第1章 工程材料的主要性能

1、l一、彈性和剛度一、彈性和剛度l二、強度與塑性二、強度與塑性l三、沖擊韌性三、沖擊韌性l四、疲勞四、疲勞l五、硬度五、硬度l使用性能：使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能，材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能，包括包括機械性機械性能（或力學性能）、物理性能能（或力學性能）、物理性能和和化學性能化學性能，是選擇和研制是選擇和研制材料的主要依據(jù)。材料的主要依據(jù)。l工藝性能：工藝性能：材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。包括包括鑄造、鑄造、鍛壓、焊接、熱處理鍛壓、焊接、熱處理和和切削性能切削性能等等。l環(huán)境性能環(huán)境性能：零部件在使用的環(huán)境條件下，零部件的工作參零部件在使用的環(huán)境條件

2、下，零部件的工作參數(shù)和所用材料的性能參數(shù)隨環(huán)境條件以一定的關系發(fā)生變數(shù)和所用材料的性能參數(shù)隨環(huán)境條件以一定的關系發(fā)生變化?；?。l機械性能：機械性能：零件在外力作用下，材料所表現(xiàn)出來的力學行為，零件在外力作用下，材料所表現(xiàn)出來的力學行為，可分為四大類：可分為四大類：強度類強度類（如屈服強度、康來強度、疲勞強度（如屈服強度、康來強度、疲勞強度等）、等）、塑韌性類塑韌性類（如塑性、沖擊韌性）、（如塑性、沖擊韌性）、硬度硬度（布氏硬度、（布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度）、洛氏硬度、維氏硬度）、其它其它（如磨損、應力松弛）。（如磨損、應力松弛）。l變形：變形：材料在外力的作用下發(fā)生形狀和尺寸變化的現(xiàn)象，分

3、材料在外力的作用下發(fā)生形狀和尺寸變化的現(xiàn)象，分為為彈性變形彈性變形和和塑性變形塑性變形。l彈性變形：彈性變形：外力去除后能夠恢復的變形。外力去除后能夠恢復的變形。l塑性變形：塑性變形：外力去除后不能恢復的變形。外力去除后不能恢復的變形。應力應力 = P/F0應變應變 = (l-l0)/l0拉伸試驗機拉伸試驗機低碳鋼的應力低碳鋼的應力- -應變曲線應變曲線拉伸前拉伸前斷裂后斷裂后拉伸試樣拉伸試樣階段階段: 線彈性階段線彈性階段 拉伸初期，應力拉伸初期，應力應變曲線為一直線。應變曲線為一直線。階段階段: 屈服階段屈服階段 當應力增加至一定值時，應力當應力增加至一定值時，應力應變曲應變曲線出現(xiàn)微小波

4、動的屈服平臺，在此階段內(nèi)，線出現(xiàn)微小波動的屈服平臺，在此階段內(nèi)，應力幾乎不變，而變形卻急劇增長，材料失應力幾乎不變，而變形卻急劇增長，材料失去抵抗變形的能力，這種現(xiàn)象稱屈服。去抵抗變形的能力，這種現(xiàn)象稱屈服。階段階段: 強化階段強化階段 過屈服后，材料又增強了抵抗變形的能過屈服后，材料又增強了抵抗變形的能力。力。階段階段: 頸縮階段頸縮階段 應力增至最大值，試件的某一局部顯著應力增至最大值，試件的某一局部顯著收縮，最后在縮頸處斷裂。收縮，最后在縮頸處斷裂。低碳鋼的應力低碳鋼的應力-應變曲線應變曲線l彈性：彈性：材料承受最大彈性變形時材料承受最大彈性變形時的應力。的應力。l指標：指標：彈性極限彈

5、性極限 e e。l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。l指標：指標：彈性模量彈性模量E E： ）（MPatgE 彈性模量彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高的大小主要取決于材料的本性，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、冷熱加工、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，可以通過合金化等對彈性模量的影響很小，可以通過增加橫截面積增加橫截面積或或改變截面形狀來提高零件的剛度。改變截面形狀來提高零件的剛度。 l強度：強度：l 材料在外力作用下抵抗變形和破壞材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力的

6、能力。l屈服強度屈服強度 s：l 材料發(fā)生微量塑性變形時的應力值。材料發(fā)生微量塑性變形時的應力值。l條件屈服強度條件屈服強度 0.2：l 殘余變形量為殘余變形量為0.2%時的應力值。時的應力值。l抗拉強度抗拉強度 b：l 材料斷裂前所承受的最大應力值。材料斷裂前所承受的最大應力值。0.2%100010 FFF 斷面收縮率斷面收縮率 ：拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象%100001 lll 伸長率伸長率 ：拉伸前拉伸前斷裂后斷裂后l說明：說明：l 用面縮率表示塑性比伸長率更接近真實變形。用面縮率表示塑性比伸長率更接近真實變形。l 直徑直徑d0 相同時，相同時，l0 ， 。只有當。只有當l0/

