第1章 材料的種類與性能

1、第第1 1章章 材料的種類與性能材料的種類與性能 1.1 1.1 機械工程材料的種類機械工程材料的種類 1 1 、定義、定義 機械工程材料主要指用于機械工程材料主要指用于機械工程、電器機械工程、電器 工程、建筑工程、化工工程、航空航天工程工程、建筑工程、化工工程、航空航天工程等等 領域的材料。領域的材料。 2、材料分類分類 （按按化學成分化學成分分類分類） 金屬材料金屬材料 ( (綜合性能好，用量最大、應用范圍最廣綜合性能好，用量最大、應用范圍最廣) ) 高分子材料高分子材料 ( (質輕、質輕、 耐腐蝕，常用于化工、機械、航耐腐蝕，常用于化工、機械、航 空航天等空航天等) ) 陶瓷材料陶瓷材料

2、 （高電強、高硬度、耐腐蝕、絕緣，用于高電強、高硬度、耐腐蝕、絕緣，用于 電器、化工、航空航天等等）電器、化工、航空航天等等） 復合材料復合材料 （質輕和高的比強度、比剛度，結合兩種（質輕和高的比強度、比剛度，結合兩種 材料性能優(yōu)點，用于航空航天等領域）材料性能優(yōu)點，用于航空航天等領域） 書第書第1頁：分類頁：分類 （1 1） 獲得常用的金屬材料、非金屬材料的獲得常用的金屬材料、非金屬材料的基基 本理論知識本理論知識，了解各種機械工程材料的，了解各種機械工程材料的基本特性和基本特性和 應用范圍應用范圍； （2 2）在了解材料性能和設計之間關系的基礎上，）在了解材料性能和設計之間關系的基礎上，

3、可根據(jù)零件的工作條件和失效形式，可根據(jù)零件的工作條件和失效形式，正確設計和合正確設計和合 理選材理選材； （3 3）能夠根據(jù)結構、工藝、外界條件（溫度、）能夠根據(jù)結構、工藝、外界條件（溫度、 環(huán)境介質）對材料性能的影響，環(huán)境介質）對材料性能的影響，正確制定零件的冷、正確制定零件的冷、 熱加工工藝路線熱加工工藝路線。 學習目的：學習目的： 1.2 1.2 材料的性能材料的性能 包括兩方面 材料材料使用性能使用性能 材料材料工藝性能工藝性能 力學性能力學性能（強度強度, ,塑性塑性, ,韌性等）韌性等） 物理性能物理性能（光、熱、電、磁等）（光、熱、電、磁等） 化學性能化學性能（氧化、腐蝕等）（氧

4、化、腐蝕等） 加工性能加工性能（切削、鍛造等）（切削、鍛造等） 鑄造性能鑄造性能（適合鑄造與否）（適合鑄造與否） 焊接性能焊接性能（容易焊接與否）（容易焊接與否） 熱處理性能熱處理性能（可熱處理強化）（可熱處理強化） 1.2.1 1.2.1 材料的靜載性能指標材料的靜載性能指標 剛度和強度指標剛度和強度指標 彈性和塑性指標彈性和塑性指標 硬度指標硬度指標 韌性指標韌性指標 1. 強度：強度：材料抵抗變形或者斷裂的能力材料抵抗變形或者斷裂的能力 材料的拉伸實驗材料的拉伸實驗 1 1、oeoe段：直線、彈性變形段：直線、彈性變形 2 2、eses段：曲線、彈性變形段：曲線、彈性變形+ +塑性變形塑

5、性變形 3 3、s ss s段：水平線（略有波動）明顯段：水平線（略有波動）明顯 的塑性變形屈服現(xiàn)象，作用的力基本的塑性變形屈服現(xiàn)象，作用的力基本 不變，試樣連續(xù)伸長。不變，試樣連續(xù)伸長。 4 4、sbsb曲線：彈性變形曲線：彈性變形+ +均勻塑性變均勻塑性變 形形 5 5、b b點：出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，即試樣局部點：出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，即試樣局部 截面明顯縮小試樣承載能力降低，拉伸力達到最大值，試樣即將斷裂。截面明顯縮小試樣承載能力降低，拉伸力達到最大值，試樣即將斷裂。 s s 應力應力應變曲線：應變曲線： e點對應的彈性變形階點對應的彈性變形階 段的最大應力段的最大應力 （1）彈性極限）彈性極限s s

