工程材料 零部件對材料性能要求

1、01 01 零部件對材料性能的要求零部件對材料性能的要求機械工程材料的類型及主要特征機械工程材料的類型及主要特征零部件所受的各種負荷零部件所受的各種負荷工程設(shè)計與加工處理所需的材料性能工程設(shè)計與加工處理所需的材料性能1.1 1.1 零部件所受的各種負荷零部件所受的各種負荷力學(xué)負荷力學(xué)負荷l 靜載荷：拉伸、壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲靜載荷：拉伸、壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲 動載荷：交變載荷、沖擊載荷動載荷：交變載荷、沖擊載荷l 引起零件的變形（彈性、塑性）甚至斷裂。引起零件的變形（彈性、塑性）甚至斷裂。熱負荷熱負荷 尺寸精度下降；材料強度降低（持久強度）；高溫蠕變；尺寸精度下降；材料強度降低（持久強度）

2、；高溫蠕變；氧化；熱應(yīng)力；熱疲勞氧化；熱應(yīng)力；熱疲勞環(huán)境介質(zhì)的作用環(huán)境介質(zhì)的作用l 腐蝕：化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕、物理腐蝕腐蝕：化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕、物理腐蝕l 摩擦磨損：粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損摩擦磨損：粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損l 老化：高分子材料由于受環(huán)境因素作用而導(dǎo)致性能下降。老化：高分子材料由于受環(huán)境因素作用而導(dǎo)致性能下降。2.2 2.2 工程設(shè)計與加工處理所需材料性能工程設(shè)計與加工處理所需材料性能整機性能、零部件性能與材料性能的關(guān)系整機性能、零部件性能與材料性能的關(guān)系l整機性能：機器構(gòu)造（架構(gòu)）、制造加工、零部件性能整機性能：機器構(gòu)造（架構(gòu)）、制造加工、零部

3、件性能l零部件性能：結(jié)構(gòu)、加工處理、材料性能、使用因素零部件性能：結(jié)構(gòu)、加工處理、材料性能、使用因素l機械設(shè)計時，主要根據(jù)零部件失效方式來正確選材及確機械設(shè)計時，主要根據(jù)零部件失效方式來正確選材及確定零件形狀尺寸。定零件形狀尺寸。2.2 2.2 材料性能材料性能材材料料性性能能使用性能使用性能力學(xué)性能力學(xué)性能：強度、塑性、剛度、彈性、強度、塑性、剛度、彈性、硬度、沖擊韌度、斷裂韌度、疲勞極限、硬度、沖擊韌度、斷裂韌度、疲勞極限、摩擦磨損、高溫蠕變摩擦磨損、高溫蠕變工藝性能工藝性能：鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、切削加工：鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、切削加工理化性能理化性能：密度、熔點、熱膨脹性、導(dǎo)密

4、度、熔點、熱膨脹性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、磁學(xué)性能、光學(xué)性能電性、導(dǎo)熱性、磁學(xué)性能、光學(xué)性能耐酸性、耐堿性、耐蝕性、抗氧化性耐酸性、耐堿性、耐蝕性、抗氧化性材料工藝性能材料工藝性能材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為為變形變形。l外力去除后能夠恢復(fù)的變形稱為外力去除后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形彈性變形。l外力去除后不能恢復(fù)的變形稱為外力去除后不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形塑性變形。 五萬噸水五萬噸水壓機壓機材料的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能低碳鋼的應(yīng)力低碳鋼的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線拉伸試樣拉伸試樣拉伸試驗機拉伸試驗機應(yīng)力應(yīng)力 = P/F0應(yīng)變應(yīng)變 = (l

5、-l0)/l0拉伸實驗和應(yīng)力應(yīng)變曲線拉伸實驗和應(yīng)力應(yīng)變曲線拉伸實驗和應(yīng)力應(yīng)變曲線拉伸實驗和應(yīng)力應(yīng)變曲線彈性和剛度彈性和剛度 彈性：彈性：指標為彈性極限指標為彈性極限 e e，即，即材材料承受最大彈性變形時的應(yīng)力料承受最大彈性變形時的應(yīng)力。 剛度：剛度：材料受力時抵抗彈性變形材料受力時抵抗彈性變形的能力的能力。指標為彈性模量。指標為彈性模量E E。 e彈性模量彈性模量的大小主要取決于材料的本性（的大小主要取決于材料的本性（成分成分），除隨溫度），除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強化材料的手段如熱處理、冷熱加升高而逐漸降低外，其他強化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對彈性模量的影響很小?？梢酝?/p>

