第一章工程材料的性能

1、1第第1 1章章 工程材料的性能工程材料的性能 1.1 工程材料的力學(xué)性能工程材料的力學(xué)性能1.2 工程材料的物理和化學(xué)性能工程材料的物理和化學(xué)性能1.3 工程材料的工藝性能工程材料的工藝性能2前提：材料的分類前提：材料的分類金屬金屬高分子高分子陶瓷陶瓷材料材料有機(jī)材料有機(jī)材料無機(jī)材料無機(jī)材料 復(fù)復(fù) 合合 材料材料Way?分類：組成成分：組成成分：金屬材料、無機(jī)非金屬材料（二氧化硅氣凝膠、水泥、 玻璃、 陶瓷）、有機(jī)高分子材料（塑料、橡膠、纖維）、陶瓷材料、復(fù)合材料（碳纖維）等；使用功能：使用功能：結(jié)構(gòu)材料和功能材料4工程材料分類工程材料分類5各類材料的特點(diǎn)各類材料的特點(diǎn)金屬材料金屬材料 主要

2、為金屬鍵金屬鍵。熱和電的良導(dǎo)體；具有良好的強(qiáng)度與延展性以及金屬光澤。陶瓷材料陶瓷材料 通常為離子鍵離子鍵或共價(jià)鍵共價(jià)鍵。絕緣體，而且比較耐熱。高分子材料高分子材料 通常為共價(jià)鍵、分子鍵 和氫鍵，以共價(jià)鍵共價(jià)鍵為主。分子結(jié)構(gòu)都非常大；通常密度較低，在高溫下不穩(wěn)定。復(fù)合材料復(fù)合材料 性能的復(fù)合。 工程材料包括工程材料包括結(jié)構(gòu)材料、功能材料結(jié)構(gòu)材料、功能材料 結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料以強(qiáng)度、韌性、塑性等機(jī)械性能為主要要求。以強(qiáng)度、韌性、塑性等機(jī)械性能為主要要求。 功能材料功能材料以特殊物理性能與化學(xué)性能為主要要求。以特殊物理性能與化學(xué)性能為主要要求?！靶阅苄阅堋?鑄造性鑄造性 可鍛性可鍛性可焊性可焊性切削加

3、工性切削加工性熱處理性熱處理性 工程材料的性能工程材料的性能 使用性能使用性能力學(xué)性能力學(xué)性能* *物理性能物理性能化學(xué)性能化學(xué)性能 工藝性能工藝性能 1.1 工程材料的力學(xué)性能工程材料的力學(xué)性能 表征材料在給定外界條件下的行為。什么是材料的性能？什么是材料的性能？8材料在外加載荷（外力或能量）作用下或材料在外加載荷（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）聯(lián)載荷與環(huán)境因素（溫度、介質(zhì)和加載速率）聯(lián)合作用下表現(xiàn)出來的行為。合作用下表現(xiàn)出來的行為。 主要是指材料在力的作用下抵抗變形和主要是指材料在力的作用下抵抗變形和開裂的性能。開裂的性能。力學(xué)性能力學(xué)性能9 機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)首先考

4、慮材料的力學(xué)性能。機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)首先考慮材料的力學(xué)性能。 通俗地講通俗地講, ,力學(xué)性能反應(yīng)在多大和怎樣形式的載荷力學(xué)性能反應(yīng)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。條件下而不致于改變零件幾何形狀和尺寸的能力。力學(xué)性能指標(biāo)力學(xué)性能指標(biāo): 彈性、剛度、彈性、剛度、 塑性、韌性、塑性、韌性、 強(qiáng)度、硬度、強(qiáng)度、硬度、 疲勞強(qiáng)度等。疲勞強(qiáng)度等。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)。（也稱力學(xué)性能）。（也稱力學(xué)性能）。10力學(xué)性能試驗(yàn)：靜載單向靜拉伸應(yīng)力力學(xué)性能試驗(yàn)：靜載單向靜拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 拉伸機(jī)上，低拉伸機(jī)上，低碳鋼緩慢加載

