(qiáng)度: 0.2=F 0.2/S0 （MPa）（2 2） 屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度（S）指材料在外力作用下，產(chǎn)指材料在外力作用下，產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力。生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力。 S S=F=Fs s/S/S0 0 （MPaMPa）它表征了材料抵抗微量塑性變形的能力。屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 是塑性材料選材和評(píng)定的

7、依據(jù)。是塑性材料選材和評(píng)定的依據(jù)。 LF0 0F0.20.2%L0 b =Fb/S0 （MPa）（3 3）抗拉強(qiáng)度）抗拉強(qiáng)度（b ）抗拉強(qiáng)度是材料在拉斷前抗拉強(qiáng)度是材料在拉斷前承受最大載荷時(shí)的應(yīng)力。承受最大載荷時(shí)的應(yīng)力。它表征了材料在拉伸條件下所能承受的最大應(yīng)力。應(yīng)用：抗拉強(qiáng)度是脆性材料選材的依據(jù)。應(yīng)用：抗拉強(qiáng)度是脆性材料選材的依據(jù)。 2. 2. 塑性塑性常用常用 和和 作為衡量塑性的指標(biāo)。作為衡量塑性的指標(biāo)。伸長率：材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不引起破壞的能力。材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不引起破壞的能力。斷面收縮率:%10000lllk%10000sssk0lkl0dFFLkd良好

8、的塑性是金屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。2.1.2 2.1.2 硬度硬度是材料抵抗更硬的物體壓入其內(nèi)的能力。是材料抵抗更硬的物體壓入其內(nèi)的能力。硬度測(cè)量能夠給出金屬材料軟硬程度的數(shù)量概念，硬度測(cè)量能夠給出金屬材料軟硬程度的數(shù)量概念， 硬度試驗(yàn)簡單易行，又無損于零件，而且可以近似的推算出硬度試驗(yàn)簡單易行，又無損于零件，而且可以近似的推算出材料的其它機(jī)械性能，因此在生產(chǎn)和科研中應(yīng)用廣泛。材料的其它機(jī)械性能，因此在生產(chǎn)和科研中應(yīng)用廣泛。硬度試驗(yàn)方法很多，機(jī)械工業(yè)普遍采用壓入法來測(cè)定硬度，硬度試驗(yàn)方法很多，機(jī)械工業(yè)普遍采用壓入法來測(cè)定硬度，壓入法又分為布氏硬度、洛氏硬度布氏硬度、洛氏硬度等。等。 1

9、1. .布氏硬度（布氏硬度（HBHB）：）： ）壓痕的表面積（）壓入載荷（mmNHB 原理原理應(yīng)用應(yīng)用主要適用于各種未經(jīng)淬火的鋼、退火、正火狀態(tài)的鋼；主要適用于各種未經(jīng)淬火的鋼、退火、正火狀態(tài)的鋼；結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)件；鑄鐵、有色金屬、質(zhì)地輕軟的軸承合金結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)件；鑄鐵、有色金屬、質(zhì)地輕軟的軸承合金等原材料。等原材料。 符號(hào)符號(hào)壓頭類壓頭類型型硬度值硬度值有效范圍有效范圍HBS淬火鋼淬火鋼球球450HBW硬質(zhì)合硬質(zhì)合金鋼球金鋼球450650優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn) 測(cè)量誤差較小，結(jié)果準(zhǔn)確。測(cè)量誤差較小，結(jié)果準(zhǔn)確。 壓痕面積大，受測(cè)量不均勻度影響較小，不宜壓痕面積大，受測(cè)量不均勻度影響較小，不宜在產(chǎn)品上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，

10、也不適用于薄片和面積狹長的在產(chǎn)品上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，也不適用于薄片和面積狹長的零件。零件。 標(biāo)注：標(biāo)注：D/P/T如如120HB/10/3000/30，即表示此硬度值，即表示此硬度值120 在在D=10mm，P=3000kgf，T=30秒的條件下得到的秒的條件下得到的。簡單標(biāo)注：簡單標(biāo)注：200230HB或或300330HBS 低碳鋼： b3.6HB高碳鋼： b3.4HB調(diào)質(zhì)合金鋼： b3.25HB灰鑄鐵： b1HB材料的硬度與抗拉強(qiáng)度有相應(yīng)的關(guān)系?？估瓘?qiáng)度測(cè)定需破壞性實(shí)驗(yàn)，往往用硬度來折算抗拉強(qiáng)度。HB與b之間的關(guān)系：實(shí)驗(yàn)（錄像）實(shí)驗(yàn)（錄像）2 2. .洛氏硬度（洛氏硬度（HRHR）FFF1200h