6、過增加橫截面工、合金化等對彈性模量的影響很小?？梢酝ㄟ^增加橫截面積或改變截面形狀來提高零件的剛度。積或改變截面形狀來提高零件的剛度。 MPaE tan強度強度：材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。l屈服強度屈服強度 s s：材料發(fā)生微量塑性變形時的應(yīng)力值。材料發(fā)生微量塑性變形時的應(yīng)力值。l條件屈服強度條件屈服強度 p0.2p0.2：殘余變形量為殘余變形量為0.2%0.2%時的應(yīng)力值。時的應(yīng)力值。l抗拉強度抗拉強度 b b：材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。s 0.2 強度強度1010塑性：材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。

7、塑性：材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。伸長率：伸長率：%100001lll斷面收縮率：斷面收縮率：斷裂后斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象塑性塑性%100010FFFl 用斷面縮率表示塑性比伸長率更接近真用斷面縮率表示塑性比伸長率更接近真實變形。實變形。l 直徑直徑d d0 0 相同時，相同時，l l0 0 ， 。只有當。只有當l l0 0/d/d0 0 為常數(shù)時，塑性值才有可比性。為常數(shù)時，塑性值才有可比性。當當l l0 0=10d=10d0 0 時，伸長率用時，伸長率用 表示；表示；當當l l0 0=5d=5d0 0 時，伸長率用時，伸長率用 5 5 表示。顯然表示。顯然

8、5 5 l 時，無頸縮，為時，無頸縮，為脆性材料脆性材料表征表征 時，有頸縮，為時，有頸縮，為塑性材料塑性材料表征表征塑性塑性材料抵抗表面局部塑性變形材料抵抗表面局部塑性變形的能力。的能力。布氏硬度布氏硬度HBHB)(2102. 022dDDDPHB 布氏硬度計布氏硬度計硬度硬度 壓頭為鋼球時，布氏硬度用符號壓頭為鋼球時，布氏硬度用符號HBSHBS表示，適用于表示，適用于布氏硬度值在布氏硬度值在450450以下的材料。以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金球時，用符號壓頭為硬質(zhì)合金球時，用符號HBWHBW表示，適用于布表示，適用于布氏硬度在氏硬度在650650以下的材料。以下的材料。l符號符號HBSHBS

9、或或HBWHBW之前的數(shù)字表示硬之前的數(shù)字表示硬度值度值, , 符號后面的數(shù)字按順序分符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。持時間。 如如120HBS10/1000/30120HBS10/1000/30示直徑為示直徑為10mm10mm的鋼球在的鋼球在1000kgf1000kgf（9.807kN9.807kN）載荷作用下保持）載荷作用下保持30s30s測得的布氏硬度值為測得的布氏硬度值為120120。布氏硬度壓痕布氏硬度壓痕硬度（布氏硬度）硬度（布氏硬度）布氏硬度的優(yōu)點：布氏硬度的優(yōu)點：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點：缺點：壓痕大，

10、不能用于太薄件、成品件及比壓頭還壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。硬的材料。適于測量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼適于測量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼, , 鑄鐵及有色金屬的硬度。鑄鐵及有色金屬的硬度。材料的材料的 b b與與HBHB之間的經(jīng)驗關(guān)系：之間的經(jīng)驗關(guān)系： 對于低碳鋼對于低碳鋼: : b b(MPa)(MPa)3.6HB3.6HB 對于高碳鋼：對于高碳鋼： b b(MPa)(MPa)3.4HB3.4HB 對于鑄鐵：對于鑄鐵： b b(MPa)(MPa)1HB1HB或或 b b(MPa)(MPa) 0.6(HB-40) 0.6(HB-40)HB b(MPa)鋼鋼黃銅黃銅球墨鑄鐵球墨鑄鐵硬度（

11、布氏硬度）硬度（布氏硬度）h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計洛氏硬度計洛氏硬度用符號洛氏硬度用符號HRHR表示，表示，HR=HR=k k-(-(h h1 1- -h h0 0)/0.002)/0.002根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個標尺，根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個標尺，常用的標尺為常用的標尺為A A、B B、C C。 硬度（洛氏硬度）硬度（洛氏硬度）符號符號HRHR前面的數(shù)字為前面的數(shù)字為硬度值硬度值，后面為使用的，后面為使用的標尺標尺。lHRAHRA用于測量用于測量高硬度材料高硬度材料, , 如硬質(zhì)如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。合金、表淬層和滲碳層。lHRBH