5、單向碳鋼緩慢加載單向靜拉伸曲線靜拉伸曲線 拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸試驗(yàn)機(jī)11曲線分為四階段：曲線分為四階段：1階段階段I（oab段）段）彈性彈性變形階段變形階段pa: Pp pb: Pe （不產(chǎn)生永久變形的（不產(chǎn)生永久變形的最大抗力）最大抗力）poa段：段：L P 直線階段直線階段pab段：極微量塑性變形段：極微量塑性變形（0.001-0.005%)2階段階段II（bcd段）段）屈服屈服變形變形pc: 屈服點(diǎn)屈服點(diǎn) Ps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。 拉伸機(jī)上，低碳鋼緩慢加載單向靜拉伸機(jī)上，低碳鋼緩慢加載單向靜載拉伸曲線載拉伸曲線 123階段

6、階段III（dB段）段）均勻均勻塑性變形階段塑性變形階段pB: Pb 材料所能承受的材料所能承受的最大載荷最大載荷4階段階段IV (BK段段) 局部局部集中塑性變形集中塑性變形1. 低鋼、正火、退火調(diào)質(zhì)中鋼，低、中低鋼、正火、退火調(diào)質(zhì)中鋼，低、中C合金鋼、某些合金鋼、某些Al合金及某些高分子材料具有類似上述曲線。合金及某些高分子材料具有類似上述曲線。2. 鑄鐵、陶瓷：只有第鑄鐵、陶瓷：只有第I 階段階段3. 中、高碳鋼：沒有第中、高碳鋼：沒有第II 階段階段頸縮頸縮 拉伸機(jī)上，低碳鋼緩慢加載單向拉伸機(jī)上，低碳鋼緩慢加載單向靜載拉伸曲線靜載拉伸曲線 131.1. 低鋼、正火、退火調(diào)質(zhì)中鋼，低、中

7、低鋼、正火、退火調(diào)質(zhì)中鋼，低、中C C合金鋼某些合金鋼某些AlAl合金及某些高合金及某些高分子材料具有類似上述曲線。分子材料具有類似上述曲線。2.2. 鑄鐵、陶瓷：只有第鑄鐵、陶瓷：只有第I I階段階段3.3. 中、高碳鋼：沒有第中、高碳鋼：沒有第IIII階段階段141.1.1 強(qiáng)度強(qiáng)度(strength) 單位： MPa(MN/mm2) 公式：=P/Fo 物理意義物理意義: :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。 抗拉強(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 、 抗抗扭強(qiáng)度等。扭強(qiáng)度等。材料所能承受的極限應(yīng)力材料所能

8、承受的極限應(yīng)力. 151 1屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度s s (yield strength) a: s=Ps/Fo Ps s = ( M pa ) F0試樣屈服時(shí)的載荷( N )試樣原始橫截面積( mm2)s：代表材料開始明顯塑性變形的抗力,是設(shè)計(jì)和選材的主要依據(jù)之一。16 b: 0.2條件屈服強(qiáng)度條件屈服強(qiáng)度 中高碳鋼等無屈服點(diǎn)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以產(chǎn)生一定的微量塑性變形的抗力的極限應(yīng)力值來表示。脆性材料：b=s ，如灰口鑄鐵 P0.2 0.2 = ( M pa ) F0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)172 2抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度( tensi

9、le strength )( tensile strength )b=Pb/Fo 材料被拉斷前所承受的最大應(yīng)力值。材料被拉斷前所承受的最大應(yīng)力值。 Pb b = ( M pa ) F0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)b：代表材料抵抗外力而代表材料抵抗外力而不致斷裂的極限應(yīng)力值。不致斷裂的極限應(yīng)力值。183 3疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度-1 -1 ( fatigue strength )( fatigue strength ) n 疲勞現(xiàn)象： 承受載荷的大小和方向隨時(shí)間作周期性變化。在交變應(yīng)承受載荷的大小和方向隨時(shí)間作周期性變化。在交變應(yīng)力作用下，往往在遠(yuǎn)小于強(qiáng)度

