工程材料的分類與性能指標(biāo)教學(xué)課件

1、根據(jù)斷口的宏觀表面對(duì)應(yīng)力的取向，斷裂方式又可分根據(jù)斷口的宏觀表面對(duì)應(yīng)力的取向，斷裂方式又可分為：為： 正斷正斷（斷口的宏觀表面垂直于最大正應(yīng)力或最大正應(yīng)變方向的斷裂）（斷口的宏觀表面垂直于最大正應(yīng)力或最大正應(yīng)變方向的斷裂） 切斷切斷（斷口的宏觀表面平行于最大切應(yīng)力或最大切應(yīng)變方向的斷裂）（斷口的宏觀表面平行于最大切應(yīng)力或最大切應(yīng)變方向的斷裂）脆性材料的斷裂形式：圖脆性材料的斷裂形式：圖韌性材料的斷裂形式：圖韌性材料的斷裂形式：圖正斷抗力正斷抗力SK：材料抵抗正斷的性能指標(biāo)：材料抵抗正斷的性能指標(biāo)切斷抗力切斷抗力K：材料抵抗切斷的性能指標(biāo)：材料抵抗切斷的性能指標(biāo)材料對(duì)塑性變形的抗力，實(shí)質(zhì)上是剪切

2、屈服強(qiáng)度材料對(duì)塑性變形的抗力，實(shí)質(zhì)上是剪切屈服強(qiáng)度s。 在外載的作用下，根據(jù)最大切應(yīng)力理論和最大拉在外載的作用下，根據(jù)最大切應(yīng)力理論和最大拉應(yīng)力理論求出零件危險(xiǎn)點(diǎn)處的最大切應(yīng)力應(yīng)力理論求出零件危險(xiǎn)點(diǎn)處的最大切應(yīng)力max和最大拉和最大拉應(yīng)力應(yīng)力max。當(dāng)最大應(yīng)力隨著外載的增加而成比例增加時(shí)，當(dāng)最大應(yīng)力隨著外載的增加而成比例增加時(shí)，材料的斷裂可有以下三種情況：材料的斷裂可有以下三種情況：當(dāng)載荷增加當(dāng)載荷增加，使得，使得max SK，而自始至終，而自始至終max s時(shí)，時(shí)，材料發(fā)生正斷，斷裂前無塑性變形，是脆性斷裂。材料發(fā)生正斷，斷裂前無塑性變形，是脆性斷裂。當(dāng)載荷增加當(dāng)載荷增加， 先使先使max

3、s，然后使然后使max k而自始至而自始至終終max SK，這時(shí)材料先發(fā)生塑性變形，然后發(fā)生切這時(shí)材料先發(fā)生塑性變形，然后發(fā)生切斷，是韌性斷裂。斷，是韌性斷裂。當(dāng)載荷增加當(dāng)載荷增加， 先使先使max s，然后使然后使max SK 而自始而自始至終至終max k ，這時(shí)材料先發(fā)生塑性變形，然后發(fā)生正這時(shí)材料先發(fā)生塑性變形，然后發(fā)生正斷，這種正斷是韌性斷裂。斷，這種正斷是韌性斷裂。影響脆性斷裂的基本因素影響脆性斷裂的基本因素 ： 脆性斷裂脆性斷裂事先沒有明顯的征兆，且在名義應(yīng)力較低事先沒有明顯的征兆，且在名義應(yīng)力較低的情況下突然發(fā)生（故又稱的情況下突然發(fā)生（故又稱低應(yīng)力脆斷低應(yīng)力脆斷），其），其危

4、害性最危害性最大大。因而，人們一直。因而，人們一直關(guān)注脆性斷裂的預(yù)防關(guān)注脆性斷裂的預(yù)防。 零件在服役過程中是否會(huì)發(fā)生脆性斷裂，零件在服役過程中是否會(huì)發(fā)生脆性斷裂，一方面一方面取取決于材料本身的性質(zhì)和健全度，決于材料本身的性質(zhì)和健全度，另一方面另一方面還受零件工作還受零件工作條件，如應(yīng)力狀態(tài)、工作溫度、加載速度、環(huán)境介質(zhì)等條件，如應(yīng)力狀態(tài)、工作溫度、加載速度、環(huán)境介質(zhì)等外界因素的影響。（以下分別介紹）外界因素的影響。（以下分別介紹）材料的性質(zhì)和健全度對(duì)脆性斷裂的影響：材料的性質(zhì)和健全度對(duì)脆性斷裂的影響： 材料的正斷抗力低，剪切屈服強(qiáng)度高時(shí)，其脆性斷裂的材料的正斷抗力低，剪切屈服強(qiáng)度高時(shí)，其脆性斷

5、裂的傾向就大。反之，則不易發(fā)生脆性斷裂。傾向就大。反之，則不易發(fā)生脆性斷裂。 金屬材料的金屬材料的正斷抗力正斷抗力首先首先取決于基體相原子間的取決于基體相原子間的鍵合強(qiáng)鍵合強(qiáng)度度，鍵合力高者其正斷抗力自然也高；，鍵合力高者其正斷抗力自然也高； 其次其次取決于材料的取決于材料的健全度健全度，冶金缺陷、冷熱加工缺陷等，冶金缺陷、冷熱加工缺陷等使材料健全度降低，因而導(dǎo)致正斷抗力下降；使材料健全度降低，因而導(dǎo)致正斷抗力下降； 再次再次取決于取決于材料顯微組織中各薄弱相（或組成體）相遇材料顯微組織中各薄弱相（或組成體）相遇的幾率的幾率，當(dāng)各個(gè)薄弱環(huán)節(jié)有機(jī)會(huì)連接在一起形成薄弱面時(shí)，當(dāng)各個(gè)薄弱環(huán)節(jié)有機(jī)會(huì)連接

