工程材料及熱處理(132014.9)第一章性能及應(yīng)用

第一章材料的性能及應(yīng)用意義1材料性能依據(jù)2材料的使用性能34材料的工藝性能材料的環(huán)境性能材料的性能(Performance/Property)：指用來(lái)表征材料在給定外界條件下的行為參量?；瘜W(xué)成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)材料的性能必須量化表示通常是依照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定通過(guò)不同的試驗(yàn)來(lái)測(cè)定實(shí)際工件的性能首先取決于材料的性能，但須考慮到工件的形狀尺寸、加工工藝過(guò)程和使用條件對(duì)其的影響。第一節(jié)材料性能指標(biāo)內(nèi)部依據(jù)外部表現(xiàn)性能使用性能：指材料制成零件和產(chǎn)品后在使用過(guò)程中能適應(yīng)或抵抗外界對(duì)它的作用而必須具備的能力工藝性能：指制造過(guò)程中材料適應(yīng)加工的能力第二節(jié)材料的使用性能一、力學(xué)性能（機(jī)械性能）定義：材料在外力作用下表現(xiàn)出的行為。主要指標(biāo)：剛度、強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞極限等。1.載荷零件和工具在使用過(guò)程中所受的力稱為載荷。（1）靜載荷力的大小不變或變化緩慢的載荷，如靜拉力、靜壓力等。（2）動(dòng)載荷力的大小和方向隨時(shí)間而發(fā)生改變，如沖擊載荷、交變載荷等。加載方式：拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等2.應(yīng)力

物體受外力作用后所導(dǎo)致物體內(nèi)部之間的相互作用力稱為內(nèi)力，單位面積上的內(nèi)力，稱為應(yīng)力。

應(yīng)力的計(jì)算公式為3.變形

金屬在外力的作用下尺寸和形狀的變化稱為變形。（1）彈性變形去除外力后，物體的變形能完全恢復(fù)。（2）塑性變形

去除外力后，物體的變形不能完全恢復(fù)，而產(chǎn)生永久變形。式中σ——應(yīng)力（MPa）；

F——內(nèi)力（N）；

A——截面積（mm2）。電腦伺服控制材料實(shí)驗(yàn)機(jī)

圓形拉伸試樣剛度、強(qiáng)度和塑性根據(jù)靜拉伸試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。ⅠⅡⅢⅣⅡⅤ低碳鋼拉伸曲線Ⅰ—oe：彈性變形σeⅡ—es：屈服σsⅢ—sb：塑性變形（強(qiáng)化）Ⅳ—bk：縮頸σbⅤ—k：斷裂一、剛度（Rigidity）

材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。

指標(biāo)為彈性模量E和切變模量G。應(yīng)力

=F/A0應(yīng)變

=(l-l0)/l0要求剛度大的零件鋼鐵材料要求剛度小的零件軟彈簧材料二、強(qiáng)度(strength):

材料在力的作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。（1）屈服強(qiáng)度（σs）材料發(fā)生明顯塑性變形時(shí)的最低應(yīng)力值。

主要指標(biāo)為——屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。（2）抗拉強(qiáng)度（σb）最大拉伸力時(shí)的應(yīng)力。

工程上把屈服點(diǎn)與抗拉強(qiáng)度的比值（σs/σb）稱為屈強(qiáng)比，一般材料的屈強(qiáng)比以0.75為宜。1.斷后伸長(zhǎng)率（δ）三、塑性（Plasticity）材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。2.斷面收縮率（ψ）

斷后伸長(zhǎng)率δ和斷面收縮率ψ的數(shù)值越大，表明材料的塑性越好。材料的塑性是決定其能否進(jìn)行塑性加工的必要條件，塑性良好的金屬可進(jìn)行各種塑性加工，同時(shí)使用安全性也較好。指標(biāo)為：四、硬度（Hardness）

