第一章工程材料的性能

1、1第第1 1章章 工程材料的性能工程材料的性能 1.1 工程材料的力學性能工程材料的力學性能1.2 工程材料的物理和化學性能工程材料的物理和化學性能1.3 工程材料的工藝性能工程材料的工藝性能2前提：材料的分類前提：材料的分類金屬金屬高分子高分子陶瓷陶瓷材料材料有機材料有機材料無機材料無機材料 復復 合合 材料材料Way?分類：組成成分：組成成分：金屬材料、無機非金屬材料（二氧化硅氣凝膠、水泥、 玻璃、 陶瓷）、有機高分子材料（塑料、橡膠、纖維）、陶瓷材料、復合材料（碳纖維）等；使用功能：使用功能：結構材料和功能材料4工程材料分類工程材料分類5各類材料的特點各類材料的特點金屬材料金屬材料 主要

2、為金屬鍵金屬鍵。熱和電的良導體；具有良好的強度與延展性以及金屬光澤。陶瓷材料陶瓷材料 通常為離子鍵離子鍵或共價鍵共價鍵。絕緣體，而且比較耐熱。高分子材料高分子材料 通常為共價鍵、分子鍵 和氫鍵，以共價鍵共價鍵為主。分子結構都非常大；通常密度較低，在高溫下不穩(wěn)定。復合材料復合材料 性能的復合。 工程材料包括工程材料包括結構材料、功能材料結構材料、功能材料 結構材料結構材料以強度、韌性、塑性等機械性能為主要要求。以強度、韌性、塑性等機械性能為主要要求。 功能材料功能材料以特殊物理性能與化學性能為主要要求。以特殊物理性能與化學性能為主要要求。“性能性能”7鑄造性鑄造性 可鍛性可鍛性可焊性可焊性切削加

3、工性切削加工性熱處理性熱處理性 工程材料的性能工程材料的性能 使用性能使用性能力學性能力學性能* *物理性能物理性能化學性能化學性能 工藝性能工藝性能 1.1 工程材料的力學性能工程材料的力學性能 表征材料在給定外界條件下的行為。8材料在外加載荷（外力或能量）作用下或材料在外加載荷（外力或能量）作用下或載荷與環(huán)境因素（溫度、介質和加載速率）聯(lián)載荷與環(huán)境因素（溫度、介質和加載速率）聯(lián)合作用下表現(xiàn)出來的行為。合作用下表現(xiàn)出來的行為。 主要是指材料在力的作用下抵抗變形和主要是指材料在力的作用下抵抗變形和開裂的性能。開裂的性能。力學性能力學性能9 機械設計中應首先考慮材料的力學性能。機械設計中應首先考

4、慮材料的力學性能。 通俗地講通俗地講, ,力學性能反應在多大和怎樣形式的載荷力學性能反應在多大和怎樣形式的載荷條件下而不致于改變零件幾何形狀和尺寸的能力。條件下而不致于改變零件幾何形狀和尺寸的能力。力學性能指標力學性能指標: 彈性、剛度、彈性、剛度、 塑性、韌性、塑性、韌性、 強度、硬度、強度、硬度、 疲勞強度等。疲勞強度等。工程材料的機械性能工程材料的機械性能 材料在受力時的性質。材料在受力時的性質。（也稱力學性能）。（也稱力學性能）。10力學性能試驗：靜載單向靜拉伸應力力學性能試驗：靜載單向靜拉伸應力應變曲線應變曲線 拉伸機上，低拉伸機上，低碳鋼緩慢加載單向碳鋼緩慢加載單向靜拉伸曲線靜拉伸

