第一章工程材料的性能

1第1章工程材料的性能1.1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1.3

工程材料的工藝性能2前提：材料的分類復(fù)合材料Way?分類：組成成分：金屬材料、無機非金屬材料（二氧化硅氣凝膠、水泥、玻璃、陶瓷）、

有機高分子材料（塑料、橡膠、纖維）、陶瓷材料、復(fù)合材料（碳纖維）等；使用功能：結(jié)構(gòu)材料和功能材料

4工程材料分類5各類材料的特點金屬材料——主要為金屬鍵。熱和電的良導(dǎo)體；具有良好的強度與延展性以及金屬光澤。陶瓷材料——通常為離子鍵或共價鍵。絕緣體，而且比較耐熱。高分子材料——通常為共價鍵、分子鍵和氫鍵，以共價鍵為主。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——性能的復(fù)合。玻璃纖維增強高分子復(fù)合材料工程材料包括結(jié)構(gòu)材料、功能材料結(jié)構(gòu)材料——以強度、韌性、塑性等機械性能為主要要求。功能材料——以特殊物理性能與化學(xué)性能為主要要求。“性能”7鑄造性可鍛性可焊性切削加工性熱處理性工程材料的性能

使用性能力學(xué)性能*物理性能化學(xué)性能

工藝性能1.1

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？8

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)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開裂的性能。力學(xué)性能9

機械設(shè)計中應(yīng)首先考慮材料的力學(xué)性能。

通俗地講,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。力學(xué)性能指標:彈性、剛度、塑性、韌性、強度、硬度、疲勞強度等。工程材料的機械性能

――材料在受力時的性質(zhì)。（也稱力學(xué)性能）。10力學(xué)性能試驗：靜載單向靜拉伸應(yīng)力―應(yīng)變曲線

拉伸機上，低碳鋼緩慢加載單向靜拉伸曲線拉伸試驗機11曲線分為四階段：1．階段I（oab段）―彈性變形階段a:Pp

b:Pe

（不產(chǎn)生永久變形的最大抗力）oa段：△L∝P

直線階段ab段：極微量塑性變形（0.001--0.005%)2．階段II（bcd段）―屈服變形c:屈服點

Ps屈服現(xiàn)象：金屬材料開始產(chǎn)生明顯塑性變形的標志。

拉伸機上，低碳鋼緩慢加載單向靜載拉伸曲線

III123．階段III（dB段）―均勻塑性變形階段B:

Pb

材料所能承受的最大載荷4．階段IV(BK段)―局部集中塑性變形低Ｃ鋼、正火、退火調(diào)質(zhì)中Ｃ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。鑄鐵、陶瓷：只有第I階段中、高碳鋼：沒有第II階段頸縮

拉伸機上，低碳鋼緩慢加載單向靜載拉伸曲線

IIIIV13低Ｃ鋼、正火、退火調(diào)質(zhì)中Ｃ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。鑄鐵、陶瓷：只有第I階段中、高碳鋼：沒有第II階段

141.1.1強度(strength)

單位：MPa(MN/mm2)公式：σ=P/Fo

物理意義:材料在載荷作用下抵抗變形和破壞的能力。

抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度、抗扭強度等。――材料所能承受的極限應(yīng)力.

151．屈服強度σs(yieldstrength)a:

σs=Ps/Fo

Ps

σs=(Mpa)F0試樣屈服時的載荷(N)試樣原始橫截面積(mm2)σs：代表材料開始明顯塑性變形的抗力,是設(shè)計和選材的主要依據(jù)之一。16

b:

σ0.2條件屈服強度

中高碳鋼等無屈服點。國家標準－－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：σb=σs

，如灰口鑄鐵P0.2

σ0.2=(Mpa)F0試樣產(chǎn)生0.2%殘余塑性變形時的載荷(N)試樣原始橫截面積(mm2)172．抗拉強度(tensilestrength)σb=Pb/Fo

材料被拉斷前所承受的最大應(yīng)力值。Pb

σb=(Mpa)F0試樣斷裂前的最大載荷(N)試樣原始橫截面積(mm2)σb：代表材料抵抗外力而不致斷裂的極限應(yīng)力值。183．疲勞強度σ-1(fatiguestrength)

疲勞現(xiàn)象：

承受載荷的大小和方向隨時間作周期性變化。在交變應(yīng)力作用下，往往在遠小于強度極限，甚至小于屈服極限的應(yīng)力下發(fā)生斷裂。（80%的斷裂由疲勞造成）

影響因素：循環(huán)應(yīng)力特征、溫度、材料成分和組織、夾雜物、表面狀態(tài)、殘余應(yīng)力等。1943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂19