12、RB用于測量用于測量低硬度材料低硬度材料, , 如有色如有色金屬和退火、正火鋼等。金屬和退火、正火鋼等。lHRCHRC用于測量用于測量中等硬度材料中等硬度材料，如調(diào)，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。質(zhì)鋼、淬火鋼等。l洛氏硬度的優(yōu)點：洛氏硬度的優(yōu)點：操作簡便，壓痕操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。小，適用范圍廣。l缺點：缺點：測量結(jié)果分散度大。測量結(jié)果分散度大。鋼球壓頭與鋼球壓頭與金剛石壓頭金剛石壓頭洛氏硬度壓痕洛氏硬度壓痕硬度（洛氏硬度）硬度（洛氏硬度）維氏硬度計維氏硬度計維氏硬度試驗原理維氏硬度試驗原理維氏硬度壓痕維氏硬度壓痕硬度（維式硬度）硬度（維式硬度） 維氏硬度用符號維氏硬度用符號HVHV表示，符號前

13、的數(shù)字為硬度值，后面的表示，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。數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。 根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了三種測定方法根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了三種測定方法維氏硬度試維氏硬度試驗驗 、小負荷維氏硬度試驗、顯微維氏硬度試驗、小負荷維氏硬度試驗、顯微維氏硬度試驗。 維氏硬度保留了布氏硬度和維氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的優(yōu)點。洛氏硬度的優(yōu)點。 小負荷維氏硬度小負荷維氏硬度計計顯微維氏硬度計顯微維氏硬度計硬度（維式硬度）硬度（維式硬度）是指材料抵抗沖擊載荷是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。作用而不破壞的能力。l 指標為沖擊韌性指標為沖擊

14、韌性值值a ak k( (通過沖擊通過沖擊實驗測得實驗測得) )。沖擊韌性沖擊韌性2020韌脆轉(zhuǎn)變溫度韌脆轉(zhuǎn)變溫度(BDTT) 材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱韌脆轉(zhuǎn)變韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌脆。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變韌脆轉(zhuǎn)變溫度溫度。材料的使用溫度應(yīng)。材料的使用溫度應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。韌體心立方金屬具有體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而大多數(shù)面心立方金大多數(shù)面心立方金屬沒有。屬沒有。沖擊韌性沖擊韌性TITANICTITANIC的

15、沉沒與的沉沒與船體材料的質(zhì)量直船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)接有關(guān)沖擊韌性沖擊韌性Titanic Titanic 號鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗結(jié)果號鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗結(jié)果疲勞現(xiàn)象疲勞現(xiàn)象24疲勞的特點 （1）斷裂應(yīng)力b b，甚至s s； （2）出現(xiàn)脆性斷裂； （3）對材料的缺陷（缺口、裂紋和組織缺陷）十分敏感； （4）疲勞破壞能清楚顯示裂紋的萌生和擴展，斷裂； （5）存在破壞的臨界應(yīng)力ac； （6）破壞數(shù)據(jù)的分散性很大。 疲勞特點疲勞特點通過改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，提高表面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，進行表面強化等方法可提

16、高材料疲勞抗力。光潔度，進行表面強化等方法可提高材料疲勞抗力。軸的疲勞斷口軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）疲勞輝紋（掃描電鏡照片）疲勞斷口疲勞斷口材料在規(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)力稱為稱為疲勞極限疲勞極限。用。用 -1-1表示。表示。鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為10107 7，有色金屬合金為，有色金屬合金為10108 8。疲勞應(yīng)力示意圖疲勞應(yīng)力示意圖疲勞曲線示意圖疲勞曲線示意圖疲勞極限疲勞極限油輪斷裂和北極星導(dǎo)油輪斷裂和北極星導(dǎo)彈發(fā)動機殼體爆炸與彈發(fā)動機殼體爆炸與材料中存在缺陷有關(guān)材料中存在缺陷有關(guān) 1943年美國年美國

17、T-2油輪發(fā)生斷裂油輪發(fā)生斷裂北極星導(dǎo)北極星導(dǎo)彈彈裂紋擴展的基本形式裂紋擴展的基本形式斷裂韌性斷裂韌性斷裂韌性斷裂韌性l 應(yīng)力強度因子應(yīng)力強度因子：描述裂紋尖端附近應(yīng)力場強度的：描述裂紋尖端附近應(yīng)力場強度的指標。指標。aYKIl斷裂韌性：斷裂韌性：材料抵抗內(nèi)材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴展的能力。部裂紋失穩(wěn)擴展的能力。 C C 為斷裂應(yīng)力，為斷裂應(yīng)力，a aC C 為臨界為臨界裂紋半長，單位為裂紋半長，單位為 CCICaYK2/3mMN2/1mMPa或或高溫力學(xué)性能高溫力學(xué)性能高溫力學(xué)性能特點高溫力學(xué)性能特點金屬材料：隨著金屬材料：隨著 溫度溫度 T 的升高的升高- 強度降低。強度降低。不同溫度靜拉伸

