機(jī)械工程材料-第一章-金屬材料的性能

第一章材料的性能使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。工藝性能：材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削性能等。神舟一號(hào)飛船1.1金屬的物理性能和化學(xué)性能1.1.1金屬的物理性能1.1.2金屬的化學(xué)性能1.1.1金屬的物理性能1.密度某種物質(zhì)單位體積的質(zhì)量稱為該物質(zhì)的密度。金屬的密度即是單位體積金屬的質(zhì)量。密度的表達(dá)式如下：

(1.1)式中——物質(zhì)的密度(kg／m3)；

m——物質(zhì)的質(zhì)量(kg)；

v——物質(zhì)的體積(m3)。1.1.1金屬的物理性能密度是金屬材料的特性之一。不同金屬材料的密度是不同的。在體積相同的情況下，金屬材料的密度越大，其質(zhì)量(重量)也就越大。金屬材料的密度，直接關(guān)系到由它所制成設(shè)備的自重和效能。一般將密度小于5×lO3kg／m3的金屬稱為輕金屬，密度大于5×lO3kg／m3的金屬稱為重金屬。利用密度公式可以計(jì)算大型零件的質(zhì)量，測(cè)量金屬的密度可以鑒別金屬和確定某些金屬鑄件的致密程度。1.1.1金屬的物理性能2.熔點(diǎn)金屬和合金從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度稱為熔點(diǎn)。金屬都有固定的熔點(diǎn)。合金的熔點(diǎn)決定于它的成分，例如鋼和生鐵雖然都是鐵和碳的合金，但由于含碳量不同，熔點(diǎn)也不同。熔點(diǎn)對(duì)于金屬和合金的冶煉、鑄造、焊接是重要的工藝參數(shù)。熔點(diǎn)高的金屬稱為難熔金屬(如鎢、鉬、釩等)，可以用來制造耐高溫零件，如在火箭、導(dǎo)彈、燃?xì)廨啓C(jī)和噴氣飛機(jī)等方面得到廣泛應(yīng)用。熔點(diǎn)低的金屬稱為易熔金屬(如錫、鉛等)，可以用來制造印刷鉛字(鉛與銻的合金)、保險(xiǎn)絲(鉛、錫、鉍、鎘的合金)和防火安全閥等零件。1.1.1金屬的物理性能3.導(dǎo)熱性金屬材料傳導(dǎo)熱量的性能稱為導(dǎo)熱性。導(dǎo)熱性的大小通常用熱導(dǎo)率來衡量。熱導(dǎo)率的符號(hào)是λ，單位是W/(m·K)。熱導(dǎo)率越大，金屬的導(dǎo)熱性越好。金屬的導(dǎo)熱能力以銀為最好，銅、鋁次之。合金的導(dǎo)熱性比純金屬差。1.1.1金屬的物理性能4.導(dǎo)電性金屬材料傳導(dǎo)電流的性能稱為導(dǎo)電性。衡量金屬材料導(dǎo)電性能的指標(biāo)是電阻率ρ，電阻率的單位是Ω·cm，電阻率越小，金屬導(dǎo)電性越好。金屬導(dǎo)電性以銀為最好，銅、鋁次之。合金的導(dǎo)電性比純金屬差。導(dǎo)電性好的金屬如純銅、純鋁，適于做導(dǎo)電材料，導(dǎo)電性差的金屬如康銅和鐵鉻鋁合金適于做電熱元件。1.1.1金屬的物理性能5.熱膨脹性金屬材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性稱為熱膨脹性。一般來說，金屬受熱時(shí)膨脹而體積增大，冷卻時(shí)收縮而體積縮小。熱膨脹性的大小用線脹系數(shù)αl和體脹系數(shù)αV來表示。線脹系數(shù)計(jì)算公式如下：（1.2）式中——線脹系數(shù)(1／K或1／℃)；