6、在一起形成薄弱面時(shí)，其正斷抗力必然下降。其正斷抗力必然下降。由此可以推斷材料的體積尺寸越大，由此可以推斷材料的體積尺寸越大，所包含的缺陷就越多，各種缺陷相遇的幾率也越大，其正斷所包含的缺陷就越多，各種缺陷相遇的幾率也越大，其正斷抗力就越低?？沽驮降汀?yīng)力狀態(tài)對(duì)脆性斷裂的影響：應(yīng)力狀態(tài)對(duì)脆性斷裂的影響： 受載零件在任一受載零件在任一危險(xiǎn)點(diǎn)危險(xiǎn)點(diǎn)上總存在著最大正應(yīng)力和最上總存在著最大正應(yīng)力和最大切應(yīng)力。大切應(yīng)力。 使金屬材料產(chǎn)生塑性變形的是切應(yīng)力，而拉應(yīng)力增使金屬材料產(chǎn)生塑性變形的是切應(yīng)力，而拉應(yīng)力增大時(shí)則易使材料脆性斷裂大時(shí)則易使材料脆性斷裂。 因此，因此，最大切應(yīng)力和最大正應(yīng)力的相對(duì)大小可以

7、最大切應(yīng)力和最大正應(yīng)力的相對(duì)大小可以判斷出材料發(fā)生韌性斷裂還是脆性斷裂的傾向。判斷出材料發(fā)生韌性斷裂還是脆性斷裂的傾向。 =max/max。稱為稱為應(yīng)力狀態(tài)的軟性系數(shù)應(yīng)力狀態(tài)的軟性系數(shù)。越大，表明應(yīng)力狀態(tài)越越大，表明應(yīng)力狀態(tài)越軟，材料發(fā)生韌性斷裂的傾向越大；反之應(yīng)力狀態(tài)越硬，軟，材料發(fā)生韌性斷裂的傾向越大；反之應(yīng)力狀態(tài)越硬，易使材料發(fā)生脆性斷裂。易使材料發(fā)生脆性斷裂。例如例如：材料承受三向不等拉伸時(shí)，發(fā)生脆斷的傾向最大，：材料承受三向不等拉伸時(shí)，發(fā)生脆斷的傾向最大，三向不等壓縮時(shí)材料易發(fā)生塑性變形。三向不等壓縮時(shí)材料易發(fā)生塑性變形。 零件結(jié)構(gòu)形狀的零件結(jié)構(gòu)形狀的突變部位突變部位、表面缺口表面缺

8、口及及材料的各種缺陷材料的各種缺陷等，都會(huì)使這些部位產(chǎn)生應(yīng)等，都會(huì)使這些部位產(chǎn)生應(yīng)力集中并造成三向不等拉伸等應(yīng)力狀態(tài)，而力集中并造成三向不等拉伸等應(yīng)力狀態(tài)，而增大脆性破壞的傾向增大脆性破壞的傾向。另外，截面尺寸大的。另外，截面尺寸大的零件，當(dāng)在某一方向產(chǎn)生拉應(yīng)變時(shí)，另兩個(gè)零件，當(dāng)在某一方向產(chǎn)生拉應(yīng)變時(shí)，另兩個(gè)方向的收縮變形均會(huì)受到較大的約束，即易方向的收縮變形均會(huì)受到較大的約束，即易產(chǎn)生平面應(yīng)變狀態(tài)或三向拉應(yīng)力狀態(tài)，因而產(chǎn)生平面應(yīng)變狀態(tài)或三向拉應(yīng)力狀態(tài)，因而也傾向于脆性斷裂也傾向于脆性斷裂。 工作溫度對(duì)脆性斷裂的影響：工作溫度對(duì)脆性斷裂的影響： 工作溫度降低時(shí)工作溫度降低時(shí)，金屬材料，特別是，

9、金屬材料，特別是體心立方晶格體心立方晶格的的金屬材料的塑性變形抗力增大，即金屬材料的塑性變形抗力增大，即屈服強(qiáng)度升高屈服強(qiáng)度升高，而對(duì)正，而對(duì)正斷抗力（主要取決于原子鍵合力）影響不大。因而當(dāng)溫度斷抗力（主要取決于原子鍵合力）影響不大。因而當(dāng)溫度降低至一定程度（降低至一定程度（T1300MPa高強(qiáng)度鋼以及在加熱或腐蝕條件下工作高強(qiáng)度鋼以及在加熱或腐蝕條件下工作的所有金屬材料，的所有金屬材料， 它們的它們的 -N曲線出現(xiàn)不水平部分，一般規(guī)定曲線出現(xiàn)不水平部分，一般規(guī)定N=5107108時(shí)所對(duì)應(yīng)的最大循環(huán)應(yīng)力值作為材料的時(shí)所對(duì)應(yīng)的最大循環(huán)應(yīng)力值作為材料的條件疲勞極限條件疲勞極限。（）疲勞極限（）疲勞

10、極限 1 1與靜強(qiáng)度的關(guān)系與靜強(qiáng)度的關(guān)系（經(jīng)驗(yàn)關(guān)系）（經(jīng)驗(yàn)關(guān)系）利用這一經(jīng)驗(yàn)關(guān)系可以對(duì)利用這一經(jīng)驗(yàn)關(guān)系可以對(duì) 1進(jìn)行大致的估算進(jìn)行大致的估算，還可依還可依據(jù)此關(guān)系找到提高材料疲勞強(qiáng)度的途徑。據(jù)此關(guān)系找到提高材料疲勞強(qiáng)度的途徑。 當(dāng)材料的當(dāng)材料的 b低于某一值時(shí)，它的低于某一值時(shí)，它的 1隨隨 b的提高的提高而提高。而提高。 ( b1300MPa（硬度約小于（硬度約小于40HRC）的鋼，）的鋼， 1=0.5 b) 當(dāng)鋼的強(qiáng)度很高當(dāng)鋼的強(qiáng)度很高, b 1600MPa （硬度約大于（硬度約大于48HRC）時(shí)，它的）時(shí)，它的 1不再隨不再隨 b的提高而提高，甚至的提高而提高，甚至出現(xiàn)下降趨勢(shì)。這時(shí)高強(qiáng)

