機(jī)械工程材料第二講材料的性能

1、機(jī)械工程材料第二講材料的性能1第1頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四 3、工藝性能是指材料在各種加工過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的性能。工藝性能有：鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能和切削加工性能等。2、物理化學(xué)性能：材料所體現(xiàn)的物理化學(xué)性質(zhì)的性能。物理性能有：電導(dǎo)性、熱導(dǎo)性等、比重、熔點(diǎn)?；瘜W(xué)性能有：耐蝕性、抗氧化性、電化學(xué)腐蝕。2第2頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四第一節(jié) 金屬的機(jī)械性能（一）強(qiáng)度：強(qiáng)度是材料在外力的作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。強(qiáng)度分為:抗拉（壓）強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等。通常以抗拉強(qiáng)度為基本的強(qiáng)度指標(biāo)。

2、3第3頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四材料的抗拉強(qiáng)度以標(biāo)準(zhǔn)試樣在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)測(cè)定；如圖為拉伸用標(biāo)準(zhǔn)試樣，通常分為長(zhǎng)試樣(L0=10d0)和短試樣(L05d0)兩種。L和d0值有規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，一般Lo為100mm或50mm。4第4頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四1、低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)（1）試驗(yàn)：標(biāo)準(zhǔn)試樣裝夾在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上或拉伸試驗(yàn)機(jī)上，緩慢加載拉伸，隨著載荷增加，試樣逐漸伸長(zhǎng)，直至試樣拉斷。載荷（F）與相應(yīng)的試樣伸長(zhǎng)量（L）可由試驗(yàn)機(jī)或人工繪成拉伸曲線圖。5第5頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四2）塑性變形：載

3、荷超過(guò)PE之后，試樣除發(fā)生彈性變形外還將發(fā)生塑性變形。此時(shí)，載荷去除后試樣不能恢復(fù)到原始長(zhǎng)度，這種變形稱塑性變形或永久變形。（2） 低碳鋼的拉伸曲線分析（如圖所示）1）彈性變形：在Ob階段，去除載荷，試樣將恢復(fù)到原始長(zhǎng)度。此階段試樣的變形稱為彈性變形。在Oa階段載荷F與伸長(zhǎng)最L為線性關(guān)系，稱為比例變形。ab階段載荷F與伸長(zhǎng)最L為曲線性關(guān)系仍然是彈性變形。6第6頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四4）縮頸與斷裂：當(dāng)載荷超過(guò)Pb以后，試樣上某部分開(kāi)始變細(xì)，出現(xiàn)了“縮頸”，由于其截面縮小，使繼續(xù)變形所需載荷下降。載荷到達(dá)Pk時(shí)，試樣在縮頸處斷裂。Pb是最大強(qiáng)度3）屈服變形：當(dāng)載荷

4、增大到Ps之后，拉伸圖上出現(xiàn)了水平線段，這表示載荷雖未增加，但試樣繼續(xù)發(fā)生塑性變形而伸長(zhǎng)，這種現(xiàn)象稱為“屈服”，s點(diǎn)稱為屈服點(diǎn)。載荷與實(shí)件直徑有關(guān)，因此工程上采用應(yīng)力來(lái)表示。7第7頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四（3）應(yīng)力應(yīng)變圖為使曲線能夠直接反映出材料的力學(xué)性能，可用應(yīng)力（試樣單位橫截面上的拉力4P/d0）代替載荷P；以試樣單位長(zhǎng)度上的伸長(zhǎng)量應(yīng)變, （=L/L）取代伸長(zhǎng)量L.由此繪成的曲線圖,稱作應(yīng)力應(yīng)變圖。=E E是彈性模量（GN/mm )-曲線和F-L曲線形狀相同,僅是坐標(biāo)的含義不同。另比例極限與彈性極限很接近，工程中常用Fe點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。228第8頁(yè)，共44頁(yè)，2