疲勞極限σ-1：

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。條件疲勞極限：

經(jīng)受107應(yīng)力循環(huán)而不致斷裂的最大應(yīng)力值。鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取N=107有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取N=108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陶瓷、高分子材料－疲勞抗力很低；金屬材料－疲勞強度較高；纖維增強復(fù)合材料－較好的抗疲勞性能。201.1.2、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。延伸率與試樣尺寸有關(guān)，d5,

d10(Lo=5do,10do)。1．延伸率（specificelongation）

δ<2~5%屬脆性材科δ≈5~10%屬韌性材料δ>10%屬塑性材料

是指試樣拉斷后的標距伸長量Lk與原始標距L0之比。Lk:試樣拉斷后最終標距長度。21

ψ=△F/Fo=(Fo-Fk)/Fox100%

ψ越大，塑性愈好

ψ<5%,脆性材料2.斷面收縮率(percentagereductioninarea):

－試樣拉斷處橫截面積Ｆk的收縮量與原始橫截面積F0之比。F0-Fk

ψ=×100%F0221.1.3硬度(hardness)

－抵抗外物壓入的能力，是材料綜合性能指標。1．布氏硬度HB(Brinell-hardness)

適用于未經(jīng)淬火的鋼、鑄鐵、有色金屬或質(zhì)地輕軟的軸承合金。布氏硬度計

適用范圍:

＜450HBS;

＜650HBW;232．洛氏硬度HR(Rockwllhardness)

定義：每0.002mm相當(dāng)于洛氏1度洛氏硬度常用標尺有：B、C、A三種①HRB輕金屬，未淬火鋼②HRC較硬，淬硬鋼制品③HRA硬、薄試件h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計10HRC≈HBS243．維氏硬度(diamondpenetratorhardness)

――科學(xué)試驗

維氏硬度的壓力一般可選5，10，20，30，50，100，120kg等，小于10kg的壓力可以測定顯微組織硬度。適用范圍:

測量薄板類;HV≈HBS。251.1.4、沖擊韌性(notchtoughness)－材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。試樣沖斷時所消耗的沖擊功Ak為:Ak=mgH–mgh(J)

沖擊韌性值ak就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。AKak=(J/cm2)S0

ak值低－脆性材料：斷裂時無明顯變形，金屬光澤，呈結(jié)晶狀。ak值高－韌性材料：明顯塑變，斷口呈灰色纖維狀，無光澤。26韌性與溫度有關(guān)——脆性轉(zhuǎn)變溫度TK溫度對沖擊韌性的影響271.1.5疲勞強度σ-1(fatiguestrength)

疲勞現(xiàn)象：

承受載荷的大小和方向隨時間作周期性變化。在交變應(yīng)力作用下，往往在遠小于強度極限，甚至小于屈服極限的應(yīng)力下發(fā)生斷裂。（80%的斷裂由疲勞造成）

影響因素：循環(huán)應(yīng)力特征、溫度、材料成分和組織、夾雜物、表面狀態(tài)、殘余應(yīng)力等。1943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂28

疲勞極限σ-1：

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。條件疲勞極限：

經(jīng)受107應(yīng)力循環(huán)而不致斷裂的最大應(yīng)力值。鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取N=107有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取N=108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陶瓷、高分子材料－疲勞抗力很低；金屬材料－疲勞強度較高；纖維增強復(fù)合材料－較好的抗疲勞性能。291.2、工程材料的物理性能和化學(xué)性能（一）、熱學(xué)性能1．熱膨脹――原子（或分子）受熱后平均振幅增加（1）體積膨脹系數(shù)β；（2）線膨脹系數(shù)α。結(jié)合鍵越強則原子間作用力越大，原子離開平衡位置所需的能量越高，則膨脹系數(shù)越小。2．熱傳導(dǎo)――自由電子的運動和晶格振動。導(dǎo)熱系數(shù)λ：單位溫度梯度下，單位時間內(nèi)通過單位垂直面積的熱量。3．熱容：材料在溫度升高10℃時所吸收的熱量叫做熱容。

1克物質(zhì)的熱容叫比熱。材料的熱學(xué)性能與原子和自由電子的能量交換密切相關(guān)。30（二）、電磁學(xué)性能1、導(dǎo)電性電阻率：ρ電導(dǎo)率：1/ρ超導(dǎo)體：ρ——0導(dǎo)體：ρ=10-8－10-5半導(dǎo)體：ρ=10-5－107絕緣體：ρ=107－10222、磁性R＝ρL／S（1．物質(zhì)接磁性分類：（2．磁化率磁化強度M＝X·H

X：磁化率（或磁化系數(shù)）（3．導(dǎo)磁率B＝μ·H（μ：介質(zhì)導(dǎo)磁率）（4．磁彈回線和矯頑力抗磁性物質(zhì)順磁性物質(zhì)鐵磁性物質(zhì)31（三）、比重和熔點

1．比重

2．熔點（四）、耐磨性能*（五）、抗蝕性能*321.3、工程材料的工藝性能1.鑄造性能（流動性、收縮、偏析傾向）

鑄造鋁、銅合金>鑄鐵（灰口）>鑄鋼（共晶點附近最好）2.鍛造性能（塑性、變形抗力）低碳鋼>中碳鋼（低合金鋼）>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）低碳鋼>中碳鋼（低合金鋼）>高碳鋼（高合金鋼）>銅、鋁合金4.切削性能（切削難易程度、加工表面質(zhì)量）5.熱處