6、e 彈性模量彈性模量 E=/ e e = = F Fe e/S/S0 0 彈性變形范圍內應力與應變的比值（常數(shù)），表征材料內應力與應變的比值（常數(shù)），表征材料 產生彈性變形的難易程度，取決于材料內部原子間的作用力。產生彈性變形的難易程度，取決于材料內部原子間的作用力。 （2）屈服強度）屈服強度s ss s s = = F Fs s/S/S0 0 s 材料產生屈服現(xiàn)象時材料產生屈服現(xiàn)象時 的最小應力的最小應力 Fs：試樣屈服時所承受的拉力試樣屈服時所承受的拉力（N） S0 ：試樣原始橫截面積（試樣原始橫截面積（mm） 對于沒有明顯屈服點的材料，規(guī)定產生對于沒有明顯屈服點的材料，規(guī)定產生0.2%塑

7、變時的塑變時的 應力值，應力值， 0.2 （3）抗拉強度）抗拉強度s sb 指試樣拉斷前所承指試樣拉斷前所承 受的最大拉應力。受的最大拉應力。 b = F Fb b/S/S0 0 當材料的內應力當材料的內應力 b b時，材料將產生斷裂。時，材料將產生斷裂。b b常用作脆性材料的常用作脆性材料的 選材和設計的依據(jù)。選材和設計的依據(jù)。 2、塑性指標、塑性指標 塑性是材料在靜載荷作用下產生塑性變形而不破壞的能塑性是材料在靜載荷作用下產生塑性變形而不破壞的能 力。評定指標是斷后伸長率和斷面收縮率。力。評定指標是斷后伸長率和斷面收縮率。 (1) (1) 斷后伸長率斷后伸長率 指試樣拉斷后的伸長量與原標距

8、長度的百分比。指試樣拉斷后的伸長量與原標距長度的百分比。 =(L=(Lk k-L-L0 0)/L)/L0 0 x 100% x 100% L L0 0 : : 標距（本實驗標距（本實驗L=100L=100） L Lk k : : 拉斷后的試件標距。將斷口密合在一起，用卡尺拉斷后的試件標距。將斷口密合在一起，用卡尺 直接量出。直接量出。 (2) (2) 斷面收縮率斷面收縮率 指試樣拉斷后縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。指試樣拉斷后縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。 =(S =(S0 0-S-Sk k)/S)/S0 0 x 100% x 100% S S0 0:

9、:試件原橫截面積。試件原橫截面積。 S Sk k: :斷裂后頸縮處的橫截面積，用卡尺直接量出。斷裂后頸縮處的橫截面積，用卡尺直接量出。 通常：通常： L0 = 5 d0 5 L0 = 10 d0 10 3、硬度、硬度 1 1、定義：、定義： 指材料局部表面抵抗塑性變形和破壞的能力。它是衡指材料局部表面抵抗塑性變形和破壞的能力。它是衡 量材料軟硬程度的指標，其物理含義與試驗方法有關。量材料軟硬程度的指標，其物理含義與試驗方法有關。 2 2、硬度的測試方法、硬度的測試方法 （1 1）布氏硬度）布氏硬度 （2 2）洛氏硬度）洛氏硬度 （3 3）維氏硬度）維氏硬度 （4 4）肖氏硬度）肖氏硬度 【1

10、1】布氏硬度試驗】布氏硬度試驗（布氏硬度計布氏硬度計） 原理原理: :用力用力F將淬火鋼球或硬質合金球壓入待測材料表面，將淬火鋼球或硬質合金球壓入待測材料表面， F與壓痕表面積的比值作為布氏硬度（與壓痕表面積的比值作為布氏硬度（HB）。）。 【2 2】硬度值用壓痕單位面積上所承受有平均壓力表示?！坑捕戎涤脡汉蹎挝幻娣e上所承受有平均壓力表示。 如：淬火鋼球如：淬火鋼球120HBS 硬質合金球硬質合金球500HBW 【3 3】優(yōu)缺點】優(yōu)缺點 （1 1）測量值較準確，重復性好，可測組織不均勻材料（鑄鐵）（）測量值較準確，重復性好，可測組織不均勻材料（鑄鐵）（2 2）可）可 測的硬度值不高（測的硬度值