5、022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四（4）內(nèi)力：材料在外力作用下，內(nèi)部分子之間的抗衡的力。 內(nèi)力分為：有外力作用是產(chǎn)生的內(nèi)力。無(wú)外力作用是產(chǎn)生的內(nèi)力（熱應(yīng)力、重力等）。（5）應(yīng)力：?jiǎn)挝幻娣e上的力。 =F/A0b點(diǎn)的應(yīng)力為bs點(diǎn)的應(yīng)力為se點(diǎn)的應(yīng)力為e9第9頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四（6）拉伸強(qiáng)度1）比例（極限）強(qiáng)度。P=Pp/A0（MPa）2）彈性（極限）強(qiáng)度。e=Pe/A0 （MPa）3）屈服（極限）強(qiáng)度。s=Ps/A0 （MPa）4）抗拉（極限）強(qiáng)度。b=Pb/A0 （MPa）Ps試樣發(fā)生屈服時(shí)所承受的最小載荷，N；式中Pb_試樣在拉斷前所承受的最大載荷,

6、N；Pe試樣發(fā)生塑性變形前所承受的最大載荷，N； Ao試樣原始截面積，mm2。10第10頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四（7）塑性塑性是指材料產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力，能常以伸長(zhǎng)率來(lái)表示。 =L1-L0/L0 x100%式中：Lo_試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度，mm； L1_試樣拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度，mm。必須指出，伸長(zhǎng)率的數(shù)值與試樣尺寸有關(guān)，因而試驗(yàn)時(shí)應(yīng)對(duì)所選的試樣尺寸作出規(guī)定，以便進(jìn)行比較。如Lo=10d0時(shí)，用10或表示；Lo=5d0時(shí)，用5表示。伸長(zhǎng)率是衡量材料塑性的一個(gè)重要指標(biāo)，工程中一般將5%的材料作為塑性材料； 5%材料作為脆性材料。不僅是金屬材料。11第11頁(yè)，共4

7、4頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四 材料的塑性也可用斷面收縮率表示： 式中：Ao_試樣的原始截面積，mm ； A1_試樣拉斷后，斷口處截面積，mm 。和值愈大，材料的塑性愈好。良好的塑性不僅是金屬材料進(jìn)行軋制、鍛造、沖壓、焊接的必要條件，而且在使用時(shí)萬(wàn)一超載，由于產(chǎn)生塑性變形，能夠避免突然斷裂。A0=x100%（A0A1）2212第12頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四2、脆性材料拉伸鑄鐵、玻璃鋼，混凝土及陶瓷等，這些材料在拉伸時(shí)，一直到斷裂，變形都不顯著，而且沒(méi)有屈服階段，也沒(méi)有頸縮現(xiàn)象，只有斷裂時(shí)的強(qiáng)度極限b。這些材料的特點(diǎn)是伸長(zhǎng)量很小，一般5%，因此稱

8、它們?yōu)榇嘈圆牧稀?3第13頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四（1）灰口鑄鐵的應(yīng)力應(yīng)變曲線特點(diǎn)是全部圖線都是曲線，沒(méi)有明顯的直線部分，由于直到拉斷時(shí)試件的變形都非常微小，可以近似的用一條線來(lái)代替這段曲線(如圖中的虛直線)，從而確定材料的彈性模量E。因此，對(duì)于虎克定律這種材料是近似的。（2）玻璃鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線的特點(diǎn)是直到試件拉斷幾乎都是直線。玻璃鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線的特點(diǎn)是直到試件拉斷幾乎都是直線。如圖所示是鑄鐵和玻璃鋼受拉伸時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線。脆性材料拉伸時(shí)的強(qiáng)度極限比塑性材料低得多。14第14頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四 對(duì)于沒(méi)有明顯屈服現(xiàn)象的金屬

9、材料，工程上規(guī)定以試樣0.2%塑性變形時(shí)的應(yīng)力，作為該材料的屈服點(diǎn)，用0.2 表示。 3、材料的壓縮實(shí)驗(yàn)金屬試件常做成圓柱形，高度約為直徑的153倍，高度不能太大，否則受壓后容易發(fā)生彎曲變形。對(duì)于棍凝土、石料等常用方塊試件。15第15頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四（1） 塑性材料壓縮實(shí)驗(yàn) 當(dāng)應(yīng)力小于比例極限或屈服極限時(shí)，它所表現(xiàn)的性質(zhì)與拉伸時(shí)相似，而且比例極限與彈性模量的數(shù)值，與拉伸時(shí)數(shù)值大約相等。 應(yīng)力超過(guò)比例極限后，由于試驗(yàn)機(jī)平板與試件兩端之間的摩擦力，使試件被壓成鼓形。隨載荷逐漸增加，最后形成餅狀。無(wú)強(qiáng)度極限。16第16頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)