11、度鋼的塑性就顯示出作用，出現(xiàn)下降趨勢(shì)。這時(shí)高強(qiáng)度鋼的塑性就顯示出作用，強(qiáng)度相同而塑性較高的鋼，其強(qiáng)度相同而塑性較高的鋼，其 1也高。也高。（5 5）材料在其它循環(huán)應(yīng)力下的疲勞極限：）材料在其它循環(huán)應(yīng)力下的疲勞極限： 疲勞極限（疲勞極限（ 1）的測(cè)定是在旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)）的測(cè)定是在旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)，正弦波對(duì)稱循環(huán)條件下測(cè)定的，但在許多情況驗(yàn)，正弦波對(duì)稱循環(huán)條件下測(cè)定的，但在許多情況下，材料所受的負(fù)載與此不同，這時(shí)材料的疲勞極下，材料所受的負(fù)載與此不同，這時(shí)材料的疲勞極限與（限與（ 1）不同，而且不便測(cè)定，大量研究表明，）不同，而且不便測(cè)定，大量研究表明，它們都與它們都與 1有密切關(guān)系。有密切關(guān)系。

12、不同循環(huán)應(yīng)力特征下的疲勞極限：不同循環(huán)應(yīng)力特征下的疲勞極限： 任何循環(huán)應(yīng)力都是由靜載應(yīng)力分量任何循環(huán)應(yīng)力都是由靜載應(yīng)力分量 m和交變應(yīng)和交變應(yīng)力分量力分量 a組成，組成，引起疲勞斷裂的根本原因是交變應(yīng)引起疲勞斷裂的根本原因是交變應(yīng)力分量力分量 a， a越大，疲勞極限越低；越大，疲勞極限越低； a越小，疲勞越小，疲勞極限越高。極限越高。 總之，總之，在各種不對(duì)稱循環(huán)下材料的疲勞極限都在各種不對(duì)稱循環(huán)下材料的疲勞極限都高于高于 1 ，因而按因而按 1 進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算是偏于安進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算是偏于安全的，全的， 1 也可用于比較不同材料的疲勞抗力也可用于比較不同材料的疲勞抗力，以，以供選材時(shí)參考。

13、供選材時(shí)參考。不同應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞極限：不同應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞極限：同一材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下所測(cè)得的疲勞極限同一材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下所測(cè)得的疲勞極限不同不同。它們之間的關(guān)系如下：。它們之間的關(guān)系如下：彎曲疲勞極限彎曲疲勞極限 1拉壓疲勞極限拉壓疲勞極限 1P扭轉(zhuǎn)疲勞極限扭轉(zhuǎn)疲勞極限1關(guān)系的解釋關(guān)系的解釋：交變彎曲時(shí)，表面應(yīng)力最大，疲：交變彎曲時(shí)，表面應(yīng)力最大，疲勞裂紋源多發(fā)生在表面；交變拉壓時(shí)，截面上應(yīng)力勞裂紋源多發(fā)生在表面；交變拉壓時(shí)，截面上應(yīng)力相等，疲勞裂紋源可能發(fā)生在表面，也可在內(nèi)部，相等，疲勞裂紋源可能發(fā)生在表面，也可在內(nèi)部，發(fā)生疲勞損傷的機(jī)會(huì)較多，表現(xiàn)為發(fā)生疲勞損傷的機(jī)會(huì)較多，表現(xiàn)為

14、1P較??；扭轉(zhuǎn)較小；扭轉(zhuǎn)時(shí)，交變切應(yīng)力比拉應(yīng)力更容易使材料局部產(chǎn)生微時(shí)，交變切應(yīng)力比拉應(yīng)力更容易使材料局部產(chǎn)生微小塑性變形，即更容易產(chǎn)生疲勞損傷，因而小塑性變形，即更容易產(chǎn)生疲勞損傷，因而扭轉(zhuǎn)疲扭轉(zhuǎn)疲勞極限勞極限1最低。最低。（6）材料的低周疲勞及其抗力）材料的低周疲勞及其抗力 低周疲勞低周疲勞的特點(diǎn)是：最大循環(huán)應(yīng)力接近或高于材料的特點(diǎn)是：最大循環(huán)應(yīng)力接近或高于材料的屈服強(qiáng)度，它足以使材料的應(yīng)力集中處等薄弱部位發(fā)的屈服強(qiáng)度，它足以使材料的應(yīng)力集中處等薄弱部位發(fā)生塑性變形，因而材料在每一周次的循環(huán)應(yīng)力作用下，生塑性變形，因而材料在每一周次的循環(huán)應(yīng)力作用下，均產(chǎn)生一定幅度的塑性變形。低周疲勞壽命較

15、短，一般均產(chǎn)生一定幅度的塑性變形。低周疲勞壽命較短，一般在在102105次的范圍內(nèi)。次的范圍內(nèi)。 一般用塑性應(yīng)變幅（一般用塑性應(yīng)變幅（p）對(duì)應(yīng)于疲勞斷裂周次的）對(duì)應(yīng)于疲勞斷裂周次的p-Nf曲線來描述材料的低周疲勞抗力，如圖所示曲線來描述材料的低周疲勞抗力，如圖所示。 由圖可知，塑性應(yīng)變幅由圖可知，塑性應(yīng)變幅p是決定材料是決定材料低周疲勞壽命低周疲勞壽命Nf的主要因素。對(duì)于同一的主要因素。對(duì)于同一材料，材料，p越小，越小，Nf 越高；對(duì)于不同材越高；對(duì)于不同材料，塑性越高，對(duì)塑性應(yīng)變循環(huán)的耐受料，塑性越高，對(duì)塑性應(yīng)變循環(huán)的耐受性越好，低周疲勞壽命也越高。性越好，低周疲勞壽命也越高。 因此，為了提