11、（1）原理原理 加初載荷加初載荷加主載荷加主載荷卸除主載荷卸除主載荷讀硬度值讀硬度值符號(hào)符號(hào)壓頭類型壓頭類型總實(shí)驗(yàn)力總實(shí)驗(yàn)力（F/kN）硬度值硬度值有效范圍有效范圍適用范圍適用范圍HRA120金剛金剛石圓錐石圓錐0.58847085HRA硬而薄的硬質(zhì)合金，硬而薄的硬質(zhì)合金，表面淬火鋼，滲透層表面淬火鋼，滲透層HRB1.588mm鋼球鋼球0.980725100HRB非鐵金屬，退火、正非鐵金屬，退火、正火鋼火鋼HRC120金剛金剛石圓錐石圓錐1.47112067HRC淬火鋼，調(diào)質(zhì)鋼淬火鋼，調(diào)質(zhì)鋼（2）應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍優(yōu)點(diǎn)：操作簡便、迅速，效率優(yōu)點(diǎn)：操作簡便、迅速，效率 高，可直接測(cè)量成品件高，可直

12、接測(cè)量成品件 及高硬度及高硬度 的材料。的材料。（3）優(yōu)缺點(diǎn)）優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)：壓痕小，測(cè)量不準(zhǔn)確，缺點(diǎn)：壓痕小，測(cè)量不準(zhǔn)確， 需多次測(cè)量。需多次測(cè)量。（4）實(shí)驗(yàn)（錄像）實(shí)驗(yàn)（錄像）2.1.3 2.1.3 沖擊韌性沖擊韌性 韌性材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。沖擊韌性金屬材料抵抗沖擊載荷面不破壞的能力稱為沖擊韌性。 試樣：551010，精磨。U缺口和V缺口。 沖擊吸收功 ：AK = G（H1 H2）（J） 1H2H試驗(yàn)原理：試樣被沖斷試驗(yàn)原理：試樣被沖斷過程中吸收的能量即沖過程中吸收的能量即沖擊吸收功（擊吸收功（Ak ）等于）等于擺錘沖擊試樣前后的勢(shì)擺錘沖擊試樣前后的勢(shì)能差。能差。沖擊韌性

13、實(shí)驗(yàn)沖擊韌性實(shí)驗(yàn)工程中常把缺口橫截面積處單位面積上的沖擊吸收功稱為沖擊韌度，亦稱沖擊韌性值。沖擊韌度 ：k = AK /S （J/m2） 沖擊韌度（沖擊韌性值、沖擊值）沖擊韌度（沖擊韌性值、沖擊值） 材料的沖擊韌性與塑性之間有一定的聯(lián)系，k大，材料的塑性大，但塑性大的材料，k值不一定高 沖擊值（沖擊韌性值）的大小與很多因素有關(guān)，不僅受試樣形狀，表面粗糙度，內(nèi)部組織等的影響，而且與試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境、溫度有關(guān)，沖擊韌性值一般是作為選擇材料的參數(shù)，并沒有確定的物理意義。2.1.4 疲勞極限1n疲勞極限：材料在無數(shù)次重復(fù)或交變載荷作用下不引起破壞的疲勞極限：材料在無數(shù)次重復(fù)或交變載荷作用下不引起破壞的最大