10、極限，甚至小于屈服極限的力作用下，往往在遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限，甚至小于屈服極限的應(yīng)力下發(fā)生斷裂。應(yīng)力下發(fā)生斷裂。（80%的斷裂由疲勞造成）的斷裂由疲勞造成）n 影響因素：影響因素： 循環(huán)應(yīng)力特征、溫度、材料成分和組織、夾雜物、表面狀循環(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。態(tài)、殘余應(yīng)力等。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19n 疲勞極限疲勞極限-1 -1 ： 材料經(jīng)無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)材料經(jīng)無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最高應(yīng)力值。生疲勞斷裂的最高應(yīng)力值。n條件疲勞極限：條件疲勞極限： 經(jīng)受經(jīng)受107應(yīng)力循環(huán)而不致斷裂的最大應(yīng)力值。應(yīng)力循環(huán)而不致斷裂的最大

11、應(yīng)力值。 鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 10N = 107 7有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 10N = 108 8鋼材的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之間鋼材的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系的關(guān)系: : -1-1 = (0.45 = (0.450.55)0.55)b b陶瓷、高分子材料疲勞抗力很低；陶瓷、高分子材料疲勞抗力很低；金屬材料疲勞強(qiáng)度較高；金屬材料疲勞強(qiáng)度較高；纖維增強(qiáng)復(fù)合材料較好的抗疲勞性能。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料較好的抗疲勞性能。201.1.2、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力。材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變

12、形而不被破壞的能力。延伸率與試樣尺寸有關(guān)，延伸率與試樣尺寸有關(guān)， d5 , d10 (Lo=5do, 10do)。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 Lk k與原始標(biāo)距與原始標(biāo)距L L0 0之比。之比。Lk: 試樣拉斷后最終標(biāo)距長(zhǎng)度。試樣拉斷后最終標(biāo)距長(zhǎng)度。21u =F/Fo=(Fo-Fk)/Fo x 100%u 越大，塑性愈好u 鑄鐵（灰口）鑄鐵（灰口）鑄鋼（共晶點(diǎn)附近最好）鑄鋼（共晶點(diǎn)附近最好）2.鍛造性能（塑性、變形抗力）鍛造性能（塑性、

13、變形抗力） 低碳鋼低碳鋼中碳鋼（低合金鋼）中碳鋼（低合金鋼）高碳鋼（高合金鋼）鑄鐵不可鍛壓高碳鋼（高合金鋼）鑄鐵不可鍛壓3.焊接性能（可焊性、焊后開裂的傾向、焊區(qū)硬度）焊接性能（可焊性、焊后開裂的傾向、焊區(qū)硬度）低碳鋼低碳鋼中碳鋼（低合金鋼）中碳鋼（低合金鋼）高碳鋼（高合金鋼）高碳鋼（高合金鋼）銅、鋁合金銅、鋁合金4.切削性能（切削難易程度、加工表面質(zhì)量）切削性能（切削難易程度、加工表面質(zhì)量）5.熱處理工藝性能（熱處理難易程度及產(chǎn)生缺陷的傾向）熱處理工藝性能（熱處理難易程度及產(chǎn)生缺陷的傾向） 淬透性、變形和開裂、過熱敏感性、回火脆化和氧化脫碳等淬透性、變形和開裂、過熱敏感性、回火脆化和氧化脫碳等指工程材料對(duì)各種加工工藝手段所表現(xiàn)出的難易程度。33 CH1 作作 業(yè)業(yè)1. 什么是機(jī)械工程材料什么是機(jī)械工程材料?試舉幾種常見工程材料并簡(jiǎn)述其應(yīng)用。試舉幾種常見工程材料并簡(jiǎn)述其應(yīng)用。2. 圍繞材料與工程的核心關(guān)系是什么？圍繞材料與工程的核心關(guān)系是什么？3. 名詞解釋：強(qiáng)度、硬度、塑性、沖擊韌性