16、高零件的低周疲勞壽命，因此，為了提高零件的低周疲勞壽命，它的選材應(yīng)在滿足強(qiáng)度要求的前提下，它的選材應(yīng)在滿足強(qiáng)度要求的前提下，盡量選用高塑性的材料。盡量選用高塑性的材料。 另外，周期性的塑性應(yīng)變會(huì)使材料的塑變抗力發(fā)另外，周期性的塑性應(yīng)變會(huì)使材料的塑變抗力發(fā)生生改變改變。有時(shí)，反復(fù)的塑性應(yīng)變會(huì)使材料的塑變抗力。有時(shí)，反復(fù)的塑性應(yīng)變會(huì)使材料的塑變抗力增大增大，這種現(xiàn)象稱為，這種現(xiàn)象稱為循環(huán)硬化循環(huán)硬化；而有時(shí)，又會(huì)出現(xiàn)材；而有時(shí)，又會(huì)出現(xiàn)材料的塑變抗力料的塑變抗力減小減小的現(xiàn)象，稱為的現(xiàn)象，稱為循環(huán)軟化循環(huán)軟化。循環(huán)軟化。循環(huán)軟化首先使應(yīng)力集中處的材料軟化，使應(yīng)力得以重新分布，首先使應(yīng)力集中處的材料

17、軟化，使應(yīng)力得以重新分布，削減應(yīng)力集中削減應(yīng)力集中。 因此，因此，在保證不發(fā)生過量塑變的前提下，選用循環(huán)在保證不發(fā)生過量塑變的前提下，選用循環(huán)軟化的材料是有意義的。軟化的材料是有意義的。（7）影響疲勞強(qiáng)度的因素）影響疲勞強(qiáng)度的因素 零件的疲勞強(qiáng)度對(duì)各種零件的疲勞強(qiáng)度對(duì)各種外在因素外在因素和和內(nèi)在因素內(nèi)在因素是非常敏是非常敏感的。感的。 外在因素外在因素包括零件的形狀、尺寸、表面粗糙度及使用包括零件的形狀、尺寸、表面粗糙度及使用條件等。條件等。 內(nèi)在因素內(nèi)在因素包括材料本身的成分、組織狀態(tài)、純凈度和殘包括材料本身的成分、組織狀態(tài)、純凈度和殘余應(yīng)力等。余應(yīng)力等。 這些因素的細(xì)微變化，均會(huì)造成零件疲

18、勞性能的波動(dòng)這些因素的細(xì)微變化，均會(huì)造成零件疲勞性能的波動(dòng)甚至大幅度變化。甚至大幅度變化。應(yīng)力集中的影響應(yīng)力集中的影響 ： 前面所講的材料的疲勞極限，都是用精心加工的光滑前面所講的材料的疲勞極限，都是用精心加工的光滑試樣測(cè)得的。實(shí)際零件都存在試樣測(cè)得的。實(shí)際零件都存在各種缺口各種缺口，如，如凸階、溝槽、凸階、溝槽、孔洞孔洞等。這些幾何形狀不光滑連續(xù)的部位均造成應(yīng)力集中，等。這些幾何形狀不光滑連續(xù)的部位均造成應(yīng)力集中，使該處的實(shí)際應(yīng)力水平遠(yuǎn)高于名義應(yīng)力，疲勞破壞往往就使該處的實(shí)際應(yīng)力水平遠(yuǎn)高于名義應(yīng)力，疲勞破壞往往就從這里開始。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因應(yīng)力集中導(dǎo)致的疲勞失效，在各從這里開始。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因應(yīng)力集中

19、導(dǎo)致的疲勞失效，在各種影響因素中居首位。種影響因素中居首位。 試驗(yàn)結(jié)果也表明，缺口的存在使材料的疲勞極限降低，試驗(yàn)結(jié)果也表明，缺口的存在使材料的疲勞極限降低，且缺口越尖銳，且缺口越尖銳，1降低得越多。缺口對(duì)材料疲勞抗力的影降低得越多。缺口對(duì)材料疲勞抗力的影響程度又隨材料不同而有差異，受其影響大的材料稱它的響程度又隨材料不同而有差異，受其影響大的材料稱它的疲勞缺口敏感度大疲勞缺口敏感度大。通常，材料的。通常，材料的強(qiáng)度越高強(qiáng)度越高，疲勞缺口敏疲勞缺口敏感度越大感度越大，而，而強(qiáng)度較低、內(nèi)部又有許多缺陷的灰鑄鐵，其強(qiáng)度較低、內(nèi)部又有許多缺陷的灰鑄鐵，其疲勞缺口敏感度很小疲勞缺口敏感度很小。 表面狀

20、態(tài)的影響表面狀態(tài)的影響 ： 模具或零件的表面模具或零件的表面粗糙度粗糙度、加工缺陷加工缺陷、表面處理工藝表面處理工藝及及殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力等均影響疲勞強(qiáng)度。等均影響疲勞強(qiáng)度。 表面粗糙、刀痕或裂紋等損傷會(huì)引起應(yīng)力集中，未完表面粗糙、刀痕或裂紋等損傷會(huì)引起應(yīng)力集中，未完全去除的表面脫碳層會(huì)使表面強(qiáng)度降低，某些加工或處理全去除的表面脫碳層會(huì)使表面強(qiáng)度降低，某些加工或處理會(huì)使表面存在殘余拉應(yīng)力等，這些因素均導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度的會(huì)使表面存在殘余拉應(yīng)力等，這些因素均導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度的大幅度降低。大幅度降低。 而能提高表面強(qiáng)度和產(chǎn)生表面殘余壓應(yīng)力的各種表面而能提高表面強(qiáng)度和產(chǎn)生表面殘余壓應(yīng)力的各種表面強(qiáng)化處理，如表面

