第一章金屬材料的性能

第一章金屬材料的性能1.1工程材料的分類一、按來源分為天然材料和人工材料二、接用途分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料結(jié)構(gòu)材料以力學(xué)性能為主，主要用于機(jī)械工程和建筑行業(yè)中。結(jié)構(gòu)材料以特殊的物理、化學(xué)性能為主，具有聲、光、電、磁和熱等功能和效應(yīng)的材料。聲——隔音材料光——光纖三、按化學(xué)性質(zhì)分為電——半導(dǎo)體材料，如二極管、晶體管等用于集成電路和通訊設(shè)備中磁——磁性材料，磁性是物質(zhì)普遍存在的屬性。

磁性材料：只可以通過磁光、磁電或磁熱效應(yīng)應(yīng)用于各類功能器件的材料。主要用于信息記錄和存儲。是計算機(jī)外圍設(shè)備的關(guān)鍵材料，也是軟件和信息庫的基礎(chǔ)，用作磁記錄介質(zhì)。如，磁帶、磁卡、磁盤等。四、工程材料的常見分類1、無機(jī)材料（金屬、金屬間化合物、無機(jī)非金屬材料（玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷2、有機(jī)材料（有機(jī)天然材料、有機(jī)合成高分子材料）3、復(fù)合材料

（金屬基、陶瓷基、樹脂基、金屬間化合物基）復(fù)合材料——由兩種或兩種以上、具有明顯界面和特殊性能的人工合成的多相固體材料。組成包括基體和增強(qiáng)相。例如，玻璃鋼（基體：樹脂+增強(qiáng)相：玻璃纖維），具有高的比強(qiáng)度，密度小，耐熱，耐絕緣。主要用于軸承，軸承架，齒輪，車身。五.工程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。1.2材料的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能主要有：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度、疲勞極限和斷裂韌度。（一）強(qiáng)度的概念（二）強(qiáng)度的測定——拉伸實驗（三）強(qiáng)度指標(biāo)一、強(qiáng)度返回上一頁下一頁回主頁（一）強(qiáng)度的概念

1.定義

指金屬在靜載荷作用下，抵抗塑性變形或斷裂的能力。

載荷的類型通常分為：靜載荷、動載荷和變載荷。彈性變形：卸去載荷后，試樣能恢復(fù)到原狀的變形。塑性變形：卸去載荷后，試樣不能恢復(fù)到原狀的變形。

2.應(yīng)用

強(qiáng)度是機(jī)械零件（或工程構(gòu)件）在設(shè)計、加工、使用過程中的主要性能指標(biāo)，特別是選材和設(shè)計的主要依據(jù)。返回上一頁下一頁回主頁（二）強(qiáng)度的測定——拉伸實驗1.拉伸試樣（GB6397-86）和拉伸試驗機(jī)2.力—伸長曲線（以低碳鋼試樣為例）3.脆性材料的拉伸曲線返回上一頁下一頁回主頁1.拉伸試樣（GB6397-86）長試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0返回上一頁下一頁回主頁拉伸試驗機(jī)2.力——伸長曲線彈性變形階段屈服階段頸縮現(xiàn)象拉伸試驗中得出的拉伸力與伸長量的關(guān)系曲線。強(qiáng)化階段返回上一頁下一頁回主頁

拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象ΔLF03.脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對比）脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象。

返回上一頁下一頁回主頁低碳鋼的拉伸曲線脆性材料的拉伸曲線（三）強(qiáng)度指標(biāo)

2.屈服點在拉伸試驗過程中，載荷不增加，試樣仍能繼續(xù)伸長時的應(yīng)力，用符號σs表示。返回上一頁下一頁回主頁

1.彈性極限材料產(chǎn)生完全變形時所承受的最大應(yīng)力值，用符號σe表示。FsA0σs=計算公式脆性材料（如高碳鋼或經(jīng)過熱處理后的鋼）的屈服點（規(guī)定殘余伸長應(yīng)力）：試樣卸除載荷后，其標(biāo)距部分的殘余伸長率達(dá)到試樣標(biāo)距長度的0.2%時的應(yīng)力，用符號σ0.2表示。返回上一頁下一頁回主頁F0.2A0σ0.2=應(yīng)用：σs和σ0.2常作為零件選材和設(shè)計的依據(jù)。3.抗拉強(qiáng)度

