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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,第,1,章 工程材料的主要性能,分類：工程材料種類繁多，常見分類方法,按成分分類,金屬材料,復(fù)合材料,陶瓷材料,高分子材料,本章重點內(nèi)容,學(xué)習(xí)目的,通過本章的學(xué)習(xí)，,掌握,材料常用的力學(xué)性能指標(biāo)及力學(xué)性能指標(biāo)在選材中的應(yīng)用,1.,常用的力學(xué)性,能指標(biāo),2.,力學(xué)性能指標(biāo),在選材中的意義,思考：,材料的性能有哪些？,材料的性能是由什么決

2、定的？,如何衡量這些性能？,不同服役條件下應(yīng)具備哪些性能？,第,1,節(jié) 材料的性能,使用性能,材料,的性能,工藝性能,力學(xué)性能,物理性能,化學(xué)性能,鑄造性,可鍛性,可焊性,切削加工性,熱處理性,材料的性能有哪些？,材料的性能包含,使用性能,和,工藝性能,。,使用性能,：是指材料在服役條件下，為保證安全可靠地工作，材料所必須具備的性能。如：力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能。,工程材料使用性能的好壞，決定了它的使用壽命和應(yīng)用范圍。,工藝性能,：是指制造工藝過程中材料適應(yīng)某種成形加工的性能。如：鑄造性、鍛造性、焊接性、切削加工性、熱處理工藝性。,工程材料工藝性能好壞，直接影響零件或構(gòu)件的制造方法和制造成

3、本。,1.1.1,材料的力學(xué)性能,力學(xué)性能：,是指金屬材料在外力作用時表現(xiàn)出來的性能。,外力形式：拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等。,載荷形式：靜載荷、沖擊載荷、交變載荷等,。,一、低碳鋼常溫靜載拉伸實驗,標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣：,長試樣,L,0,=10,d,0,短試樣,L,0,=5,d,0,應(yīng)力,(,),：單位橫截面積的內(nèi)力,1.,拉伸曲線分析,oe,彈性變形階段,csd,屈服階段,db,強(qiáng)化階段,bk,縮頸階段,k,試樣斷裂,1.,拉伸曲線分析,彈性變形階段,e,點以前產(chǎn)生的變形是可以恢復(fù)的彈性變形，,e,點對應(yīng)了彈性變形階段的極限值，稱為彈性極限，以,e,表示（單位為,Mpa,）。,oe,段近似為一

4、直線，直線的斜率代表彈性模量,E,，彈性模量,E,是衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)。,E,愈大，使其產(chǎn)生一定量彈性變形的應(yīng)力也應(yīng)愈大。,彈性模量的大小主要取決于金屬的本性（晶格類型和原子結(jié)構(gòu)），而與金屬的顯微組織無關(guān)。,工程上稱為材料的,剛度，表示材料彈性變形抗力的大小。,1.,拉伸曲線分析,屈服階段,圖形上出現(xiàn)平臺，即載荷無明顯增加，試樣繼續(xù)伸長，材料喪失了抵抗變形的能力，這種現(xiàn)象叫屈服。,當(dāng)應(yīng)力超過,e,時，試樣開始出現(xiàn)塑性變形。,s,為屈服階段的最小應(yīng)力，稱為,屈服強(qiáng)度（屈服點）,。,式中,F,s,屈服時的最小載荷（,N,）；,S,0,試樣原始截面積（,mm,2,）,其含義是：當(dāng),=

5、s,時，認(rèn)為材料開始產(chǎn)生塑性變形；當(dāng),=b,時，材料將會斷裂，當(dāng),b,時，材料不會斷裂。,1.,拉伸曲線分析,縮頸階段,當(dāng)應(yīng)力達(dá)到,b,時，試樣就在某個薄弱部位形成縮頸。由于試樣局部截面的逐漸減小，故應(yīng)力也逐漸降低，當(dāng)達(dá)到曲線上的,k,點時，試樣發(fā)生斷裂。,2.,強(qiáng)度指標(biāo),強(qiáng)度,是指材料在靜載荷作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。,其中抵抗塑性變形的能力，用屈服強(qiáng)度,s,表示，無明顯屈服階段，可用規(guī)定殘余伸長應(yīng)力,0.2,表示；抵抗斷裂的能力，用抗拉強(qiáng)度,b,表示。,s,與,b,的比值叫做,屈強(qiáng)比,，屈強(qiáng)比愈小，工程構(gòu)件的可靠性愈高，屈強(qiáng)比太小，則材料強(qiáng)度的有效利用率太低，一般取值在,0.65,0