10、56分，星期四(2)、脆性材料壓縮實(shí)驗(yàn) 脆性材料受壓時(shí)，也和受拉時(shí)一樣，很小的變形下就發(fā)生破壞；但是，壓縮時(shí)的強(qiáng)度極限，要比受拉伸時(shí)大很多倍，所以脆性材料常用作承壓構(gòu)件。鑄鐵受壓縮時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖，圖中虛線表示受拉伸時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線。由圖可見(jiàn)，鑄鐵受壓縮時(shí)的強(qiáng)度極限約為受拉伸時(shí)的2-4倍。從圖中還可看出，鑄鐵受壓縮時(shí)與受拉伸時(shí)一樣，沒(méi)有明顯的直線部分，也沒(méi)有屈服階段，破壞發(fā)生在與軸線約成45度的斜面上。17第17頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四 4 、許用應(yīng)力 為危險(xiǎn)應(yīng)力，對(duì)塑性材料有s、 b。對(duì)脆性材料取r 。n是安全系數(shù)，根據(jù)具體情況可取 1.5、2、2.5、3

11、、3.5、4等。0n00.2機(jī)件的強(qiáng)度條件 18第18頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四 （二）、硬度1、硬度：材料抵抗局部變形的能力，即局部塑性變形或壓痕，稱為硬度。硬度是衡量金屬軟硬的判據(jù)。硬度直接影響到材料的耐磨性及切削加工性，因?yàn)闄C(jī)械制造中的刃具、量具、模具及工作的耐磨表面都應(yīng)具有足夠高的硬度，才能保證其使用性能和壽命。若所加工的金屬坯料的硬度過(guò)高時(shí)，則給切削加工帶來(lái)困難。顯然，硬度也是重要的力學(xué)性能指標(biāo)，應(yīng)用十分廣泛。 2、硬度分類：金屬材料的硬度是在硬度計(jì)上測(cè)定的。根據(jù)硬度計(jì)的測(cè)量方法不同，常用的有布氏硬度法、洛氏硬度法和維氏硬度法三種。19第19頁(yè)，共44頁(yè)

12、，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四（1）布氏硬度（HB） 布氏硬度的測(cè)試原理如圖所示。以直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球?yàn)閴侯^，在載荷F的靜壓力下，將壓頭壓入被測(cè)材料的表面；停留若干秒后，卸去載荷。然后，采用帶刻度的專用放大鏡測(cè)出壓痕直徑d，并依據(jù)d的數(shù)值從專門(mén)的硬度表格中查出相應(yīng)的HB值。HB=F/S=F/Dh（N/mm ）F為測(cè)頭上的壓力，單位為牛頓。h為壓痕的深度，不易測(cè)量，可用壓痕直徑d來(lái)?yè)Q算2布氏硬度計(jì) 20第20頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四1）布氏硬度計(jì)的壓頭直徑有10mm、5mm、 2.5mm三種，而載荷有30000N、7500N、1870N等

13、數(shù)種，供不同材料和不同厚度試樣測(cè)試時(shí)選用。其中常用的壓頭直徑為10mm,載荷為30000N。2）布氏硬度法特點(diǎn)：因壓痕面積較大、其硬度值比較穩(wěn)定，故測(cè)試數(shù)據(jù)重復(fù)性好，準(zhǔn)確度較洛氏硬度法高。缺點(diǎn)是測(cè)量費(fèi)時(shí)，且因壓痕較大，不適于成品檢驗(yàn)。由于測(cè)試過(guò)硬的材料可導(dǎo)致鋼球的變形，因此布氏硬度通常用于HB值小于450的材料，如灰鑄鐵、非鐵合金及較軟的鋼材。新型布氏硬度計(jì)設(shè)計(jì)有硬質(zhì)合金球壓頭，從而可用于測(cè)試淬火鋼等較硬金屬的硬度，使布氏硬度法的適用范圍擴(kuò)大。為了區(qū)別不同壓頭測(cè)出的硬度值，將鋼球壓頭測(cè)出的硬度值（小于450）標(biāo)以符號(hào)HBS，而將硬質(zhì)合金球壓頭測(cè)出的硬度值（450650）標(biāo)以HBW。而高硬度的薄