5、曲線 拉伸試驗機拉伸試驗機11曲線分為四階段：曲線分為四階段：1階段階段I（oab段）段）彈性彈性變形階段變形階段pa: Pp pb: Pe （不產生永久變形的（不產生永久變形的最大抗力）最大抗力）poa段：段：L P 直線階段直線階段pab段：極微量塑性變形段：極微量塑性變形（0.001-0.005%)2階段階段II（bcd段）段）屈服屈服變形變形pc: 屈服點屈服點 Ps屈服現(xiàn)象：屈服現(xiàn)象：金屬材料開始產生明顯塑性變形的標志。金屬材料開始產生明顯塑性變形的標志。 拉伸機上，低碳鋼緩慢加載單向靜拉伸機上，低碳鋼緩慢加載單向靜載拉伸曲線載拉伸曲線 123階段階段III（dB段）段）均勻均勻塑性

6、變形階段塑性變形階段pB: Pb 材料所能承受的材料所能承受的最大載荷最大載荷4階段階段IV (BK段段) 局部局部集中塑性變形集中塑性變形 低鋼、正火、退火調質中鋼，低、中低鋼、正火、退火調質中鋼，低、中C合金鋼、某些合金鋼、某些Al合金及某些高分子材料具有類似上述曲線。合金及某些高分子材料具有類似上述曲線。 鑄鐵、陶瓷：只有第鑄鐵、陶瓷：只有第I 階段階段 中、高碳鋼：沒有第中、高碳鋼：沒有第II 階段階段頸縮頸縮 拉伸機上，低碳鋼緩慢加載單向拉伸機上，低碳鋼緩慢加載單向靜載拉伸曲線靜載拉伸曲線 13低鋼、正火、退火調質中鋼，低、中低鋼、正火、退火調質中鋼，低、中C C合金鋼某些合金鋼某些

7、AlAl合金及某些高合金及某些高分子材料具有類似上述曲線。分子材料具有類似上述曲線。鑄鐵、陶瓷：只有第鑄鐵、陶瓷：只有第I I階段階段中、高碳鋼：沒有第中、高碳鋼：沒有第IIII階段階段141.1.1 強度強度(strength) 單位： MPa(MN/mm2) 公式：=P/Fo 物理意義物理意義: :材料在載荷作用下抵抗變形和破壞的能力。材料在載荷作用下抵抗變形和破壞的能力。 抗拉強度、抗拉強度、 抗壓強度、抗彎強度抗壓強度、抗彎強度 、 抗剪強度抗剪強度 、 抗抗扭強度等。扭強度等。材料所能承受的極限應力材料所能承受的極限應力. 151 1屈服強度屈服強度s s (yield streng

8、th) a: s=Ps/Fo Ps s = ( M pa ) F0試樣屈服時的載荷( N )試樣原始橫截面積( mm2)s：代表材料開始明顯塑性變形的抗力,是設計和選材的主要依據之一。16 b: 0.2條件屈服強度條件屈服強度 中高碳鋼等無屈服點。國家標準以產生一定的微量塑性變形的抗力的極限應力值來表示。脆性材料：b=s ，如灰口鑄鐵 P0.2 0.2 = ( M pa ) F0試樣產生試樣產生0.2%殘余塑性變殘余塑性變 形時的載荷形時的載荷(N)試樣原始橫截面積( mm2)172 2抗拉強度抗拉強度( tensile strength )( tensile strength )b=Pb/F

9、o 材料被拉斷前所承受的最大應力值。材料被拉斷前所承受的最大應力值。 Pb b = ( M pa ) F0試樣斷裂前的最大載荷試樣斷裂前的最大載荷(N)試樣原始橫截面積( mm2)b：代表材料抵抗外力而代表材料抵抗外力而不致斷裂的極限應力值。不致斷裂的極限應力值。183 3疲勞強度疲勞強度-1 -1 ( fatigue strength )( fatigue strength ) n 疲勞現(xiàn)象： 承受載荷的大小和方向隨時間作周期性變化。在交變應承受載荷的大小和方向隨時間作周期性變化。在交變應力作用下，往往在遠小于強度極限，甚至小于屈服極限的力作用下，往往在遠小于強度極限，甚至小于屈服極限的應力

