第1章 材料的力學(xué)性能

工程材料的分類按組成特點分：金屬材料高分子材料非金屬材料復(fù)合材料陶瓷材料材料、信息、能源稱為現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱。

鑄造性能可鍛性能可焊性能熱處理性工藝性切削加工性能工程材料的性能

使用性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能工藝性能第１章材料的力學(xué)性能1.1材料的靜載力學(xué)性能

1.2材料的非靜載力學(xué)性能

基本內(nèi)容和要求掌握金屬主要機械性能：強度、塑性、韌性、硬度的概念和應(yīng)用

方法：概念較多、實踐性強，要聯(lián)系實際加深理解和記憶材料的力學(xué)性能是指材料在外力作用下所表現(xiàn)出的特性。外力→彈性變形→失效作用在機件上的外力——載荷靜載荷動載荷常見的失效形式斷裂塑性變形過量彈變磨損腐蝕力學(xué)性能bs強度塑性剛度硬度韌性疲勞強度失效形式與力學(xué)性能的關(guān)系失效形式斷裂塑性變形過量彈變磨損1.1.1拉伸試驗拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試驗機kbb—極限載荷點Fee—彈性極限點sS—屈服點K—斷裂點拉伸曲線FFL應(yīng)力—應(yīng)變曲線縮頸o彈性變形－－隨外力消失而消失的變形FFF彈性：受外力作用時產(chǎn)生變形，外力去掉后能恢復(fù)原來形狀的性能。剛度：材料在外力作用下抵抗彈性變形的能力。（彈性模量E的大小主要取決于各種材料的本性）1.1.2彈性與剛度塑性變形產(chǎn)生永久的不可恢復(fù)的變形FFF當(dāng)材料單位面積上所受的應(yīng)力σe<σ<σs時，只產(chǎn)生微量的塑性變形。當(dāng)σ>σs時，材料將產(chǎn)生明顯的塑性變形。條件屈服強度:σ0.2=F0.2/S0（MPa）1.強度材料在外力作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。（1）屈服強度（σS、σ0.2

）指材料在外力作用下，產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的應(yīng)力。σS=Fs/S0（MPa）它表征了材料抵抗微量塑性變形的能力。屈服強度—是塑性材料選材和評定的依據(jù)。1.1.3強度與塑性對于塑性差的材料，用σ0.2來代替σskbFes100%0.2%b

σb=Fb/S0（MPa）（2）抗拉強度（σb）抗拉強度是材料在拉斷前承受最大載荷時的應(yīng)力。它表征了材料在拉伸條件下所能承受的最大應(yīng)力?？估瓘姸取谴嘈圆牧线x材的依據(jù)。屈強比σs/σb小，則工程構(gòu)件可靠性高

σbσsσeεσ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2.塑性常用δ和ψ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。斷面收縮率:FFLδ↑、Ψ↑塑性越好

δ<2~5% 屬脆性材科δ≈5~10% 屬韌性材料δ>10% 屬塑性材料任何零件都需要一定塑性。塑性變形可以緩解應(yīng)力集中、削減應(yīng)力峰值。防止過載斷裂；增加可靠性。良好的塑性是金屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。1.1.4硬度(hardness)抵抗更硬的物體壓入其內(nèi)的能力。抵抗局部塑性變形的能力通常材料的強度越高，硬度也越高，耐磨性越好。1.布氏硬度HB(Brinell-hardness)

F用一定載荷P，將直徑為D的球體，壓入被測材料的表面，保持一定時間后卸去載荷，根據(jù)壓痕面積大小確定硬度值。

測量HBS<450的較軟金屬采用淬火鋼球測量HBW450-650的材料采用硬質(zhì)合金鋼球exp:120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。布氏硬度試驗布氏硬度計

布氏硬度特點布氏硬度測量的優(yōu)點：測量數(shù)值穩(wěn)定，準(zhǔn)確

缺點：操作慢，不適用批量生產(chǎn)和薄形件布氏硬度適用于：鑄鐵，有色金屬退火、正火、調(diào)質(zhì)處理鋼（未經(jīng)淬火的鋼）原材料，毛坯當(dāng)HBS<450時有效（HBW450-650)低碳鋼：σb≈3.6HB高碳鋼：σb≈3.4HB調(diào)質(zhì)合金鋼：σb≈3.25HB2.洛氏硬度HR(Rockwellhardness)洛氏硬度一般用于HB>450FFF120010HRC≈HBS將標(biāo)準(zhǔn)壓頭用規(guī)定壓力壓入被測材料的表面，根據(jù)壓痕深度來確定硬度值根據(jù)壓頭的材料及所加的負(fù)荷不同又可分為HRA、HRB、HRC三種洛氏硬度試驗原理：HR=(k-h)/0.002對金剛石圓錐壓頭k=0.2mm對鋼球壓頭k=0.26mm洛氏硬度特點洛氏硬度測量的優(yōu)點：操作簡便，壓痕小可用于成品和薄形件

缺點：測量數(shù)值分散HRC洛氏硬度適用于：淬火鋼，調(diào)質(zhì)鋼批量生產(chǎn)的零件當(dāng)HRC20-70時有效3.維氏硬度HV

(diamondpenetratorhardness)適用范圍:

測量薄板類

HV≈HBS1．沖擊韌度

(impacttoughness)

AK=G（H1–H2）（J）ak=

AK/S（J/m2）

金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。

1.2材料的非靜載力學(xué)性能許多機械零件和工具在工作中，往往要受到?jīng)_擊載荷的作用，如活塞銷、錘桿、沖模和鍛模等，材料抵抗沖擊載荷作用的能力稱為沖擊性能。2．多沖擊力(impactsresistance)

試樣受小能量多次沖擊下，試樣斷裂前的沖擊次數(shù)。材料的多沖擊抗力在沖擊能量高時，主要取決于塑性，而抵抗小能量多次沖擊的能力主要取決于強度。在沖擊載荷下工作的零件，很少是受大能量一次沖擊而破壞的；往往是受小能量多次重復(fù)沖擊而破壞的。3．疲勞強度(fatiguestrength)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應(yīng)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度時，會發(fā)生突然的斷裂。而且是脆性斷裂。據(jù)統(tǒng)計，約80%的機件失效為疲勞破壞。有色金屬：鋼材的疲勞強度與抗拉強度之間的關(guān)系:σ-1

=(0.45～0.55)σb

橋梁、船舶、大型軋輥、轉(zhuǎn)子等有時會發(fā)生低應(yīng)力脆斷，這種斷裂的名義斷裂應(yīng)力低于材料的屈服強度。究其原因是構(gòu)件或零件內(nèi)部存在著裂紋和類似裂紋的缺陷造成的。裂紋在應(yīng)力作用下可失穩(wěn)而擴展，導(dǎo)致機件破斷。裂紋尖端附近各點應(yīng)力大小取決于其應(yīng)力強度因子K1。當(dāng)增大到某一值時，使裂紋擴展引起脆斷，此臨界值稱為斷裂韌性K1c，用來表示材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展斷裂的能力，K1c可通過試驗測定。

1.3材料的斷裂韌度油輪斷裂和北極星導(dǎo)彈發(fā)動機殼體爆炸與材料中存在缺陷有關(guān)

1943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂北極星導(dǎo)彈裂紋擴展的基本形式

材料的蠕變是指材料在較高的溫度下，外力低于其屈服極限時，產(chǎn)生的隨時間的延長而產(chǎn)生塑性變形乃至斷裂的現(xiàn)象。金屬材料及陶瓷一般在約為0.3-0.5熔點，就會發(fā)生蠕變。常用的蠕變性能指標(biāo)：①蠕變極限是以給定溫度下和規(guī)定時間內(nèi)，使試樣產(chǎn)生一定蠕變伸長量的應(yīng)力作為蠕變極限；

②持久強度是表征材料在高溫載荷長期作用下抵抗斷裂的能力，是試樣在給定溫度經(jīng)規(guī)定時間發(fā)生斷裂的應(yīng)力。

1.4材料的高、低溫力學(xué)性能1.高溫力學(xué)性能低溫冷脆是指材料在較低溫度下，會發(fā)生脆性增大的現(xiàn)象，顯然發(fā)生冷脆的溫度越低，材料的低溫性能就越好。

2.低溫力學(xué)性能建造中的Titanic號TITANIC的沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)

牌號力學(xué)性能應(yīng)用

δHBSHRCQ235-A40023526工程結(jié)構(gòu)45鋼6101622955*軸、桿ZG310-570570310153鑄鋼件ZAlSi2143450活塞HT250250氣缸體QT700-27004202270曲軸注：*為淬火后硬度值。幾種常用材料的力學(xué)性能三、工程材料的工藝性能工藝性能是指制造工藝過程中材料適應(yīng)加工的性能，即指其鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能。磁性是設(shè)計、工藝上應(yīng)考慮的重要性能能磁化材料不能磁化材料補充：金屬材料的其它性能

1．物理性能密度ρ

：單位體積的質(zhì)量密度影響產(chǎn)品的重量、性能比強度σb

/ρ硬磁性材料：外加磁場去除后，材料磁性保留軟磁性材料：外加磁場去除后，材料磁性消失熔點

是熱加工的重要工藝參數(shù)是設(shè)計選材的重要依據(jù)熱膨脹性（線膨脹系數(shù)α）是設(shè)計、工藝上應(yīng)考慮的重要性能導(dǎo)熱性（導(dǎo)熱系數(shù)λ）是傳熱設(shè)備應(yīng)考慮的重要性能防止材料內(nèi)外溫差過大金屬越純→導(dǎo)熱性越好導(dǎo)電性（電阻率）是設(shè)計導(dǎo)電、絕緣零件的重要性能金屬越純→導(dǎo)電性越好溫度越高→導(dǎo)電性越差2．化學(xué)性能

材料的化學(xué)性能主要：

耐腐蝕性高溫抗氧化性

化學(xué)穩(wěn)定性金屬腐蝕的分類：化學(xué)腐蝕：由純化學(xué)反應(yīng)引起氧化膜疏松→氧化深入→向內(nèi)部腐蝕致密→腐蝕被抑制→保護(hù)內(nèi)部金屬電化學(xué)腐蝕：由電化學(xué)反應(yīng)引起防止腐蝕的辦法1改變金屬成分（合金化）