14、板件和表面要求高的工件不宜用布氏硬度。21第21頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四（2）洛氏硬度（HR）洛氏硬度的測(cè)試原理是以頂角為120金鋼石圓錐體（或1.588mm淬火鋼球）為壓頭，在規(guī)定的載荷下，垂直地壓入被測(cè)金屬表面，卸載后依據(jù)壓入深度h，由刻度盤(pán)上的指針直接指示出HR值h1-h0洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度計(jì)22第22頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四圖中00為金鋼石壓頭在和試件接觸前的位置。11為壓頭和試件接觸受到初載荷P0后壓入試件深度為h1的位置，22為試件受到主載荷P1后壓頭壓入試件的位置；33卸除主載荷后壓頭由于試件彈性變形的恢復(fù)而

15、略有提高的位置。此時(shí)壓頭因主載荷而實(shí)際壓入的深度為(h3一h1)。此值越大，表示試件越軟。反之，表示試件越硬。按習(xí)慣上數(shù)值越大硬度越高的概念，常用某一常數(shù)K減(h3一h1)來(lái)表示硬度的高低，并用每0002mm為一硬度單位，則所得的洛氏硬度用符號(hào)HR表示即HR=k-（h3-h1）/2式中,h1在P0作用下壓頭壓入試件的深度，mmh3卸除P1但仍保留P0時(shí)，壓頭壓入試件表面的深度，mm K常數(shù)，采用鋼球時(shí)為026，采用金剛石圓錐時(shí)為020。 23第23頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四采用不同的試驗(yàn)條件，可以測(cè)得從極軟到極硬材料的硬度。當(dāng)應(yīng)用120度角金剛石圓錐壓頭在588N

16、(60kgf)、1471N(150kgf)載荷下所測(cè)得的硬度時(shí)，分別用HRA、HRC表示，當(dāng)用158mm鋼球在980N(100kgf)載荷下所測(cè)得的硬度時(shí)，用HRB表示。HRA用于測(cè)極硬材料,HRB用于測(cè)軟金屬，HRC常用于測(cè)淬火鋼及其它較硬的材料。24第24頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四特點(diǎn)：洛氏硬度測(cè)試簡(jiǎn)單、測(cè)試迅速、因壓痕小，不損壞被測(cè)零件，可用于成品檢驗(yàn)。它的缺點(diǎn)是測(cè)得的硬度值重復(fù)性較差，這對(duì)有偏析或組織不均勻的被測(cè)金屬尤為明顯，為此，必須在不同部位測(cè)量數(shù)次,取平均值。 硬度和強(qiáng)度間有一定換算關(guān)系（可參閱有關(guān)手冊(cè)），故在零件圖的技術(shù)條件中，通常標(biāo)注出硬度要求。

17、25第25頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四由于維氏硬度測(cè)試的壓痕為輪廓分明的正方形，便于測(cè)量，誤差小精度高，測(cè)量范圍大所以，適用于各種軟硬金屬，尤其適用于極薄零件和滲碳、滲氮工件的硬度測(cè)定但其操作不如洛氏硬度測(cè)定法方便，效率不高，所以不宜用于大批量生產(chǎn)工件的常規(guī)測(cè)定。（3）維氏硬度HV 維氏硬度測(cè)定方法基本原理與布氏硬度相同也是根據(jù)壓痕單位面積承受的壓力大小來(lái)測(cè)量的，不同的是維氏硬度壓頭是錐面夾角為136度的金鋼石正四棱錐體測(cè)試時(shí)按選定的試驗(yàn)壓力F將壓頭壓入并保持一定時(shí)間，卸載后測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度d用以計(jì)算壓痕表面積S HV=FS=18544F/d (Kgf/mm )