——膨脹前長(zhǎng)度(m)；

——膨脹后長(zhǎng)度(m)；

——溫度變化量(K或℃)。

1.1.1金屬的物理性能6.磁性金屬材料在磁場(chǎng)中受到磁化的性能稱為磁性。根據(jù)金屬材料在磁場(chǎng)中受到磁化程度的不同，可分為鐵磁性材料(如鐵、鈷等)、順磁性材料(如錳、鉻等)、抗磁性材料(如銅、鋅等)三類。鐵磁性材料在外磁場(chǎng)中能強(qiáng)烈地被磁化；順磁性材料在外磁場(chǎng)中，只能微弱地被磁化；抗磁性材料能抗拒或削弱外磁場(chǎng)對(duì)材料本身的磁化作用。工程上實(shí)用的強(qiáng)磁性材料是鐵磁性材料。鐵磁性材料當(dāng)溫度升高到一定數(shù)值時(shí)，磁疇被破壞，變?yōu)轫槾朋w，這個(gè)轉(zhuǎn)變溫度稱為居里點(diǎn)。如鐵的居里點(diǎn)是770℃。1.1.2金屬的化學(xué)性能1.耐腐蝕性金屬材料在常溫下抵抗氧、水蒸氣及其它化學(xué)介質(zhì)腐蝕破壞作用的能力，稱為耐腐蝕性。腐蝕作用對(duì)金屬材料的危害很大。它不僅使金屬材料本身受到損傷，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使金屬構(gòu)件遭到破壞，引起重大的傷亡事故。這種現(xiàn)象在制藥、化肥、制酸、制堿等化工部門更應(yīng)引起足夠的重視。因此，提高金屬材料的耐腐蝕性能，對(duì)于節(jié)約金屬、延長(zhǎng)金屬材料的使用壽命，具有現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)意義。1.1.2金屬的化學(xué)性能2.抗氧化性金屬材料在加熱時(shí)抵抗氧化作用的能力，稱為抗氧化性。金屬材料的氧化隨溫度升高而加速，例如鋼材在鑄造、鍛造、熱處理、焊接等熱加工作業(yè)時(shí)，氧化比較嚴(yán)重。這不僅造成材料過量的損耗，也可形成各種缺陷。為此，常在工件的周圍造成一種保護(hù)氣氛，避免金屬材料的氧化。1.1.2金屬的化學(xué)性能3.化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性是金屬材料的耐腐蝕性和抗氧化性的總稱。金屬材料在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性稱為熱穩(wěn)定性。在高溫條件下工作的設(shè)備(如鍋爐、加熱設(shè)備、汽輪機(jī)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等)上的部件需要選擇熱穩(wěn)定性好的材料來制造。1.2力學(xué)性能1.2.1彈性和剛度1.2.2強(qiáng)度和塑性1.2.3沖擊韌性1.2.4疲勞1.2.5硬度1.2.6斷裂韌性材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。外力去處后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形。外力去處后不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。五萬噸水壓機(jī)低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線拉伸試樣拉伸試驗(yàn)機(jī)應(yīng)力

=P/F0應(yīng)變

=(l-l0)/l01.2.1彈性和剛度彈性：指標(biāo)為彈性極限e，即材料承受最大彈性變形時(shí)的應(yīng)力。剛度：材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。指標(biāo)為彈性模量E。e彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強(qiáng)化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對(duì)彈性模量的影響很小?？梢酝ㄟ^增加橫截面積或改變截面形狀來提高零件的剛度。

1.2.2強(qiáng)度與塑性強(qiáng)度：材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。

屈服強(qiáng)度s：材料發(fā)生微量塑性變形時(shí)的應(yīng)力值。

條件屈服強(qiáng)度0.2：殘余變形量為0.2%時(shí)的應(yīng)力值。

抗拉強(qiáng)度b：材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。s0.2塑性：材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。

指標(biāo)為：

伸長(zhǎng)率：斷面收縮率：斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象說明：①

用面縮率表示塑性比伸長(zhǎng)率更接近真實(shí)變形。②直徑d0相同時(shí)，l0，。只有當(dāng)l0/d0為常數(shù)時(shí)，塑性值才有可比性。當(dāng)l0=10d0時(shí)，伸長(zhǎng)率用