11、不高（3 3）不測試成品與薄件（）不測試成品與薄件（4 4）測量費時，效率低）測量費時，效率低 【4 4】測量范圍】測量范圍 用于測量灰鑄鐵、結構鋼、非鐵金屬及非金屬材料等用于測量灰鑄鐵、結構鋼、非鐵金屬及非金屬材料等. . 【1 1】洛氏硬度試驗】洛氏硬度試驗（洛洛氏硬度計氏硬度計） 原理原理: : 用金剛石圓錐或淬火鋼球，壓入試樣表面，測量壓用金剛石圓錐或淬火鋼球，壓入試樣表面，測量壓 痕深度來計算硬度。痕深度來計算硬度。 【2 2】洛氏硬度值】洛氏硬度值 三種符號表示三種符號表示 HRAHRA、HRBHRB、HRCHRC 可從表盤上直接讀出。常用可從表盤上直接讀出。常用HRCHRC， 如

12、如 50HRC50HRC 【3 3】優(yōu)缺點】優(yōu)缺點 （1 1）試驗簡單、方便、迅速（）試驗簡單、方便、迅速（2 2）壓痕小，可測成品，薄件（）壓痕小，可測成品，薄件（3 3）數(shù)據(jù)）數(shù)據(jù) 不夠準確，應測三點取平均值（不夠準確，應測三點取平均值（4 4）不應測組織不均勻材料，如鑄鐵。）不應測組織不均勻材料，如鑄鐵。 【4 4】測量范圍】測量范圍 用于測量用于測量淬火鋼、硬質合金淬火鋼、硬質合金等材料等材料. . 【1 1】維氏硬度試驗】維氏硬度試驗 用夾角為用夾角為136136的金剛石四棱錐體壓頭，使用很小試驗力的金剛石四棱錐體壓頭，使用很小試驗力 F F（49.03-980.07N49.03-9

13、80.07N）壓入試樣表面，測出壓痕對角線長度）壓入試樣表面，測出壓痕對角線長度d d。 【2 2】維氏硬度值】維氏硬度值 用壓痕對角線長度表示。如：用壓痕對角線長度表示。如：640HV640HV。 【3 3】優(yōu)缺點】優(yōu)缺點 （1 1）測量準確，應用范圍廣（硬度從極軟到極硬）測量準確，應用范圍廣（硬度從極軟到極硬） （2 2）可測成品與薄件（）可測成品與薄件（3 3）試樣表面要求高，費工。）試樣表面要求高，費工。 【4 4】測量范圍】測量范圍 常用于測薄件、鍍層、化學熱處理后的表層等。常用于測薄件、鍍層、化學熱處理后的表層等。 1.2.2 其它載荷作用下的力學性能其它載荷作用下的力學性能 靜載

14、荷和沖擊載荷靜載荷和沖擊載荷 斷裂：材料在外力作用下分為兩個或者兩斷裂：材料在外力作用下分為兩個或者兩 個以上部分的現(xiàn)象。個以上部分的現(xiàn)象。 斷裂的分類：斷裂的分類：韌性斷裂和脆性斷裂韌性斷裂和脆性斷裂 斷裂過程：裂紋萌生和裂紋擴展斷裂過程：裂紋萌生和裂紋擴展 韌性斷裂和脆性斷裂的斷口微觀形貌韌性斷裂和脆性斷裂的斷口微觀形貌 韌性韌性 斷口斷口 脆性脆性 斷口斷口 1、沖擊韌性及衡量指標、沖擊韌性及衡量指標 （1）沖擊韌性：材料抵抗沖擊載荷能力，是材料強度和）沖擊韌性：材料抵抗沖擊載荷能力，是材料強度和 塑性的綜合表現(xiàn)，塑性的綜合表現(xiàn)，ak (J/m2) （2）衡量指標：沖擊吸收功）衡量指標：

15、沖擊吸收功Ak與試樣橫截面積的比值。與試樣橫截面積的比值。 沖擊韌度沖擊韌度: ak Ak/S （3）應用：評價材料韌性的好壞，與屈服強度結合用于）應用：評價材料韌性的好壞，與屈服強度結合用于 一般零件抗斷裂設計。一般零件抗斷裂設計。 是評定材料抵抗脆性斷裂的力學性能指標，指是評定材料抵抗脆性斷裂的力學性能指標，指 的是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力。的是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力。 判斷構件是否安全，合理選材：判斷構件是否安全，合理選材： KI KIC 構件發(fā)生脆性斷裂構件發(fā)生脆性斷裂 KI KIC 構件發(fā)生低應力脆性斷裂的臨界條件構件發(fā)生低應力脆性斷裂的臨界條件 材料中的缺陷，氣孔、夾雜物、微