壓入法測(cè)量硬度常用的方法有：壓入法彈性回跳法劃痕法材料的軟硬程度，表征抵抗局部變形或破壞的能力。肖氏莫氏布氏、洛氏、維氏布氏硬度計(jì)1.布氏硬度(HBS/HBW)數(shù)值一般不需計(jì)算，而用帶有刻度盤的放大鏡測(cè)量出壓痕的直徑，直接由表查得硬度值大小，一般只標(biāo)大小而不標(biāo)單位。HBSHBW

表示用淬火鋼球壓頭測(cè)量的布氏硬度值，用于測(cè)量硬度值小于450HBS的材料。

表示用硬質(zhì)合金壓頭測(cè)量的布氏硬度值，用于測(cè)量硬度值為450～650HBW的材料。布氏硬度常用于測(cè)定鑄鐵、非鐵合金及退火、正火和調(diào)質(zhì)鋼的硬度。優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，與強(qiáng)度有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件，硬度范圍有限。

2.洛氏硬度(HR)金剛石圓錐體壓頭(錐角120°)直徑為1.588mm的淬火鋼球洛氏硬度計(jì)H鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕壓痕深度h

HRA用于測(cè)量表面層或高硬度材料，如硬質(zhì)合金；

HRB適用于硬度較低的材料,如有色金屬，退火、正火鋼等；

HRC主要用于測(cè)量中等硬度材料，如淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等。洛氏硬度有3種規(guī)范：具體實(shí)驗(yàn)條件及應(yīng)用范圍參見(jiàn)表1-2優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，直接讀數(shù)，壓痕小，應(yīng)用范圍最廣。缺點(diǎn)：需在試樣不同部位測(cè)定，取平均值。維氏硬度計(jì)3.維氏硬度(HV)頂角為136°的金剛石正四棱錐壓頭壓痕兩條對(duì)角線的平均長(zhǎng)度d優(yōu)點(diǎn)：壓痕淺，輪廓清晰，數(shù)值準(zhǔn)確，硬度范圍廣，廣泛應(yīng)用于測(cè)量金屬鍍層、薄片材料、化學(xué)熱處理后的表面硬度和顯微硬度。缺點(diǎn)：不適合成批生產(chǎn)的檢驗(yàn)，測(cè)量效率低于洛氏硬度。維氏硬度值不需要計(jì)算，一般是根據(jù)d查表得出。

顯微維氏硬度計(jì)五、韌性（Ductility）

零部件在服役過(guò)程中不僅受到靜載荷或交變載荷作用，還受到不同程度的沖擊載荷作用。故設(shè)計(jì)零件時(shí)，不僅要滿足在靜載荷作用下的強(qiáng)度、剛度、塑性等指標(biāo)，還需考慮材料的韌性。

主要指標(biāo)為沖擊韌度

試樣在一次沖擊試驗(yàn)力作用下，斷裂時(shí)所吸收的功稱為沖擊吸收功，用AK表示，單位為J。擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)

沖擊試樣缺口底部單位橫截面積上的沖擊吸收功，用aK表示，單位為J/cm2。一般金屬材料的韌性隨溫度的下降而降低，即在高溫下表現(xiàn)出較好的韌性，而在低溫下則顯得較脆。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。沖擊韌度akTitanic號(hào)鋼板和近代船用鋼板的沖擊試驗(yàn)結(jié)果比較Titanic近代船用鋼板六、疲勞極限1.疲勞現(xiàn)象

材料在交變載荷作用下，盡管零件所受的應(yīng)力低于屈服點(diǎn),但經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的工作后,在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。2.疲勞極限σ-1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。

疲勞極限σ-1與材料的抗拉強(qiáng)度σb存在一定的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，隨抗拉強(qiáng)度的升高而升高，為了減少試驗(yàn)，σ-1可用σb近似計(jì)算。鋼鐵材料的疲勞曲線示意圖3.提高疲勞強(qiáng)度途徑通過(guò)改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，進(jìn)行表面強(qiáng)化和形變熱處理等方法可提高零件的疲勞強(qiáng)度。第三節(jié)材料的工藝性能車、鉗、銑、刨、磨材料的切削鑄造、拉、拔、擠、壓、鍛材料的成型合金化、熱處理材料的改性焊接、粘接材料的聯(lián)接材料加工