表示；當(dāng)l0=5d0時(shí)，伸長(zhǎng)率用5表示。顯然5>③

>時(shí)，無頸縮，為脆性材料表征

<時(shí)，有頸縮，為塑性材料表征1.2.3沖擊韌性是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。指標(biāo)為沖擊韌性值ak(通過沖擊實(shí)驗(yàn)測(cè)得)。韌脆轉(zhuǎn)變溫度材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變溫度。材料的使用溫度應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。韌體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而大多數(shù)面心立方金屬?zèng)]有。TITANIC建造中的Titanic號(hào)TITANIC的沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)Titanic號(hào)鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果Titanic近代船用鋼板1.2.4疲勞材料在低于s的重復(fù)交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力稱為疲勞極限。用-1表示。鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107，有色金屬合金為108。疲勞應(yīng)力示意圖疲勞曲線示意圖疲勞斷口通過改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進(jìn)行表面強(qiáng)化等方法可提高材料疲勞抗力。軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）1.2.5硬度材料抵抗表面局部塑性變形的能力。布氏硬度HB布氏硬度計(jì)

壓頭為鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，用符號(hào)HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。符號(hào)HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值,符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間。如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(cè)得的布氏硬度值為120。布氏硬度壓痕布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。適于測(cè)量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼,

鑄鐵及有色金屬的硬度。材料的b與HB之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：對(duì)于低碳鋼:

b(MPa)≈3.6HB

對(duì)于高碳鋼：b(MPa)≈3.4HB

對(duì)于鑄鐵：

b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈

0.6(HB-40)HBb(MPa)鋼黃銅球墨鑄鐵洛氏硬度h1-h0洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度計(jì)洛氏硬度用符號(hào)HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個(gè)標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為A、B、C。

符號(hào)HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。HRA用于測(cè)量高硬度材料,如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。HRB用于測(cè)量低硬度材料,如有色金屬和退火、正火鋼等。HRC用于測(cè)量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，壓痕小，適用范圍廣。缺點(diǎn)：測(cè)量結(jié)果分散度大。鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕維氏硬度維氏硬度計(jì)維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度壓痕維氏硬度用符號(hào)HV表示，符號(hào)前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時(shí)間。根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了三種測(cè)定方法—維氏硬度試驗(yàn)、小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)、顯微維氏硬度試驗(yàn)。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)。小負(fù)荷維氏硬度計(jì)顯微維氏硬度計(jì)1.2.6斷裂韌性油輪斷裂和北極星導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體爆炸與材料中存在缺陷有關(guān)

1943年美國(guó)T-2油輪發(fā)生斷裂北極星導(dǎo)彈裂紋擴(kuò)展的基本形式應(yīng)力強(qiáng)度因子：描述裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的指標(biāo)。斷裂韌性：材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。C為斷裂應(yīng)力，aC為臨界裂紋半長(zhǎng)，單位為Y為與試樣和裂紋幾何尺寸有關(guān)的量。若K1大于K1C，構(gòu)件發(fā)生失穩(wěn)脆斷，反之構(gòu)件安全。若已知斷裂韌性和工作應(yīng)力，則可確定裂紋臨近尺寸，若實(shí)際尺寸a小于臨界尺寸a0，則安全。1.2.9高溫機(jī)械性能溫度升高對(duì)力學(xué)性能都產(chǎn)生不利影響。溫度升高后，彈性模量、屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度等都降低，特別是應(yīng)變硬化指數(shù)降低較大。金屬長(zhǎng)時(shí)間在恒溫（特別是高溫）和恒載作用下，即使應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度，也會(huì)產(chǎn)生塑性變形，該現(xiàn)象稱為蠕變。該變形導(dǎo)致材料產(chǎn)生的斷裂成為蠕變斷裂。短時(shí)