18、HV=01891Fd (MPa)22226第26頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四（三）、沖擊韌（性）度1、沖擊韌度：材料斷裂前吸收的變形能量稱作韌性。韌性的常用指標(biāo)為沖擊韌度。2、測(cè)量方法：沖擊韌度通常采用擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)定。測(cè)定時(shí)，一般是將帶缺口的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，放在試驗(yàn)機(jī)上，然后用擺錘將其一次沖斷，并以試樣缺口處單位截面積上所吸收的沖出功表示其沖擊韌度，即ak=Ak/A（J/cm）式中：ak沖擊韌度（沖擊值）； Ak沖斷試樣所消耗的沖擊功，J； A試樣缺口處的截面積，cm 。2ak溫度冷脆轉(zhuǎn)變溫度范圍27第27頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四

19、3、脆性材料試件：對(duì)于脆性材料（如鑄鐵、淬火鋼等）的沖擊試驗(yàn)，試樣一般不開(kāi)缺口，因?yàn)殚_(kāi)缺口的試樣沖擊值過(guò)低，難以比較不同材料沖擊性能的差異。4、影響沖擊值大小的因素：有試樣形狀、表面粗糙度、內(nèi)部組織，還與試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度有關(guān)。因此，沖擊值一般作為選擇材料的參考，不直接用于強(qiáng)度計(jì)算。必須指出，承受沖擊載荷的機(jī)器零件,很少是在大能量下一次沖擊而破壞的,而大多是受到小能量多次重復(fù)沖擊而破壞的,如連桿、曲軸、齒輪等。因此，在大能量、一次沖斷條件下來(lái)測(cè)定沖擊韌度，雖然方法簡(jiǎn)便，但對(duì)大多數(shù)在工作中承受小能量重復(fù)沖擊的機(jī)件來(lái)說(shuō)就不一定適合。不過(guò)試驗(yàn)研究表明：在沖擊載荷不太大的情況下，金屬材料承受多次重復(fù)沖擊

20、的能力，主要取決于強(qiáng)度，而不要求過(guò)高的沖擊韌度。例如，用球墨鑄鐵制造的曲軸，只要強(qiáng)度足夠，其沖擊韌度達(dá)815J/cm 時(shí)，就能獲得滿意的使用性能。沖擊值對(duì)組織缺陷很敏感，能反映出材料品質(zhì)、宏觀缺陷和顯微組織等方面的變化，因此，沖擊試驗(yàn)是生產(chǎn)上用來(lái)檢驗(yàn)冶煉、熱加工、熱處理等工藝質(zhì)量的有效方法。228第28頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四3、疲勞強(qiáng)度（疲勞極限）：金屬材料在無(wú)數(shù)次循環(huán)載荷作用下不至引起斷裂的最大應(yīng)力。 金屬材料所承受的疲勞應(yīng)力（）與其斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（N），具有如圖所示所示的疲勞曲線關(guān)系。當(dāng)應(yīng)力下降到某值之后，疲勞曲線成為水平線，這表示該材料可經(jīng)受無(wú)數(shù)次

21、應(yīng)力循環(huán)而仍不發(fā)生疲勞斷裂，這個(gè)應(yīng)力值稱為疲勞極限。當(dāng)應(yīng)力按正弦曲線對(duì)稱循環(huán)時(shí)，疲勞強(qiáng)度以符號(hào) 表示。（四）疲勞強(qiáng)度1、疲勞載荷：周期性或非周期性動(dòng)載荷。2、疲勞斷裂：機(jī)械上的許多零件，（如曲軸、齒輪、連桿、彈簧等）是在疲勞載荷的作用下工作的。這些承受疲勞載荷的零件發(fā)生斷裂時(shí)，其應(yīng)力往往大大低于該材料的強(qiáng)度極限，這種斷裂稱作為疲勞斷裂。-129第29頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四、一定的應(yīng)力循環(huán)基數(shù)：由于實(shí)際測(cè)試時(shí)不可能做到無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)，故規(guī)定各種金屬材料應(yīng)有一定的應(yīng)力循環(huán)基數(shù)。如鋼材以10 為基數(shù)，即鋼材的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)達(dá)到10 仍不發(fā)生疲勞斷裂，就認(rèn)為不會(huì)再發(fā)生疲