工程材料的工藝性能主要有鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、切削加工性能、熱處理性能。金屬材料的物理性能與化學(xué)性能一、金屬材料的物理性能

物理性能是指材料固有的屬性，包括密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性、磁性等。1.密度指在同一溫度下單位體積物質(zhì)的質(zhì)量，其表達(dá)式為式中ρ——物質(zhì)的密度（g/cm3

或t/m3

）；

m——物質(zhì)的質(zhì)量（g或t）；

V——物質(zhì)的體積（cm3或m3）。根據(jù)相對(duì)密度（與水密度之比）大小，可將金屬分為輕金屬（相對(duì)密度≤4.5）和重金屬（相對(duì)密度＞4.5）。材料的密度，直接關(guān)系到由它所制成的設(shè)備的自重與效能。鋁合金在汽車零部件中的應(yīng)用比例越來(lái)越大；鈦及鈦合金在航空工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。2.熔點(diǎn)

熔點(diǎn)是材料從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度。

金屬等晶體材料一般具有固定的熔點(diǎn)，而高分子材料等非晶體材料一般沒(méi)有固定的熔點(diǎn)。工業(yè)上一般把熔點(diǎn)低于700℃的金屬或合金稱為易熔金屬，把熔點(diǎn)高于700℃的金屬或合金稱為難熔金屬。鎢、鉬等金屬具有高的熔點(diǎn)3.導(dǎo)電性

描述材料電性能的物理量有電阻率ρ和電導(dǎo)率γ。材料的電阻率ρ越小，導(dǎo)電性能越好。銀的導(dǎo)電性最好，銅、鋁次之

材料傳導(dǎo)電流的能力。輸電導(dǎo)體——純銅、純鋁加熱元件——導(dǎo)電性差的材料（Fe-Cr、碳硅棒）1.2金屬材料的力學(xué)性能4.導(dǎo)熱性（1）熱導(dǎo)率用熱導(dǎo)率λ表示金屬導(dǎo)熱性能，含義是在單位厚度金屬、溫差為1℃時(shí)，每秒鐘從單位截面通過(guò)的熱量。金屬越純，導(dǎo)熱性越好。（2）熱膨脹性材料隨溫度的改變而出現(xiàn)體積變化的現(xiàn)象。用線膨脹系數(shù)α來(lái)表示熱膨脹性，含義是溫度上升1℃時(shí)，單位長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量。5.磁性

磁性能可分為非鐵磁性物質(zhì)和鐵磁性物質(zhì)。目前應(yīng)用的磁性材料有兩類：金屬和陶瓷銀、銅的導(dǎo)熱性最好，鋁次之Al、CuFe、Ni、Co

材料傳導(dǎo)熱量的能力。溫差較大場(chǎng)合必須考慮

材料在磁場(chǎng)中能被磁化或?qū)Т诺哪芰Α?.2金屬材料的力學(xué)性能二、金屬材料的化學(xué)性能

材料抵抗其周圍各種化學(xué)介質(zhì)侵蝕的能力，包括耐腐蝕性和高溫抗氧化性。1.耐腐蝕性

金屬材料在常溫下抵抗化學(xué)物質(zhì)腐蝕破壞的能力稱為耐腐蝕性。包括化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。

金屬的腐蝕現(xiàn)象隨處可見(jiàn)，如鐵生紅銹、銅生綠銹、鋁生白點(diǎn)等。2.高溫抗氧化性高溫下使用的工件，要求材料具有高溫抗氧化的能力。在高溫條件下工作的設(shè)備，如鍋爐、加熱設(shè)備、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)上