第二章工程材料的基本性能

第二章工程材料的基本性能第一節(jié)材料的力學性能第二節(jié)材料的物理、化學性能第三節(jié)不同種類材料的主要性能比較第一節(jié)材料的力學性能材料的力學性能主要是指材料的宏觀性能，如彈性性能、塑性性能、硬度、抗沖擊性能等。

材料的機械性能實驗有：拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、硬度、疲勞和沖擊等，通過這些實驗可以測出相應的機械性能指標，最常見的是拉伸實驗、硬度實驗和沖擊實驗。性能指標包括四大項：強度、硬度、塑性和韌性。性能指標：定義、符號、單位、數(shù)值含義。圖2-1一、彈性、塑性及強度拉伸試驗：圖中d0和l0分別為試樣在拉伸前的計算直徑和計算長度，d和l分別為試樣在拉斷后的斷口直徑和計算長度。圖1-1標準拉伸試樣示意圖

kbb—

極限載荷點力學拉伸試驗Fee—

彈性極限點sS—

屈服點K—

斷裂點拉伸曲線應力—應變曲線縮頸oFFL2.塑性塑性性能載荷卸除后不能消失的變形稱為殘余變形。材料保持殘余變形的能力稱為塑性，因而殘余變形又稱為塑性變形。反映材料塑性性能的參量有屈服極限、延伸率和斷面收縮率等。此外，與塑性性能有關(guān)的現(xiàn)象有材料的強化現(xiàn)象和拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象。若加載在材料中引起的應力超過σe，則卸載后有一部分變形不能消失，這種變形就是塑性變形。3.強度（二）屈服強度（屈服極限）概念：材料抵抗應力作用下，開始發(fā)生明顯塑性變形，拉力不增加，應力增加，產(chǎn)生屈服現(xiàn)象的最小應力值稱為屈服強度。單位：MPa（N/mm2）;表示符號：σs當材料單位面積上所受的應力σe<σ<σs時，只產(chǎn)生微量的塑性變形。當σ>σs時，材料將產(chǎn)生明顯的塑性變形。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)。**條件屈服強度概念：實際上，某些材料（鑄鐵、鑄鋁等）在做拉伸曲線時和低碳鋼不一樣，并沒有明顯的屈服現(xiàn)象(低碳鋼和鑄鐵的應力——應變曲線比較)。為此人為的專門規(guī)定，把當試樣產(chǎn)生的殘余塑性變形量為標距長度的0.2%時所對應的應力值(σ0.2)定為該材料的屈服強度（條件屈服強度）。單位：MPa(N/mm2);表示符號：σ0.2實際意義：一些工程零件(如緊固螺栓)在使用時是不允許發(fā)生塑性變形的，因此屈服強度是工程設計與選材的重要依據(jù)之一。強化屈服階段結(jié)束后，拉伸曲線又呈上升狀，即要使試樣繼續(xù)變形，就須增大載荷，這種現(xiàn)象稱為材料強化。低碳鋼和鑄鐵的應力——應變曲線比較3、條件疲勞極限

對于鋼鐵材料，取N=107的循環(huán)周次所對應的最大應力為它的σ-1。對于大多數(shù)非鐵金屬及其合金的疲勞曲線上沒有水平直線部分。如下圖曲線所示這種情況要根據(jù)零件的工作條件及使用壽命確定一個疲勞極限的循環(huán)周次，并以此所對應的應力σN作為疲勞極限，亦稱條件疲勞極限。一般規(guī)定：鑄鐵取N=107，非鐵金屬取N=108（一）布什硬度如圖所示：布氏硬度測試原理圖

二、硬度概念：硬度是指材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力，是衡量金屬軟硬的判據(jù)。常用方法：通常用布氏硬度、洛氏硬度、李氏硬度、肖氏硬度、維氏硬度等來表示材料的硬度。（一）布什硬度如圖所示：布氏硬度測試原理圖

布氏硬度計

布什硬度的表示方法硬度值的標注方法如下：硬度值

硬度代號

壓頭直徑D/載荷P/保荷時間T如：150HBS10/3000/30表示用直徑10mm的淬火鋼球壓頭，在3000kgf載荷作用下保荷時間為30秒所測得的布氏硬度值為150。（二）洛氏硬度如圖所示為洛氏硬度測試原理圖。HR=K-e/0.002式中：HR為洛氏硬度代號；K為常數(shù)，當采用金剛石圓錐壓頭時K=100，用淬鋼球壓頭時K=130。

洛氏硬度計洛氏硬度的表示方法

硬度值

硬度代號如：60HRC金剛石圓錐壓頭載荷為150kgf所測得的硬度值為60。洛氏硬度值沒有單位，硬度值越大材料硬度越高，材料的耐磨性越好。（三）布氏硬度與洛氏硬度的比較與選用共同點與不同點布什硬度和洛氏硬度特點比較：1、測定準確性布什大于洛氏2、測量范圍洛什大于布氏3、測量效率洛什大于布氏4、應用對象布什硬度：主要用于原材料、毛坯和半成品的硬度的單件、小批測量。不適合于測量厚度太小和成品零件的硬度。洛氏硬度：不僅可以用于測量原材料、毛坯和半成品的硬度，也可以用于測量成品的硬度，不僅可以用于單件、小批測量，也可以用于大批量測量。（四）維氏硬度四、蠕變極限