14、應(yīng)力。最大應(yīng)力。用以表征材料抵抗疲勞斷裂的能力。用以表征材料抵抗疲勞斷裂的能力。 循環(huán)基數(shù)鋼： 受交變載荷作用的零件，在其所受應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，會(huì)發(fā)生突然的斷裂。而且是脆性斷裂。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約據(jù)統(tǒng)計(jì)，約80%80%的機(jī)件失效的機(jī)件失效為疲勞破壞。為疲勞破壞。0n0n7010n8010n有色金屬：疲勞曲線材料所受應(yīng)力與其斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系曲線稱為疲勞曲線。 疲勞斷口示意圖疲勞曲線示意圖材料疲勞斷口宏觀形貌疲勞斷裂的過程是材料表面，內(nèi)部的裂紋形成、長大、疲勞斷裂的過程是材料表面，內(nèi)部的裂紋形成、長大、連接和擴(kuò)展的過程。通過連接和擴(kuò)展的過程。通過改進(jìn)設(shè)計(jì)改進(jìn)設(shè)計(jì)（避免尖角、減少應(yīng)

15、（避免尖角、減少應(yīng)力集中，降低表面粗糙度，改善表面狀態(tài)，減少表面微力集中，降低表面粗糙度，改善表面狀態(tài)，減少表面微裂紋）和裂紋）和表面強(qiáng)化表面強(qiáng)化（提高表面抗疲勞能力，如淬火、化（提高表面抗疲勞能力，如淬火、化學(xué)熱處理、噴丸、滾壓、提高應(yīng)力狀態(tài)，抵消一部分拉學(xué)熱處理、噴丸、滾壓、提高應(yīng)力狀態(tài)，抵消一部分拉應(yīng)力作用）均可提高零構(gòu)件的抗疲勞能力。應(yīng)力作用）均可提高零構(gòu)件的抗疲勞能力。疲勞斷裂影響因素：疲勞斷裂影響因素：材料內(nèi)部缺陷，材料內(nèi)部缺陷，機(jī)械加工表面質(zhì)量，機(jī)械加工表面質(zhì)量，設(shè)計(jì)中的應(yīng)力集中現(xiàn)象。設(shè)計(jì)中的應(yīng)力集中現(xiàn)象。2.2 材料的物理性能材料的物理性能比重、密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、磁性

16、、熱膨脹系數(shù)。2.3 材料的化學(xué)性能材料的化學(xué)性能2.3.1 金屬腐蝕的基本過程金屬腐蝕的基本過程金屬材料表面和環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)作用，金屬材料表面和環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)作用，引起材料的退化與破壞叫做腐蝕。引起材料的退化與破壞叫做腐蝕。 2.3.2 防止金屬腐蝕的途徑防止金屬腐蝕的途徑研制新耐蝕材料和改善材料的組織、狀態(tài)。對(duì)腐蝕環(huán)境和介質(zhì)采取措施。涂層和電化學(xué)保護(hù)方法。 2.4 2.4 材料的工藝性能：加工性能材料的工藝性能：加工性能指材料承受各種加工、處理的能力的那些性能。指材料承受各種加工、處理的能力的那些性能。工藝性能工藝性能1.鑄造性能鑄造性能指金屬或合金是否適合鑄造的一些工

17、藝性能，指金屬或合金是否適合鑄造的一些工藝性能， 包括：流動(dòng)性能、收縮性、偏析等。包括：流動(dòng)性能、收縮性、偏析等。含碳量越高，鑄造性越好。含碳量越高，鑄造性越好。2.焊接性能焊接性能指材料焊接時(shí)其工藝方法的難易程度及接口指材料焊接時(shí)其工藝方法的難易程度及接口 處是否能滿足使用目的的特性。處是否能滿足使用目的的特性。3.鍛造性能鍛造性能金屬材料在鍛壓加工中能承受塑性變形而不金屬材料在鍛壓加工中能承受塑性變形而不 破裂的能力。破裂的能力。含碳量越高，焊接性越差。含碳量越高，焊接性越差。含碳量越高，鍛造性越差。含碳量越高，鍛造性越差。2.5 2.5 材料的經(jīng)濟(jì)性能材料的經(jīng)濟(jì)性能4.切削加工性切削加工性：指材料被切削加工成合格零件的難易程度。：指材料被切削加工成合格零件的難易程度。包含：刀具耐用度較高；切削力較小，切削溫度較低。包含：刀具耐用度較高；切削力較小，切削溫度較低。 容易獲得良好的表面加工質(zhì)量