18、試驗發(fā)現(xiàn)，不同溫度靜拉伸試驗發(fā)現(xiàn)，隨試驗溫度升高，屈服平臺隨試驗溫度升高，屈服平臺消失消失，而且，而且材料所能承受的最大載荷也降低材料所能承受的最大載荷也降低。 塑性增大塑性增大 高溫蠕變高溫蠕變/ /蠕變極限蠕變極限蠕變（蠕變（Creep） 材料在材料在長時間長時間的的恒溫恒溫、恒載荷恒載荷作用下作用下緩慢緩慢地產(chǎn)生地產(chǎn)生塑性變形塑性變形的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。蠕變極限：蠕變極限：反映長期載荷反映長期載荷作用下的材料對高溫蠕作用下的材料對高溫蠕變變形的抗力變變形的抗力導(dǎo)電性導(dǎo)電性材料的理化性能材料的理化性能熔點熔點熱膨脹性熱膨脹性密度密度汽車儀表板前部件汽車儀表板前部件鎂合金，減重鎂合金，減重68%

19、導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性磁學(xué)性能磁學(xué)性能光學(xué)性能光學(xué)性能材料的理化性能材料的理化性能海水腐蝕海水腐蝕氧化破壞氧化破壞Ti-Al多孔材料多孔材料熔蝕熔蝕-磨損磨損材料的工藝性能材料的工藝性能( (鑄造性鑄造性) ) 材料在鑄造成形過程中獲得材料在鑄造成形過程中獲得形狀準確、內(nèi)部健全鑄件形狀準確、內(nèi)部健全鑄件的能的能力稱為材料的力稱為材料的鑄造性能鑄造性能。 金屬的鑄造性能主要用金屬的鑄造性能主要用流動性流動性、收縮性收縮性、吸氣性吸氣性、偏析傾偏析傾向向等來衡量?；诣T鐵和青銅具有較好的鑄造性能。等來衡量。灰鑄鐵和青銅具有較好的鑄造性能。用于測試合金流動性的一些方式用于測試合金流動性的一些方式材料的工藝性能材

20、料的工藝性能( (可鍛性可鍛性) ) 金屬材料的金屬材料的鍛壓性能（可鍛性）鍛壓性能（可鍛性）是指金屬是指金屬經(jīng)受塑性變形而經(jīng)受塑性變形而不開裂的能力不開裂的能力。 鍛壓性能的優(yōu)劣常用金屬材料的鍛壓性能的優(yōu)劣常用金屬材料的塑性塑性和和變形抗力變形抗力來綜合衡來綜合衡量。量。塑性越好，變形抗力越小，則可鍛性越好。塑性越好，變形抗力越小，則可鍛性越好。 影響因素：影響因素：內(nèi)在因素（成分、組織）、加工條件（速度、內(nèi)在因素（成分、組織）、加工條件（速度、溫度）、應(yīng)力狀態(tài)（壓應(yīng)力狀態(tài)）。溫度）、應(yīng)力狀態(tài)（壓應(yīng)力狀態(tài)）。3030材料的工藝性能材料的工藝性能( (焊接性焊接性) )焊接性是指材料可以在限定

21、的施工條件下焊接性是指材料可以在限定的施工條件下焊接成焊接成滿足設(shè)計要求的構(gòu)件滿足設(shè)計要求的構(gòu)件，并，并達到預(yù)定工作要求達到預(yù)定工作要求的能的能力。力。常見焊接缺陷常見焊接缺陷未焊透未焊透材料的工藝性能材料的工藝性能( (切削加工性切削加工性) )切削加工性是指材料被刀具切削加工性是指材料被刀具切削加工而成為合格切削加工而成為合格工件的難易程度工件的難易程度。通過適當?shù)臒崽幚恚梢愿纳魄邢骷庸ば?。通過適當?shù)臒崽幚恚梢愿纳魄邢骷庸ば?。材料的工藝性能材料的工藝性? (熱處理工藝性熱處理工藝性) )熱處理工藝性是指材料熱處理工藝性是指材料接受熱處理的難易程度和接受熱處理的難易程度和產(chǎn)生熱處理缺陷的傾向產(chǎn)生熱處理缺陷的傾向。常用評價指標包括：常用評價指標包括：淬透性、淬硬性、回火脆性、淬透性、淬硬性、回火脆性、氧化脫碳傾向、變形開裂傾向氧化脫碳傾向、變形開裂傾向。M量和硬度隨深度的變化量和硬度隨深度的變化2.3 2.3 機械工程材料的類型及主要特征機械工程材料的類型及主要特征機機械械工工程程材材料料金屬材料金屬材料高分子材料高分子材料陶瓷材料陶瓷材料復(fù)合材料復(fù)合材料鋼鐵金屬：鑄鐵、碳鋼、合金鋼鋼