很多構(gòu)件長期在高溫條件下運轉(zhuǎn)。例如，航空發(fā)動機葉片的使用溫度高達1000℃，用Cr-Mo-V鋼制造的汽輪機轉(zhuǎn)子使用溫度約為550℃等。高溫對材料的力學性能影響很大。溫度和時間還影響材料的斷裂形式。1、蠕變現(xiàn)象和蠕變曲線當溫度T≥(0.3~0.5)Tm(Tm為熔點，單位為K)時，金屬材料在恒載荷的持續(xù)作用下，發(fā)生與時間相關(guān)的塑性變形，稱為蠕變。相應的應變與時間關(guān)系曲線稱為蠕變曲線。金屬材料的典型蠕變曲線如圖2-4所示。圖2-4典型蠕變曲線oa線段是施加外載荷后試樣的瞬時應變

0，不屬于蠕變；曲線abcd表明應變是隨時間增長逐漸產(chǎn)生的，稱為蠕變；蠕變曲線上任一點的斜率表示該點的蠕變速率，用表示。根據(jù)蠕變速率的變化情況可以將蠕變過程分為三個階段：ab段為蠕變第一階段，其蠕變速率隨時間而逐漸減小，故又稱為減速蠕變階段；

bc段為蠕變第二階段，又稱恒速蠕變或穩(wěn)態(tài)蠕變階段，即其蠕變速率保持恒定；蠕變第三階段(cd段)的蠕變速率隨時間延長急劇增大直至斷裂，稱為加速蠕變階段。

蠕變曲線各階段持續(xù)時間的長短隨材料和試驗條件而變化。如圖2-5所示：圖2-5應力和溫度對蠕變曲線影響示意圖a）等溫曲線（σ4＞σ3＞σ2＞σ1）b）等壓力曲線（T4＞T3＞T2＞T1）

2、蠕變極限和持久強度蠕變極限是高溫長時期載荷下材料對變形的抗力指標，是高溫強度設計的重要依據(jù)。它有兩種表示方法。一種是在給定溫度下，規(guī)定時間內(nèi)產(chǎn)生一定蠕變總量的應力值，以(MPa)表示。另一種是在一定溫度下，產(chǎn)生規(guī)定的穩(wěn)態(tài)蠕變速率的應力值，以(MPa)表示。蠕變極限適用于失效方式為過量變形的那些高溫零部件。

持久強度是材料抵抗蠕變斷裂的能力。它是在一定溫度下，規(guī)定時間內(nèi)使材料斷裂的最大應力值，以表示。對于鍋爐、管道等構(gòu)件。其主要破壞方式是斷裂而不是變形，設計這類構(gòu)件就要采用持久強度指標。

持久塑性是材料承受蠕變變形能力的大小，用蠕變斷裂時的相對伸長率和相對斷面收縮率表示。五、沖擊吸收功沖擊功使試樣在沖擊載荷下破斷所必須的有效功，通常由沖擊試驗求得。試驗中所用的帶缺口的標準沖擊試樣和沖擊試驗機如圖2-6和圖2-7所示。試驗中擺錘沖斷試樣過程中所作的功就是沖擊功AK，其值為：

AK=W(H1-H2)式中W為擺錘重量;H1為擺錘開始下落時的高度;H2為試樣沖斷后擺錘擺起的高度。除了標準的沖擊試樣外,有時也用非標準試樣，它們主要是缺口的形式有些不同。對于某些脆性材料，常采用無缺口沖擊試樣。沖擊試驗在研究工作中，有時還采用拉伸沖擊試驗和扭轉(zhuǎn)沖擊試驗。

圖2-6圖2-7五、斷裂韌度

斷裂是工程上最危險的失效形式。

特點：（a）突然性或不可預見性；（b）可能低于屈服力，發(fā)生斷裂，是一種低應力脆斷，其斷口沒有宏觀塑性變形痕跡；（c）由宏觀裂紋擴展引起。

因此，工程上常采用加大安全系數(shù)；浪費材料。

但過于加大材料的體積，不一定能防止斷裂。

因此，發(fā)展出斷裂力學。斷裂力學的研究范疇：

把材料看成是裂紋體，利用彈塑性力學理論，研究裂紋尖端的應力、應變，以及應變能分布；確定裂紋的擴展規(guī)律；建立裂紋擴展的新的力學參數(shù)（斷裂韌度）。定義：材料阻止裂紋擴展的能力或材料在斷裂過程中吸收能量的能力應力場強度因子KI：KI可以反映裂紋尖端應力場的強弱。稱之為應力場強度因子。斷裂韌度KIC和斷裂判據(jù)①斷裂韌度當KI達到臨界值時，裂紋尖端足夠大的范圍內(nèi)，應力達到斷裂強度，裂紋失穩(wěn)快速擴展而斷裂。臨界或失穩(wěn)狀態(tài)的KI值記作：KIC或KC，稱為斷裂韌度。