21、冷作變形（噴丸、滾壓等）和表面熱處強(qiáng)化處理，如表面冷作變形（噴丸、滾壓等）和表面熱處理（表面淬火、薄殼淬火、滲碳、滲氮、氮碳共滲等）均理（表面淬火、薄殼淬火、滲碳、滲氮、氮碳共滲等）均能顯著提高疲勞強(qiáng)度。能顯著提高疲勞強(qiáng)度。 表面鍍層也能使表面強(qiáng)化，但若鍍層中存在裂紋，或表面鍍層也能使表面強(qiáng)化，但若鍍層中存在裂紋，或鍍層引起基體金屬表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力、氫脆等現(xiàn)象時(shí)，鍍層引起基體金屬表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力、氫脆等現(xiàn)象時(shí)，將會(huì)使疲勞強(qiáng)度下降。將會(huì)使疲勞強(qiáng)度下降。 尺寸因素的影響尺寸因素的影響 ： 用來測(cè)定材料疲勞極限的試樣較小，其截面直徑一般用來測(cè)定材料疲勞極限的試樣較小，其截面直徑一般為為712mm

22、，而零件的截面尺寸往往大于試樣。試驗(yàn)，而零件的截面尺寸往往大于試樣。試驗(yàn)表明，隨著試樣直徑加大，所測(cè)得的疲勞極限下降，且材表明，隨著試樣直徑加大，所測(cè)得的疲勞極限下降，且材料的強(qiáng)度越高，下降的幅度越大。這就是疲勞極限的尺寸料的強(qiáng)度越高，下降的幅度越大。這就是疲勞極限的尺寸效應(yīng)。效應(yīng)。 其其原因原因，可以認(rèn)為是隨著尺寸增大，材料處于高應(yīng)力，可以認(rèn)為是隨著尺寸增大，材料處于高應(yīng)力區(qū)的體積增大，所包含的缺陷增多，產(chǎn)生疲勞破壞的幾率區(qū)的體積增大，所包含的缺陷增多，產(chǎn)生疲勞破壞的幾率增加。尺寸因素對(duì)不同載荷或不同應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞極限增加。尺寸因素對(duì)不同載荷或不同應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞極限影響的程度不同，一般對(duì)

23、交變彎曲下的影響的程度不同，一般對(duì)交變彎曲下的1影響較大。影響較大。材料本身的影響材料本身的影響 ： 材料本身的化學(xué)成分、組織狀態(tài)和內(nèi)部缺陷，是決材料本身的化學(xué)成分、組織狀態(tài)和內(nèi)部缺陷，是決定材料疲勞強(qiáng)度的內(nèi)因。定材料疲勞強(qiáng)度的內(nèi)因。 由于在一定的強(qiáng)度范圍內(nèi)，疲勞極限和抗拉強(qiáng)度關(guān)由于在一定的強(qiáng)度范圍內(nèi)，疲勞極限和抗拉強(qiáng)度關(guān)系密切因而提高抗拉強(qiáng)度的合金化和熱處理手段均能系密切因而提高抗拉強(qiáng)度的合金化和熱處理手段均能提高疲勞極限。提高疲勞極限。 但對(duì)但對(duì)高強(qiáng)度鋼，還要改善其塑性才能使疲勞極限繼高強(qiáng)度鋼，還要改善其塑性才能使疲勞極限繼續(xù)提高。續(xù)提高。（8）材料在其他條件下的疲勞及其抗力）材料在其他條

24、件下的疲勞及其抗力 根據(jù)零件的載荷性質(zhì)和工作環(huán)境條件，還可能發(fā)根據(jù)零件的載荷性質(zhì)和工作環(huán)境條件，還可能發(fā)生具有其他特點(diǎn)的疲勞。如承受沖擊載荷的零件會(huì)發(fā)生具有其他特點(diǎn)的疲勞。如承受沖擊載荷的零件會(huì)發(fā)生沖擊疲勞，承受循環(huán)熱負(fù)荷的零件會(huì)發(fā)生熱疲勞，生沖擊疲勞，承受循環(huán)熱負(fù)荷的零件會(huì)發(fā)生熱疲勞，經(jīng)常與腐蝕介質(zhì)接觸的模具會(huì)發(fā)生腐蝕疲勞等。經(jīng)常與腐蝕介質(zhì)接觸的模具會(huì)發(fā)生腐蝕疲勞等。 沖擊疲勞沖擊疲勞 ： 零件在沖擊載荷的多次作用下所發(fā)生的疲勞破壞稱為零件在沖擊載荷的多次作用下所發(fā)生的疲勞破壞稱為沖擊疲勞。沖擊疲勞。 沖擊疲勞和靜疲勞具有相同的破壞過程和破壞機(jī)制，沖擊疲勞和靜疲勞具有相同的破壞過程和破壞機(jī)制

25、，對(duì)材料的性能要求也有相似的規(guī)律。對(duì)材料的性能要求也有相似的規(guī)律。 在沖擊能量高時(shí)，疲勞斷裂周次很低在沖擊能量高時(shí)，疲勞斷裂周次很低（Nf 2 104），），材料的疲勞抗力主要取決于材料的疲勞抗力主要取決于強(qiáng)度強(qiáng)度。 錘鍛模承受的沖擊能量，大多介于上述兩種情況之間，錘鍛模承受的沖擊能量，大多介于上述兩種情況之間，要求材料具有強(qiáng)度和塑性的良好配合。要求材料具有強(qiáng)度和塑性的良好配合。 沖擊疲勞下的缺口效應(yīng)要比靜疲勞大沖擊疲勞下的缺口效應(yīng)要比靜疲勞大。這些特點(diǎn)。這些特點(diǎn)要求在設(shè)計(jì)承受沖擊力的零件時(shí)，應(yīng)考慮使零件的尺要求在設(shè)計(jì)承受沖擊力的零件時(shí)，應(yīng)考慮使零件的尺寸和結(jié)構(gòu)具有整體柔度，從而具有吸收沖擊能