10、下發(fā)生斷裂。應力下發(fā)生斷裂。（80%的斷裂由疲勞造成）的斷裂由疲勞造成）n 影響因素：影響因素： 循環(huán)應力特征、溫度、材料成分和組織、夾雜物、表面狀循環(huán)應力特征、溫度、材料成分和組織、夾雜物、表面狀態(tài)、殘余應力等。態(tài)、殘余應力等。1943年美國年美國T-2油輪發(fā)生斷裂油輪發(fā)生斷裂19n 疲勞極限疲勞極限-1 -1 ： 材料經無數次應力循環(huán)而不發(fā)材料經無數次應力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最高應力值。生疲勞斷裂的最高應力值。n條件疲勞極限：條件疲勞極限： 經受經受107應力循環(huán)而不致斷裂的最大應力值。應力循環(huán)而不致斷裂的最大應力值。 鋼材的循環(huán)次數一般取鋼材的循環(huán)次數一般取 N = 10N = 107

11、 7有色金屬的循環(huán)次數一般取有色金屬的循環(huán)次數一般取 N = 10N = 108 8鋼材的疲勞強度與抗拉強度之間鋼材的疲勞強度與抗拉強度之間的關系的關系: : -1-1 = (0.45 = (0.450.55)0.55)b b陶瓷、高分子材料疲勞抗力很低；陶瓷、高分子材料疲勞抗力很低；金屬材料疲勞強度較高；金屬材料疲勞強度較高；纖維增強復合材料較好的抗疲勞性能。纖維增強復合材料較好的抗疲勞性能。201.1.2、塑性、塑性 (plasticity)材料在載荷作用下產生塑性變形而不被破壞的能力。材料在載荷作用下產生塑性變形而不被破壞的能力。延伸率與試樣尺寸有關，延伸率與試樣尺寸有關， d5 , d

12、10 (Lo=5do, 10do)。1 1延伸率（延伸率（specific elongationspecific elongation） 10% 屬塑性材料屬塑性材料 是指試樣拉斷后的標距伸長量是指試樣拉斷后的標距伸長量L Lk k與原始標距與原始標距L L0 0之比。之比。Lk: 試樣拉斷后最終標距長度。試樣拉斷后最終標距長度。21u =F/Fo=(Fo-Fk)/Fo x 100%u 越大，塑性愈好u 鑄鐵（灰口）鑄鐵（灰口）鑄鋼（共晶點附近最好）鑄鋼（共晶點附近最好）2.鍛造性能（塑性、變形抗力）鍛造性能（塑性、變形抗力） 低碳鋼低碳鋼中碳鋼（低合金鋼）中碳鋼（低合金鋼）高碳鋼（高合金鋼）

13、鑄鐵不可鍛壓高碳鋼（高合金鋼）鑄鐵不可鍛壓3.焊接性能（可焊性、焊后開裂的傾向、焊區(qū)硬度）焊接性能（可焊性、焊后開裂的傾向、焊區(qū)硬度）低碳鋼低碳鋼中碳鋼（低合金鋼）中碳鋼（低合金鋼）高碳鋼（高合金鋼）高碳鋼（高合金鋼）銅、鋁合金銅、鋁合金4.切削性能（切削難易程度、加工表面質量）切削性能（切削難易程度、加工表面質量）5.熱處理工藝性能（熱處理難易程度及產生缺陷的傾向）熱處理工藝性能（熱處理難易程度及產生缺陷的傾向） 淬透性、變形和開裂、過熱敏感性、回火脆化和氧化脫碳等淬透性、變形和開裂、過熱敏感性、回火脆化和氧化脫碳等指工程材料對各種加工工藝手段所表現(xiàn)出的難易程度。33 CH1 作作 業(yè)業(yè)1. 什么是機械工程材料什么是機械工程材料?試舉幾種常見工程材料并簡述其應用。試舉幾種常見工程材料并簡述其應用。2. 圍繞材料與工程的核心關系是什么？圍繞材料與工程的核心關系是什么？3. 名詞解釋：強度、硬度、塑性、沖擊韌性、屈