7、d0 為常數(shù)時，塑性值才為常數(shù)時，塑性值才有可比性。有可比性。l當當l0=10d0 時，伸長率用時，伸長率用 表示；表示；l當當l0=5d0 時，伸長率用時，伸長率用 5 表示，顯然表示，顯然 5 l 時，無頸縮，為脆性材料表征時，無頸縮，為脆性材料表征 時，有頸縮，為塑性材料表征時，有頸縮，為塑性材料表征無頸縮試樣無頸縮試樣有頸縮試樣有頸縮試樣 沖擊韌性：材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。沖擊韌性：材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。l指標：沖擊韌性值指標：沖擊韌性值ak（通過沖擊實驗測得）。通過沖擊實驗測得）。l材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。l在某一溫度

8、范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱韌脆轉(zhuǎn)韌脆轉(zhuǎn)變變. .l發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變韌脆轉(zhuǎn)變溫度溫度。l材料的使用溫度應高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。材料的使用溫度應高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。l體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)變溫度，體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而大多數(shù)面心立方金而大多數(shù)面心立方金屬沒有。屬沒有。建造中的建造中的TitanicTitanic近代船用鋼板近代船用鋼板l材料在低于材料在低于 s重復交變應力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。重復交變應力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。l材料在規(guī)定次數(shù)應力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時的最大應力稱材料在規(guī)定次數(shù)應力循環(huán)后仍不發(fā)

9、生斷裂時的最大應力稱為為疲勞極限疲勞極限，用，用 -1表示。表示。l鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107，有色金屬合金為，有色金屬合金為108。l通過通過改善材料形狀結(jié)構改善材料形狀結(jié)構，減少表面缺陷減少表面缺陷，提高表面光潔度提高表面光潔度，進行表面強化進行表面強化等方法可提高材料疲勞抗力。等方法可提高材料疲勞抗力。疲勞應力示意圖疲勞應力示意圖疲勞曲線示意圖疲勞曲線示意圖l材料抵抗表面局部塑性變形的能力。材料抵抗表面局部塑性變形的能力。1 1、布氏硬度、布氏硬度HB)(2102. 022dDDDPHB 布氏硬度計布氏硬度計布氏硬度測試原理布氏硬度測試原理布氏硬度壓痕布氏硬度壓痕u壓頭為

10、鋼球時壓頭為鋼球時，布氏硬度用符號，布氏硬度用符號HBS表示，適用于布氏硬度值在表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。以下的材料。u壓頭為硬質(zhì)合金球時壓頭為硬質(zhì)合金球時，用符號，用符號HBW表示，適用于布氏硬度在表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。以下的材料。u符號符號HBS或或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，之后的數(shù)字按順序分之前的數(shù)字表示硬度值，之后的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。u120HBS10/1000/30：直徑為：直徑為10mm的鋼球在的鋼球在1000kgf(9.807kN)載載荷作用下保持荷作用下保持30s測得的布氏硬度

11、值為測得的布氏硬度值為120。u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。u缺點：缺點：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。u適于測量適于測量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼、鑄鐵及有色金屬的硬度。退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼、鑄鐵及有色金屬的硬度。洛氏硬度計洛氏硬度計l洛氏硬度用符號洛氏硬度用符號HR表示，表示，HR=k-(h1-h0)/0.002l根據(jù)壓頭類型和主載荷不同根據(jù)壓頭類型和主載荷不同, 分為九個標尺分為九個標尺, 常用的標常用的標尺為尺為A、B、C。 洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度測試示意圖l符號符號HR前面

12、的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標尺前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標尺。lHRA用于測量高硬度材料用于測量高硬度材料, 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。lHRB用于測量低硬度材料用于測量低硬度材料, 如有色如有色金屬和退火、正火鋼等。金屬和退火、正火鋼等。lHRC用于測量中等硬度材料，如調(diào)用于測量中等硬度材料，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維氏硬度計維氏硬度計維

13、氏硬度原理維氏硬度原理維氏硬度壓痕維氏硬度壓痕l維氏硬度用符號維氏硬度用符號HV表示，符號前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)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。字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。l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 維氏硬度試驗維氏硬度試驗 、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。l維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點。工藝性能：工藝性能：l1.1.鑄造性能：鑄造性能： 指金屬或合金是否適合鑄造的一些工藝性能。指金屬或合金是否適合鑄造的一些工藝性能。l2.2.焊接性能：焊接性能： 指材料焊接時其工藝方法的難易程度及接口處是否能滿足使用目的的指材料焊接時其工藝方法的難易程度及接口處是否能滿足使用目的的特性。特性。 l3.3.鍛造性能：鍛造性能： 金屬材料在鍛壓加工中能承受塑性變形而不破裂的能力。金屬材料在鍛壓加工中能承受塑性變形而不破裂的能力。l4.4.熱處