6、.75,。,斷面收縮率,塑性,是指材料斷裂前發(fā)生最大變形的能力。,3.,塑性指標(biāo),斷后伸長率,式中,L,0,，,L,1,分別為試樣原始標(biāo)距和被拉斷后的標(biāo)距（,mm,）。,式中,S,0,，,S,1,分別為試樣原始截面積和斷裂后縮頸處的最小截面積（,mm,2,）。,塑性對材料的意義,a.,提高安全性：塑性好的材料，在受力過大時，首先產(chǎn)生塑性變形而不突然斷裂，因此比較安全。,b.,便于壓力加工成型：塑性好的材料可以發(fā)生大量塑性變形而不破壞，易于通過塑性變形加工成形狀復(fù)雜的零件。,加工硬化：,材料經(jīng)過加工產(chǎn)生塑性變形后，強(qiáng)度、硬度上升，而韌性、塑性下降的現(xiàn)象。,4.,加工硬化,二、硬度實驗,材料抵抗另

7、一硬物體壓入其內(nèi)的能力叫,硬度,，即受壓時抵抗局部塑性變形的能力。,硬度測量能夠給出金屬材料軟硬程度的數(shù)量概念。,硬度試驗簡單易行，又無損于零件，而且可以近似的推算出材料的其他機(jī)械性能，因此在生產(chǎn)和科研中應(yīng)用廣泛。,硬度試驗方法很多，機(jī)械工業(yè)普遍采用壓入法來測定硬度，壓入法又分為,布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度,等。,1.,布氏硬度,實驗過程,一定直徑的球體,(,鋼球或硬質(zhì)合金球,),在一定載荷作用下壓入試樣表面，保持一定時間后卸除載荷，測量其壓痕直徑,計算硬度值。布氏硬度值用球面壓痕單位表面積上所承受的平均壓力來表示。用符號,HBS(,當(dāng)用鋼球壓頭時,),或,HBW(,當(dāng)用硬質(zhì)合金球時,),來

8、表示。,HBS,（,HBW,）,=F/A=2F/DD-(D2-d2)1/2,1.,布氏硬度,布氏硬度表示方法,標(biāo)注：如,120HBS10/1000/10,，即表示用直徑,D,=10mm,的淬火鋼球壓頭在,1000kgf(9.8KN),的試驗載荷作用下，保持,10,秒所測得布氏硬度值為,120,。,HBS,只可用來測定硬度值小于,450,的金屬材料。,500HBW5/750,表示用直徑,D,=5mm,的硬質(zhì)合金球壓頭在,750kgf(7.35KN),的試驗載荷作用下，保持,10-15,秒,(,不標(biāo)注,),所測得布氏硬度值為,500,。,HBW,可用來測定硬度值,450-650,的金屬材料。,1.

9、,布氏硬度,布氏硬度特點,布氏硬度試驗的壓痕較大，測量數(shù)值穩(wěn)定，準(zhǔn)確，能很好的反應(yīng)材料的硬度；但操作時間較長，對不同材料需要不同的壓頭和試驗力，壓痕直徑測量費時，因此不適用批量生產(chǎn)、成品及薄件；在進(jìn)行高硬度材料試驗時，由于球體本身的變形會使測量結(jié)果不準(zhǔn)確，因此，用淬火鋼球壓頭測量時，材料硬度值必須小于,450,；用硬質(zhì)合金球壓頭時，材料硬度值必須小于,650,。,布氏硬度應(yīng)用,布氏硬度測定主要適用于各種未經(jīng)淬火的鋼、退火、正火狀態(tài)的鋼；結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)件；鑄鐵、有色金屬、質(zhì)地輕軟的軸承合金等原材料。,2.,洛氏硬度,實驗過程,將金剛石壓頭,(,或鋼球壓頭,),在先后施加兩個載荷,(,預(yù)載荷,F,0,

10、和主載荷,F,1,),的作用下壓入金屬表面?？傒d荷,F,為預(yù)載荷,F,0,和主載荷,F,1,之和。卸去主載荷,F,1,后,測量其殘余壓入深度,h,用,h,與,h,0,之差,h,來計算洛氏硬度值。,預(yù)加載荷的目的是使壓頭與試樣表面接觸良好,以保證測量結(jié)果準(zhǔn)確。,硬度值的大小直接由硬度計表盤上讀出。,布氏硬度表示方法,2.,洛氏硬度,標(biāo)注：如,40-45HRC,常見洛氏硬度標(biāo)尺的實驗條件及應(yīng)用,硬度符號,壓頭,總載荷,（,kgf,）,表盤上刻度顏色,常用硬度值范圍,使用范圍,HRA,金鋼石圓錐,60,黑,色,2085,碳化物、硬質(zhì)合金、表面淬火層等,HRB,1.5875mm,鋼球,100,紅,色,