26、量、減寸和結(jié)構(gòu)具有整體柔度，從而具有吸收沖擊能量、減小沖擊應(yīng)力的能力。小沖擊應(yīng)力的能力。 同時(shí)，還應(yīng)盡量減少因結(jié)構(gòu)因素引起的應(yīng)力集中。同時(shí)，還應(yīng)盡量減少因結(jié)構(gòu)因素引起的應(yīng)力集中。 熱疲勞熱疲勞 ： 若零件工作表面承受循環(huán)熱負(fù)荷，使得表面材料發(fā)若零件工作表面承受循環(huán)熱負(fù)荷，使得表面材料發(fā)生循環(huán)脹縮變形，當(dāng)這種變形受到外界（包括內(nèi)部不變生循環(huán)脹縮變形，當(dāng)這種變形受到外界（包括內(nèi)部不變形材料）的約束不能自由地進(jìn)行時(shí)，就使表面材料產(chǎn)生形材料）的約束不能自由地進(jìn)行時(shí)，就使表面材料產(chǎn)生循環(huán)熱應(yīng)力。循環(huán)熱應(yīng)力。 循環(huán)熱應(yīng)力的反復(fù)作用將使循環(huán)熱應(yīng)力的反復(fù)作用將使零件表面零件表面多處產(chǎn)生多處產(chǎn)生沿晶沿晶和穿晶裂

27、紋和穿晶裂紋，即產(chǎn)生了熱疲勞。，即產(chǎn)生了熱疲勞。 零件表層的脹縮變形大多受二維約束，呈二向應(yīng)力零件表層的脹縮變形大多受二維約束，呈二向應(yīng)力狀態(tài)。狀態(tài)。為了減小熱應(yīng)力，從材料的物理性能考慮，應(yīng)選為了減小熱應(yīng)力，從材料的物理性能考慮，應(yīng)選用彈性模量低、線脹系數(shù)小的材料。另外，材料的導(dǎo)熱用彈性模量低、線脹系數(shù)小的材料。另外，材料的導(dǎo)熱性能好，利于減小表層和心部的溫度梯度，從而減小對(duì)性能好，利于減小表層和心部的溫度梯度，從而減小對(duì)表層材料脹縮的約束。表層材料脹縮的約束。 熱疲勞破壞是由循環(huán)塑性應(yīng)變引起的，是應(yīng)變損傷積累的熱疲勞破壞是由循環(huán)塑性應(yīng)變引起的，是應(yīng)變損傷積累的結(jié)果，其本質(zhì)是應(yīng)變疲勞。結(jié)果，其

28、本質(zhì)是應(yīng)變疲勞。因而，材料的熱疲勞性能可用試驗(yàn)因而，材料的熱疲勞性能可用試驗(yàn)測(cè)定的測(cè)定的p-Nf曲線來描述。這里，曲線來描述。這里，p為熱塑性應(yīng)變幅，為熱塑性應(yīng)變幅，Nf為為熱疲勞壽命。熱疲勞壽命。 和低周疲勞（應(yīng)變疲勞）相似，和低周疲勞（應(yīng)變疲勞）相似，在保證一定強(qiáng)度的基礎(chǔ)上在保證一定強(qiáng)度的基礎(chǔ)上提高材料的塑性，才能提高其熱疲勞抗力提高材料的塑性，才能提高其熱疲勞抗力。而高強(qiáng)度且脆性較。而高強(qiáng)度且脆性較大的材料難以塑性變形，其熱應(yīng)力很容易升高達(dá)到材料的斷裂大的材料難以塑性變形，其熱應(yīng)力很容易升高達(dá)到材料的斷裂抗力，從而易產(chǎn)生熱疲勞裂紋。相應(yīng)地，材料熱處理后的硬度抗力，從而易產(chǎn)生熱疲勞裂紋。相

29、應(yīng)地，材料熱處理后的硬度過低或過高，均影響其熱疲勞抗力。過低或過高，均影響其熱疲勞抗力。 例如例如，用，用4Cr5MoSiV鋼制造的鋁合金壓鑄模，其最佳硬度為鋼制造的鋁合金壓鑄模，其最佳硬度為4046HRC，硬度超過，硬度超過50HRC，將很快出現(xiàn)熱疲勞裂紋。，將很快出現(xiàn)熱疲勞裂紋。 在設(shè)計(jì)承受循環(huán)熱負(fù)荷的零件結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)注意盡量減小應(yīng)在設(shè)計(jì)承受循環(huán)熱負(fù)荷的零件結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)注意盡量減小應(yīng)力集中和由于溫度梯度過大所產(chǎn)生的塑性應(yīng)變集中，從而減少力集中和由于溫度梯度過大所產(chǎn)生的塑性應(yīng)變集中，從而減少熱疲勞開裂。熱疲勞開裂。腐蝕疲勞腐蝕疲勞 ： 材料在腐蝕介質(zhì)和循環(huán)應(yīng)力的共同作用下，經(jīng)過一定材料在腐蝕介質(zhì)

30、和循環(huán)應(yīng)力的共同作用下，經(jīng)過一定周次所產(chǎn)生的斷裂失效稱為腐蝕疲勞。周次所產(chǎn)生的斷裂失效稱為腐蝕疲勞。其特點(diǎn)如下：其特點(diǎn)如下：1）材料發(fā)生腐蝕疲勞在任何腐蝕介質(zhì)中均會(huì)出現(xiàn)。材料發(fā)生腐蝕疲勞在任何腐蝕介質(zhì)中均會(huì)出現(xiàn)。2）腐蝕疲勞的腐蝕疲勞的-N曲線沒有水平部分，一般均用指定周次曲線沒有水平部分，一般均用指定周次下斷裂的應(yīng)力作為條件腐蝕疲勞極限。下斷裂的應(yīng)力作為條件腐蝕疲勞極限。3）條件腐蝕疲勞極限和強(qiáng)度之間不存在比例關(guān)系。條件腐蝕疲勞極限和強(qiáng)度之間不存在比例關(guān)系。一般地一般地說，提高材料的強(qiáng)度水平對(duì)腐蝕疲勞抗力不僅沒有好處，說，提高材料的強(qiáng)度水平對(duì)腐蝕疲勞抗力不僅沒有好處，反而將使材料對(duì)腐蝕介質(zhì)更