KC—平面應力斷裂韌度

KIC—平面應變，I類裂紋時斷裂韌度

②斷裂判據(jù)

KI<KIC

有裂紋，但不會斷裂

KI=KIC

臨界狀態(tài)

KI>KIC

發(fā)生裂紋擴展，直至斷裂KIC=Y·

c·(ac)1/2其中

c：為臨界狀態(tài)時對應的平均應力（也即斷裂應力或裂紋斷裂強度）ac：臨界裂紋尺寸KIC

c

或ac

難以斷裂

KIC表征材料抵抗斷裂的能力裂紋擴展的脆斷判據(jù)：KI≥KIC

（KC

）（只適用于線彈性體——彈性狀態(tài)下的斷裂分析）六、摩擦與磨損

摩擦

靜摩擦外摩擦摩擦動摩擦內(nèi)摩擦滾動摩擦滑動摩擦摩擦磨損潤滑和密封失效是現(xiàn)代機械系統(tǒng)的主要失效原因。第二節(jié)材料的物理、化學性能一、材料的物理性能1.材料的電學性能材料的電學性能首先是材料的導電性，它與材料的結(jié)構(gòu)、組織、成分等因素有關(guān)。（1）電阻率與電導率電阻率是微觀水平上阻礙電流流動的度量；電導率是電阻率的倒數(shù)。（2）超導電性在一定的低溫條件下材料突然失去電阻的現(xiàn)象為超導電性。超導體的基本特性：完全導電性；完全抗磁性（邁斯納效應）。超導體的性能指標：臨界轉(zhuǎn)變溫度；臨界磁場；臨界電流密度。（3）影響材料導電性的因素1）金屬電阻率隨溫度升高而增大；2）冷塑性變形使金屬的電阻率增大；3）合金化對導電性有顯著影響。高聚物導電性的影響因素1、分子結(jié)構(gòu)的影響

非極性高聚物絕緣性好，極性高聚物次之，具有常共軛雙鍵結(jié)構(gòu)的共聚物，導電性顯著升高。

結(jié)晶、取向，以及交聯(lián)均使聚合物絕緣體電導率下降。2、摻雜率對導電高分子材料導電能力的影響摻雜率小時，電導率隨著摻雜率的增加而迅速增加；當達到一定值后，隨摻雜率增加的變化電導率變化很小，此時為飽和摻雜率。高分子材料導電能力的影響因素3、共軛鏈長度對導電高分子材料導電能力的影響高分子材料導電能力的影響因素π電子運動的波函數(shù)在沿著分子鏈方向有較大的電子云密度，并且隨著共軛鏈長度的增加，這種趨勢更加明顯，導致聚合物電導率的增加。4、溫度對導電高分子材料導電能力的影響對金屬晶體，溫度升高引起的晶格振動阻礙其在晶體中的自由運動；而對于聚乙炔，溫度的升高有利于電子從分子熱振動中獲得能量，克服其能帶間隙，實現(xiàn)導電過程。高分子材料導電能力的影響因素2.材料的磁學性能(1）磁化率和磁導率材料磁性的本源是材料內(nèi)部電子的循環(huán)和自旋運動，就是由于電子的這些運動產(chǎn)生了物質(zhì)的磁性。在受磁場的作用下，由于材料中磁矩排列時取向趨于一致而呈現(xiàn)出的磁性，這種現(xiàn)場稱為磁化。凡是能被磁化的物質(zhì)稱為磁質(zhì)或磁介質(zhì)。磁感強度是指通過磁場中某點，垂直于磁場方向單位面積的磁力線數(shù)。（2)抗磁性與順磁性材料被磁化后，磁化矢量與外加磁場方向相反的稱為抗磁性；材料被磁化后，磁化矢量與外加磁場方向相同的稱為順磁性。根據(jù)材料被磁化后對磁場所產(chǎn)生的影響，可以把材料分為三類：a.使磁場減弱的物質(zhì)稱為抗磁性材料；b.使磁場略有增強的物質(zhì)為順磁性材料；c.使磁場強烈增加的物質(zhì)稱為鐵磁性材料。（3）磁化曲線和磁滯回線軟磁材料和硬磁材料3.材料的熱學性能材料在一定溫度環(huán)境下使用，對不同的溫度表現(xiàn)出不同的熱物理性能，這些熱物理性能稱為材料的熱學性能。材料的熱學性能主要有熱容、熱膨脹、熱傳導等。在沒有相變或化學反應的條件下，材料溫度升高1K時所吸收的熱量稱做該材料的熱容。物體的體積或長度隨溫度升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹。當固體一端的溫度比另一端高時，熱量就會從熱端自動地