22、勞斷裂了。對(duì)于非鐵合金和某些超高強(qiáng)度鋼，則常取10 為基數(shù)。5、 產(chǎn)生疲勞斷裂的過(guò)程：一般是由于材料含有雜質(zhì)、表面劃痕及其它能引起應(yīng)力集中的缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)生微裂紋。這種微裂紋隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴(kuò)展，致使零件有效截面逐步縮減，直至不能承受所加載荷而突然斷裂。6、斷面特點(diǎn)：斷口一般是由光滑的邊緣（疲勞擴(kuò)展區(qū)）和粗糙的心部（瞬時(shí)破壞區(qū)）所組成，斷口的疲勞擴(kuò)展區(qū)光亮，細(xì)致，有疲勞擴(kuò)展前沿線，呈貝殼狀，海灘狀或漣紋狀條紋，這是裂紋擴(kuò)展磨光的結(jié)果，瞬時(shí)破壞區(qū)斷口粗造，一般呈粗晶狀。77830第30頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四7、疲勞斷裂的原因：（1）材料內(nèi)部組織缺陷，氣孔

23、、梳松夾渣等 （2）工件外部結(jié)構(gòu)缺陷，劃痕、缺口、粗糙度等。8、提高零件疲勞強(qiáng)度的途徑（1）改善其結(jié)構(gòu)形狀、減少應(yīng)力集。（2）表面強(qiáng)化，如提高零件的表面質(zhì)量、噴丸處理、表面熱處理等。（3）應(yīng)控制材料的內(nèi)部質(zhì)量，避免氣孔、夾雜等缺陷。31第31頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四(五)斷裂韌性工程上有時(shí)會(huì)出現(xiàn)材料在遠(yuǎn)低于b的情況下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。1943年1月美國(guó)一艘T2油船停泊在裝貨碼頭時(shí)斷成兩半，計(jì)算的甲板應(yīng)力為7Kgmm，遠(yuǎn)低于b(3040）Kgmm。 2232第32頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四美國(guó)北極星導(dǎo)彈固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體在實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)生爆炸

24、，經(jīng)過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)破壞的原因是材料中存在0.11mm的裂紋并擴(kuò)展所致。 斷裂力學(xué)認(rèn)為，材料中存在缺陷是絕對(duì)的，常見(jiàn)的缺陷是裂紋。在應(yīng)力作用下，這些裂紋將發(fā)生擴(kuò)展，一旦擴(kuò)展失穩(wěn)，便會(huì)發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂。材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力稱為斷裂韌性。33第33頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四研究表明，斷裂應(yīng)力c與裂紋長(zhǎng)度2ac之間的關(guān)系為cac ,因此便提出一個(gè)描述裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的指標(biāo)應(yīng)力強(qiáng)度因子K，K=ya (MNm )。式中y是與裂紋形狀、加載方式及試樣幾何尺寸有關(guān)的系數(shù)，可查手冊(cè)得到，為名義外加應(yīng)力(MPa)，a為裂紋的半長(zhǎng)(m)。隨或a增加或兩者同時(shí)增加，K增加

25、，當(dāng)K增大到某一定位時(shí)，裂紋便失穩(wěn)擴(kuò)展而發(fā)生斷裂。這個(gè)K的臨界值就稱做斷裂韌性，用Kc表示 Kc=y c(c為斷裂應(yīng)力,ac為臨界裂紋半長(zhǎng))。K與Kc的關(guān)系，與與c，的關(guān)系類似。因此Kc與s一樣都是材料本身的一種力學(xué)性能指標(biāo)。-1/21/23/2（六）高溫下材料的機(jī)械性能 很多零件是長(zhǎng)期在高溫條件下工作的，例如蒸汽鍋爐中的高溫、高壓管道，柴油機(jī)的進(jìn)、排氣閥，廢氣渦輪的噴咀環(huán)，渦輪葉片等。對(duì)于這些零件，室溫下的機(jī)械性能是不能滿足高溫條件下長(zhǎng)期工作要求的。34第34頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四1、蠕變：金屬在常溫下的靜載強(qiáng)度與載荷持續(xù)時(shí)間關(guān)系不大。但在高溫下卻與載荷持續(xù)