31、敏感反而將使材料對(duì)腐蝕介質(zhì)更敏感。只有含大量。只有含大量Cr、Ni等合等合金元素的精煉不銹鋼，在經(jīng)過最佳的熱處理后，才顯著提金元素的精煉不銹鋼，在經(jīng)過最佳的熱處理后，才顯著提高腐蝕疲勞抗力。高腐蝕疲勞抗力。4）腐蝕疲勞強(qiáng)度對(duì)加載頻率極為敏感，頻率越低，腐蝕疲腐蝕疲勞強(qiáng)度對(duì)加載頻率極為敏感，頻率越低，腐蝕疲勞極限和壽命也越低，這對(duì)模具來說是很不利的。但腐蝕疲勞極限和壽命也越低，這對(duì)模具來說是很不利的。但腐蝕疲勞抗力對(duì)應(yīng)力集中和表面狀態(tài)的敏感度較小，且尺寸因素對(duì)勞抗力對(duì)應(yīng)力集中和表面狀態(tài)的敏感度較小，且尺寸因素對(duì)它的影響與一般疲勞相反，即腐蝕疲勞壽命隨尺寸的增大而它的影響與一般疲勞相反，即腐蝕疲勞

32、壽命隨尺寸的增大而提高。提高。5）腐蝕疲勞破壞有多個(gè)疲勞源，有特殊的多齒狀宏觀斷口腐蝕疲勞破壞有多個(gè)疲勞源，有特殊的多齒狀宏觀斷口特征，并有腐蝕產(chǎn)物存在。微觀斷口呈晶界斷裂或穿晶與特征，并有腐蝕產(chǎn)物存在。微觀斷口呈晶界斷裂或穿晶與晶界斷裂的混合型。晶界斷裂的混合型。二、物理性能二、物理性能（1）密度：）密度： 單位體積材料的質(zhì)量。單位體積材料的質(zhì)量。 比強(qiáng)度比強(qiáng)度：抗拉強(qiáng)度與密度之比：抗拉強(qiáng)度與密度之比 比彈性模量比彈性模量：彈性模量與密度之比：彈性模量與密度之比（是考慮某些零件材料的重要指標(biāo)，如飛機(jī)宇宙飛是考慮某些零件材料的重要指標(biāo)，如飛機(jī)宇宙飛船上使用的結(jié)構(gòu)材料，對(duì)比強(qiáng)度的要求特別高。船上

33、使用的結(jié)構(gòu)材料，對(duì)比強(qiáng)度的要求特別高。）（2）熔點(diǎn)：）熔點(diǎn)：材料的溶化的溫度。材料的溶化的溫度。 陶瓷的熔點(diǎn)一般都顯著高于金屬及合金的熔點(diǎn)。陶瓷的熔點(diǎn)一般都顯著高于金屬及合金的熔點(diǎn)。玻璃不是晶體，所以沒有固定熔點(diǎn)，高分子材料一玻璃不是晶體，所以沒有固定熔點(diǎn)，高分子材料一般也不是完全晶體，所以沒有固定熔點(diǎn)。般也不是完全晶體，所以沒有固定熔點(diǎn)。（3）熱容：）熱容：在沒有體積變化時(shí)，溫度變化在沒有體積變化時(shí)，溫度變化1O時(shí)材時(shí)材 料熱量的變化。料熱量的變化。 材料中各種不同的材料中各種不同的相變熱相變熱是重要的，最典型的是重要的，最典型的相變熱是相變熱是熔化熱熔化熱和和蒸發(fā)熱蒸發(fā)熱，它們分別是材料熔

34、化和，它們分別是材料熔化和氣化所需要的熱量。氣化所需要的熱量。 相變相變時(shí)材料內(nèi)部的原子或分子時(shí)材料內(nèi)部的原子或分子結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)發(fā)生了發(fā)生了變化變化，這使材料中的這使材料中的熱容也熱容也發(fā)生發(fā)生變化，變化，所以所以科學(xué)家們經(jīng)?？茖W(xué)家們經(jīng)常利用測(cè)定材料熱容的變化來分析相變的過程。利用測(cè)定材料熱容的變化來分析相變的過程。（4）熱膨脹性）熱膨脹性材料的熱膨脹性通常用材料的熱膨脹性通常用線膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù)來表示。來表示。表示每變化表示每變化1O時(shí)引起的材料長(zhǎng)度上相對(duì)膨脹量的大時(shí)引起的材料長(zhǎng)度上相對(duì)膨脹量的大小。小。 對(duì)于精密儀器或機(jī)器的零件，熱膨脹是一個(gè)非對(duì)于精密儀器或機(jī)器的零件，熱膨脹是一個(gè)非常重要的

35、性能指標(biāo)；在有兩種以上材料組合成的零常重要的性能指標(biāo)；在有兩種以上材料組合成的零件中，常因材料的熱膨脹系數(shù)相差過大而導(dǎo)致零件件中，常因材料的熱膨脹系數(shù)相差過大而導(dǎo)致零件的變形或破壞。的變形或破壞。 一般來說，陶瓷材料熱膨脹系數(shù)的最低，金屬一般來說，陶瓷材料熱膨脹系數(shù)的最低，金屬次之，高分子材料最高。次之，高分子材料最高。（5）導(dǎo)熱性）導(dǎo)熱性材料導(dǎo)熱性用材料導(dǎo)熱性用導(dǎo)熱率導(dǎo)熱率表示。表示。 如果材料的導(dǎo)熱率太差，則材料在加熱和冷卻如果材料的導(dǎo)熱率太差，則材料在加熱和冷卻時(shí)，由于表面和內(nèi)部產(chǎn)生溫差，膨脹不同，就會(huì)產(chǎn)時(shí)，由于表面和內(nèi)部產(chǎn)生溫差，膨脹不同，就會(huì)產(chǎn)生變形和開裂。生變形和開裂。 一般導(dǎo)熱性