11、25100,有色金屬、退火及正火鋼等,HRC,金鋼石圓錐,150,黑,色,2067,調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等,2.,洛氏硬度,洛氏硬度特點,操作簡便迅速，能直接從刻度盤上讀出硬度值；壓痕小，可以測定成品及較薄零件；測試的硬度值范圍大，從很軟到很硬的金屬材料均可測量。缺點是：壓痕小，測量數(shù)值代表性差，通常需要在不同部位測試數(shù)次，取平均值。,3.,維氏硬度,實驗過程,是用一種頂角為,136,的正四棱錐體,金鋼壓頭,，在,載荷,F,(kgf),作用下，試樣表面壓出一個,四方錐形壓痕,，測量壓痕,對角線長度,d,(mm),供以計算試樣的硬度值。,根據(jù),d,值查表即可得到,硬度值,。,為了從軟到硬的各種金屬材料

12、有一個連續(xù)一致的硬度標(biāo)度，因而制定了維氏硬度試驗法。,3.,維氏硬度,維氏硬度表示方法,維氏硬度用符號,HV,表示，,HV,前面為硬度值，,HV,后面的數(shù)字按試驗載荷、試驗載荷保持時間,(10,15s,不標(biāo)注,),的順序表示試驗條件。例如：,640HV30,表示用,294.2N(30kgf),的試驗載荷，保持,10,15s,(,不標(biāo)出,),測定的,維氏硬度值為,640,；,640HV30/20,表示用,294.2N(30kgf),的試驗載荷,，,保持,20s,測定的,維氏硬度值為,640,。,維氏硬度應(yīng)用,維氏硬度試驗主要用來測定金屬鍍層、薄片金屬以及化學(xué)熱處理,(,如氮化、滲碳等,),后的表

13、面硬度。,三、夏比沖擊實驗,材料斷裂前吸收變形能量的能力。,韌性,沖擊韌性,沖擊載荷下材料抵抗變形和斷裂的能力。,三、夏比沖擊實驗,實驗過程,A,k,=,m,g(,h,1,-,h,2,),單位為焦耳,沖擊吸收功,A,k,沖擊韌度,a,k,ak=,沖擊破壞所消耗的功,Ak/,標(biāo)準(zhǔn)試樣斷口截面積,F,單位為焦耳,/,厘米,（,J/cm,）,三、夏比沖擊實驗,a,k,值低的材料叫做脆性材料，斷裂時無明顯變形；,a,k,值高，明顯塑變，斷口呈灰色纖維狀，無光澤，韌性材料。,韌脆轉(zhuǎn)變溫度,沖擊吸收功急劇 變化或斷口韌性急劇轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)域。,四、疲勞強(qiáng)度,機(jī)械零件的斷裂,80%,由疲勞造成。,承受周期性循

14、環(huán)應(yīng)力或交變應(yīng)力作用。,應(yīng)力往往遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限甚至屈服極限。,突然斷裂。,疲勞斷裂過程：疲勞裂紋萌生、疲勞裂紋擴(kuò)展、斷裂三個階段。,四、疲勞強(qiáng)度,疲勞強(qiáng)度,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。,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。循環(huán)基數(shù)：鋼鐵材料,10,7,；非鐵金屬,10,8,；腐蝕介質(zhì)作用下,10,6,。陶瓷、高分子材料的疲勞抗力很低，金屬材料疲勞強(qiáng)度較高，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也有較好的抗疲勞性能。,1.1.2,材料的物理、化學(xué)性能,材料的物理性能,密度,熔點,導(dǎo)熱性,導(dǎo)電性,熱膨脹性,磁性,1.1.2,材料的物理、化學(xué)性能,材料的化學(xué)性能,金屬材料與周圍介質(zhì)接觸時抵抗發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)的性能。,(1),耐腐蝕性,指金屬材料抵抗各種介質(zhì)侵蝕的能力。,(2),抗氧化性,指金屬材料在高溫下，抵抗產(chǎn)生氧化皮的能力。,耐腐蝕性材料如：不銹鋼、塑料、陶瓷、鈦及其合金等等。,如：耐熱鋼、鉻鎳合金、鐵鉻合金等。,1.2,材料的工藝性能,工藝性能,是指材料適應(yīng)加工工藝要求的能力。,鑄造性能,鍛造性能,焊接性能,切削加工性能,熱處理工藝性能,