26、時(shí)間關(guān)系很大，隨著載荷作用時(shí)間的延長(zhǎng)，強(qiáng)度便不斷降低。金屬零件長(zhǎng)時(shí)間在高溫和恒應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力小于s，也會(huì)緩慢地產(chǎn)生塑性變形，這種現(xiàn)象稱為儒變。蠕變發(fā)展到最后也能導(dǎo)致斷裂，造成沒(méi)備的重大事故。2、金屬在高溫下的機(jī)械性能指標(biāo) 主要有熱強(qiáng)度和熱硬度（1）熱強(qiáng)度:不能只用應(yīng)力應(yīng)變曲線來(lái)評(píng)定熱強(qiáng)度，還需要考慮溫度和時(shí)間兩個(gè)因素的影響。因此，熱強(qiáng)度是應(yīng)力、應(yīng)變、溫度和時(shí)間綜合作用的反映。熱強(qiáng)度的指標(biāo)有蠕變極限和持久強(qiáng)度。1)儒變極限 ：蠕變極限是金屬長(zhǎng)期在高溫和載荷作用下對(duì)塑性變形的抗力。蠕變極限用 表示，單位為Nmm ；其中，T為材料的工作溫度() ， 為零件的變形量()，t為零件工作時(shí)間(h)。

27、例如，國(guó)內(nèi)外多用1Cr13制作汽輪機(jī)葉片，該材料的蠕變極限 =57Nmm 。即零件在500溫度下，工 作10000h，產(chǎn)生01變形量時(shí)的應(yīng)力值為57Nmm 。 22235第35頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四 2)持久強(qiáng)度 持久強(qiáng)度是金屬材料在高溫和載荷作用下抵抗斷裂的能力。持久強(qiáng)度與b有些相似，用t表示，單位為Nmm 。T為材料的工作溫度()，t為零件工作時(shí)間(h)。 例如，1Crl3的持久強(qiáng)度， =190Nmm ，即在500 溫度下，工作100000h，發(fā)生斷裂時(shí)的強(qiáng)度為190Nmm2（2)熱硬性 金屬材料在高溫下的硬度，是高溫軸承、高速切削刀具、熱作模具材料和某些

28、機(jī)器零件材料的重要指標(biāo)。例如機(jī)械加工中，對(duì)于切削刀具不僅要求在室溫下有較高的硬度，而且在高速切削溫度升高，刀具刃部達(dá)600或更高時(shí)，仍能保持高的硬度。材料在高溫下具有較高硬度的性能，稱熱硬性，又稱高溫硬度。22T36第36頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四第二節(jié) 金屬的工藝性能和物理、化學(xué) 性能1、物理性能材料的物理性能主要有密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和磁性等。由于機(jī)器零件的用途不同，對(duì)其物理性能的要求也有所不同。例如，飛機(jī)零件常選用密度小的鋁、鎂、鈦合金來(lái)制造；設(shè)計(jì)電機(jī)、電器零件時(shí)，常要考慮金屬材料的導(dǎo)電性等。 材料的物理性能有時(shí)對(duì)加工工藝也有一定的影響。例如

29、，高速鋼的導(dǎo)熱性較差，鍛造時(shí)應(yīng)采用低的速度來(lái)加熱升溫，否則容易產(chǎn)生裂紋；而材料的導(dǎo)熱性對(duì)切削刀具的溫升有重大影響。又如，錫基軸承合金、鑄鐵和鑄鋼的熔點(diǎn)不同，故所選的熔煉設(shè)備、鑄型材料等均有很大的不同。37第37頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四2、化學(xué)性能 材料的化學(xué)性能主要是指在常溫或高溫時(shí)，抵抗各種介質(zhì)侵蝕的能力。有耐酸性、耐堿性、抗氧化性等。對(duì)于在腐蝕介質(zhì)中或在高溫下工作的機(jī)器零件，由于比在空氣中或室溫時(shí)的腐蝕更強(qiáng)烈，故在設(shè)計(jì)這類零件時(shí)應(yīng)特別注意金屬材料的化學(xué)性能，并采用化學(xué)穩(wěn)定性良好的合金。如化工設(shè)備、醫(yī)療用具等常采用不銹鋼來(lái)制造，而內(nèi)燃機(jī)排氣閥和電站設(shè)備的一些零