36、好的材料（銅、鋁等）常用來制造一般導(dǎo)熱性好的材料（銅、鋁等）常用來制造熱交換器等傳熱設(shè)備的零部件。熱交換器等傳熱設(shè)備的零部件。 通常金屬及合金的導(dǎo)熱率遠(yuǎn)高于非金屬材料。通常金屬及合金的導(dǎo)熱率遠(yuǎn)高于非金屬材料。（6）磁性）磁性材料在磁場(chǎng)中的性能叫磁性。材料在磁場(chǎng)中的性能叫磁性。磁性材料磁性材料分為：軟磁性材料分為：軟磁性材料 硬磁性材料硬磁性材料軟磁性材料軟磁性材料：容易被磁化（電工用純鐵、硅鋼片：容易被磁化（電工用純鐵、硅鋼片等），導(dǎo)磁性能良好，但外加磁場(chǎng)去掉后，磁性基等），導(dǎo)磁性能良好，但外加磁場(chǎng)去掉后，磁性基本消失。本消失。硬磁性材料硬磁性材料（永磁材料）：在去除外加磁場(chǎng)后仍能（永磁材料）

37、：在去除外加磁場(chǎng)后仍能保持磁性，磁性也不易消失。保持磁性，磁性也不易消失。另一些金屬材料（銅、鋁、鉛等）是另一些金屬材料（銅、鋁、鉛等）是無磁性無磁性的。非的。非金屬材料一般無磁性。金屬材料一般無磁性。磁性不僅與材料自身的性質(zhì)有關(guān)，而且與材料的晶磁性不僅與材料自身的性質(zhì)有關(guān)，而且與材料的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。體結(jié)構(gòu)有關(guān)。比如，鐵在處于鐵素體狀態(tài)時(shí)具有較比如，鐵在處于鐵素體狀態(tài)時(shí)具有較高磁性，而在奧氏體狀態(tài)時(shí)則是無磁性的。高磁性，而在奧氏體狀態(tài)時(shí)則是無磁性的。（7）導(dǎo)電性：）導(dǎo)電性：（8）介電常數(shù)）介電常數(shù)：表示絕緣材料電性能的物理：表示絕緣材料電性能的物理量。（雖然絕緣體不能導(dǎo)電，但它們對(duì)電場(chǎng)量。（雖

38、然絕緣體不能導(dǎo)電，但它們對(duì)電場(chǎng)并不是毫無反應(yīng)）并不是毫無反應(yīng)）三、化學(xué)性能三、化學(xué)性能（1）耐腐蝕性：）耐腐蝕性：材料抵抗介質(zhì)侵蝕的能力。材料抵抗介質(zhì)侵蝕的能力。常用每年腐蝕深度表示。常用每年腐蝕深度表示。一般非金屬材料的耐腐蝕性比金屬材料高得一般非金屬材料的耐腐蝕性比金屬材料高得多。多。就金屬而言，腐蝕分：化學(xué)腐蝕就金屬而言，腐蝕分：化學(xué)腐蝕 電化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕提高材料耐腐蝕性的方法：均勻化處理提高材料耐腐蝕性的方法：均勻化處理 表面處理表面處理（2）高溫抗氧化性）高溫抗氧化性：指材料在迅速氧化后，能在：指材料在迅速氧化后，能在表面形成一層連續(xù)而致密并與母體結(jié)合牢靠的膜，表面形成一層連續(xù)而

39、致密并與母體結(jié)合牢靠的膜，從而阻止進(jìn)一步氧化的特性。從而阻止進(jìn)一步氧化的特性。（3）抗老化性）抗老化性：材料抵抗老化的能力：材料抵抗老化的能力老化老化：塑料在長(zhǎng)期儲(chǔ)存和使用過程中，由于受到氧、：塑料在長(zhǎng)期儲(chǔ)存和使用過程中，由于受到氧、光、熱等因素的綜合作用，分子鏈逐漸產(chǎn)生交聯(lián)與光、熱等因素的綜合作用，分子鏈逐漸產(chǎn)生交聯(lián)與裂解，性能逐漸惡化，直至喪失使用價(jià)值的現(xiàn)象。裂解，性能逐漸惡化，直至喪失使用價(jià)值的現(xiàn)象。有的塑料有的塑料老化后變硬、變脆、開裂，這是大分子鏈老化后變硬、變脆、開裂，這是大分子鏈之間產(chǎn)生交聯(lián)的結(jié)果；之間產(chǎn)生交聯(lián)的結(jié)果；有的塑料有的塑料老化后變軟、變粘，這是大分子鏈斷開，老化后變軟

40、、變粘，這是大分子鏈斷開，產(chǎn)生裂解的結(jié)果。產(chǎn)生裂解的結(jié)果。提高材料抵抗老化性的方法提高材料抵抗老化性的方法：通過改變高聚物的結(jié)：通過改變高聚物的結(jié)構(gòu)，添加防老化劑和表面處理等。構(gòu)，添加防老化劑和表面處理等。（4）降解性）降解性：指塑料在自然條件下能否迅速：指塑料在自然條件下能否迅速分解的能力。分解的能力。最常見的降解方式最常見的降解方式：碳化：碳化四、工藝性能四、工藝性能 制造機(jī)械零件時(shí)，金屬材料要經(jīng)過熱處理、鑄造、鍛造、焊接以及切削加工等工藝過程。所以選材時(shí)必須充分考慮材料的工藝性能。 工藝性能是指金屬材料對(duì)各種加工工藝的適應(yīng)性。 按工藝方法不同有：熱處理性、鑄造性、鍛造性、焊接性和切削加工性等。 1、熱處理性、熱處理性熱處理性是指材料在改變溫度和冷卻中獲得所需結(jié)構(gòu)和性能的能力。對(duì)鋼而言常指淬透性、淬硬性、耐回火性、過熱敏感性、氧化脫碳傾向、及產(chǎn)生裂紋的傾向性等。2、鑄造性、鑄造性鑄造性是指在鑄造成形過程中，材料所表現(xiàn)出的能力。鑄造性好?？梢澡T造出形狀準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件，并可提高成品率。鑄造性的好壞主要取決于材料的充型能力和收縮等。對(duì)金屬而言，鑄造性主要包括流動(dòng)性、收縮率、偏析傾向等。 充型能力差