材料在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力，用符號σb表示。σb=FbA0計算公式應(yīng)用：脆性材料制作機(jī)械零件和工程構(gòu)件時的選材和設(shè)計的依據(jù)。返回上一頁下一頁回主頁（二）衡量指標(biāo)二、塑性金屬材料斷裂前發(fā)生永久變形的能力。塑性的測定——拉伸實驗斷面收縮率：斷后伸長率：試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分比。試樣拉斷后，頸縮處的橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比。返回上一頁下一頁回主頁（一）定義斷后伸長率（δ）l1-l0l0×100%δ=l1——試樣拉斷后的標(biāo)距,mm;l0——試樣的原始標(biāo)距,mm。返回上一頁下一頁回主頁斷面收縮率（Ψ）S0-S1S0Ψ=×100%S0——試樣原始橫截面積,mm2；S1——頸縮處的橫截面積,mm2

。返回上一頁下一頁回主頁三、硬度返回上一頁下一頁回主頁（一）定義材料抵抗表面局部塑性變形的能力。（二）分類按照壓力法，有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、顯微硬度等。(1)原理布氏硬度=

FA凹=2FπD[D-（D2-d2）?]１．布氏硬度返回上一頁下一頁回主頁（2）應(yīng)用測量比較軟的材料。測量范圍HBS<450、HBW<650的金屬材料。返回上一頁下一頁回主頁壓頭為鋼球時，布氏硬度用符號HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金時，用符號HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。符號HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號后面的數(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測得的布氏硬度值為120。（3）優(yōu)缺點布氏硬度的優(yōu)點：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點：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)驗關(guān)系：

對于低碳鋼:

b(MPa)≈3.6HB對于高碳鋼:b(MPa)≈3.4HB

對于鑄鐵：

b(MPa)≈1HB或0.6(HB-40)返回上一頁下一頁回主頁（1）原理2.洛氏硬度返回上一頁下一頁回主頁加初載荷加主載荷卸除主載荷讀硬度值洛氏硬度用符號HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為A、B、C。

h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計（2）應(yīng)用范圍20~671500N120°金剛石圓錐體HRC25~1001000N1.588mm鋼球HRB70~85600N120°金剛石圓錐體HRA返回上一頁下一頁回主頁常用洛氏硬度標(biāo)度的試驗范圍優(yōu)點：操作簡便、迅速，效率高，可直接測量成品件及高硬度的材料。（3）優(yōu)缺點缺點：壓痕小，測量不準(zhǔn)確，需多次測量。返回上一頁下一頁回主頁3.維氏硬度維氏硬度試驗原理維氏硬度計維氏硬度用符號HV表示，符號前的數(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間。根據(jù)施加的載荷范圍不同，規(guī)定了三種維氏硬度的測定方法—維氏硬度試驗、小負(fù)荷維氏硬度試驗、顯微維氏硬度試驗。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點，既可測量由極軟到極硬的材料的硬度，又能互相比較。既可測量大塊材料、表面硬化層的硬度，又可測量金相組織中不同相的硬度。

四、沖擊韌度金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。（三）沖擊試驗原理及方法（一）定義（二）沖擊試樣返回上一頁下一頁回主頁計算公式Ak=GH1

-GH2

=G（H1

-H2）試驗原理：試樣被沖斷過程中吸收的能量即沖擊吸收功（Ak）等于擺錘沖擊試樣前后的勢能差。返回上一頁下一頁回主頁試驗過程如圖所示。沖擊韌度（ak）：沖擊吸收功除以試樣缺口處截面積。建造中的Titanic號Titanic號鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗結(jié)果五、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）六、斷裂韌性北極星導(dǎo)彈1943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂裂紋擴(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，單位為

第三節(jié)材料的其他性能一、物理性能1.密度和熔點密度

：單位體積內(nèi)材料的質(zhì)量。熔點：材料的熔化溫度。金屬都有固定的熔點，非金屬材料如高分子材料沒有固定的熔點。2.電學(xué)性能

導(dǎo)電性R＝ρL／S

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=107-10223.熱學(xué)性能

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)。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(qiáng)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。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：熱容――材料在溫度升高10C時所吸收的熱量叫做熱容。

一克物質(zhì)的熱容也叫比熱。4.磁性（1）物質(zhì)接磁性分類：抗磁性物質(zhì)順磁性物質(zhì)鐵磁性物質(zhì)（