16、裂紋等，都材料中的缺陷，氣孔、夾雜物、微裂紋等，都 可看作裂紋，其擴展的難易程度可看作裂紋，其擴展的難易程度斷裂韌度斷裂韌度 2、斷裂韌度、斷裂韌度KIC: 3、疲勞強度、疲勞強度 （1）疲勞斷裂：）疲勞斷裂： 零件在交變載荷下經(jīng)過長時間工作而發(fā)生斷裂零件在交變載荷下經(jīng)過長時間工作而發(fā)生斷裂 的現(xiàn)象成為疲勞斷裂。的現(xiàn)象成為疲勞斷裂。 （2）疲勞斷裂過程：）疲勞斷裂過程： 裂紋萌生、疲勞裂紋擴展、最后斷裂。裂紋萌生、疲勞裂紋擴展、最后斷裂。 疲勞斷口的特點疲勞斷口的特點 疲勞斷口 示意圖示意圖 疲勞源區(qū)和疲勞擴展區(qū)的微觀形貌 一個疲一個疲 勞源勞源 兩個疲兩個疲 勞源勞源 微裂紋微裂紋 疲勞疲勞

17、 條紋條紋 4、零件的磨損失效零件的磨損失效 粘著磨損、磨粒磨損和疲勞磨損的發(fā)生過程、粘著磨損、磨粒磨損和疲勞磨損的發(fā)生過程、 機理以及防止措施。機理以及防止措施。 磨損的定義：磨損的定義： 在摩擦過程中零件表面發(fā)生尺寸變化和物在摩擦過程中零件表面發(fā)生尺寸變化和物 質耗損的現(xiàn)象叫做磨損。質耗損的現(xiàn)象叫做磨損。 25班班 粘著磨損粘著磨損 （1）又稱咬合磨損，在滑動摩擦條件下，摩擦）又稱咬合磨損，在滑動摩擦條件下，摩擦 幅的接觸面發(fā)生金屬粘著，在隨后的相對滑幅的接觸面發(fā)生金屬粘著，在隨后的相對滑 動中粘著處被破壞，有金屬屑粒被拉拽下來動中粘著處被破壞，有金屬屑粒被拉拽下來 或者是金屬表面被擦傷的

18、一種磨損形式?；蛘呤墙饘俦砻姹徊羵囊环N磨損形式。 （2）過程）過程 滑動滑動 （3）粘著磨損的特點：磨損速度大；破壞嚴重。）粘著磨損的特點：磨損速度大；破壞嚴重。 （4）防止措施）防止措施 合理選材，摩擦副配對材料選用硬度差較大的合理選材，摩擦副配對材料選用硬度差較大的 異類材料異類材料； 提高表面硬度；提高表面硬度； 合理設計減小接觸壓應力；合理設計減小接觸壓應力； 減小表面粗糙度。減小表面粗糙度。 磨粒磨損磨粒磨損 （1）定義：）定義：又稱磨料磨損，在滑動摩擦時零件表面存在硬質又稱磨料磨損，在滑動摩擦時零件表面存在硬質 磨粒，使磨面發(fā)生局部塑性變形，磨粒嵌入、磨粒切割金磨粒，使磨面發(fā)生局

19、部塑性變形，磨粒嵌入、磨粒切割金 屬表面從而導致零件表面逐漸損耗的一種磨損。屬表面從而導致零件表面逐漸損耗的一種磨損。 （2）過程）過程 總 結 磨損是機械零件常見的一種失效形式，總是磨損是機械零件常見的一種失效形式，總是 從零件表面開始發(fā)生。各種磨損的過程和機從零件表面開始發(fā)生。各種磨損的過程和機 理不同，因此其主要的預防措施也不同。理不同，因此其主要的預防措施也不同。 提高零件表面硬度，合理設計減小壓應力，提高零件表面硬度，合理設計減小壓應力， 以及提高表面光潔度等對降低磨損都有利。以及提高表面光潔度等對降低磨損都有利。 1.2.3 材料在高溫下的力學行為材料在高溫下的力學行為 1、材料的強度隨溫度的升高而降抵。、材料的強度隨溫度的升高而降抵。 2、高溫下材料的強度隨時間的延長而降抵。、高溫下材料的強度隨時間的延長而降抵。 3、高溫下材料的變形量隨時間的延長而增加。、高溫下材料的變形量隨時間的延長而增加。 蠕變：材料在長時間恒應