30、件則常選用耐熱鋼來(lái)制造。38第38頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四（1）比重對(duì)于飛機(jī)、汽車、車輛等要求減輕自重的機(jī)械，采用比重小的金屬材料很必要， 盡管鋁合金強(qiáng)度小于鋼，但它的比重卻小很多，用鋁合金代替鋼制造同一零件，其重量可減少很多。高速柴油機(jī)的活塞為了減少由于慣性而消耗的功率，故用鋁合金制造。同樣，強(qiáng)度高比重小的太合金在航空與導(dǎo)彈工業(yè)上也得到廣泛應(yīng)用。常用金屬材料的比重如下：銅合金約為88，錫基軸承合金為74，鋼為78，灰鑄鐵為715，鈦合金約為45，鋁合金約為27，鎂合金約為1 8。（2）熔點(diǎn)金屬和合金的鑄造與焊接需利用這個(gè)性能。熔點(diǎn)低的合金可用來(lái)制造焊錫，保險(xiǎn)絲

31、(鉛、錫、鉍、鎘的合金)，鉛字(鉛與鉍的合金)等，熔點(diǎn)較高的合金用來(lái)制造機(jī)器零件，結(jié)構(gòu)件與耐熱零件。常用金屬和合金的熔點(diǎn)如下：錫232 ，鉛327 ，鋁658 ，銅1083 ，鐵11301350 ，鋼14001500 ，鈦1677 ，鉬2625 ；鎢3380 39第39頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四（3）熱膨脹性 材料受熱后體積膨脹，有些機(jī)械零，部件,如柴油機(jī)活塞與缸套間間隙很小，既要容許活塞在缸套內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)又應(yīng)保正氣密，為此，活塞與缸套材料的熱膨脹性要相近,以免兩者卡住或漏氣熱膨脹性用熱脹系數(shù)來(lái)表示，金屬熱膨脹系數(shù) =1/L L/ t其中L為長(zhǎng)度，L為伸長(zhǎng)量,gt為

32、溫度差， 的單位為毫米度毫米。 的具體數(shù)值如下，鋼鐵為0000012,鋁000024，銅為O000017，錫基軸承合金為O000023。（4）導(dǎo)電性 ：材料傳導(dǎo)電流的能力叫做導(dǎo)電性。合金的導(dǎo)電性一般均比純金屬差。純鋼、純鋁導(dǎo)電性可用作導(dǎo)電線，而NiCr合金，F(xiàn)e-MnAI合金， Fe-CrAI合金電阻大，可用作電阻絲.（5）導(dǎo) 熱性 金屬中銀和銅導(dǎo)熱性最好。純金屬導(dǎo)熱性比合金好要，如合金鋼導(dǎo)熱比碳鋼差，其加熱進(jìn)度就要慢一些，制造散熱器、熱交換器與活塞等的材料，導(dǎo)熱性要好。 40第40頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)56分，星期四（6）磁 性 鐵具有最大的磁性是鈷,鎳次之，它們被叫做鐵磁性金屬， 其他常用純金屬大都沒(méi)有鐵磁性。而鐵磁金屬當(dāng)加熱到某一溫度，就喪失磁性，這個(gè)溫度叫居里溫度。金屬的磁性對(duì)電機(jī)、變壓器和電器元件特別重要， 例如，制造永久磁鐵電機(jī)，變壓器等要用硬磁鋼（鎢鋼、鉻鋼、Al-Ni-Co）或軟磁鋼（硅鋼片或鐵鎳合金）。（7）抗腐性(或