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(qiáng)度與塑性二、強(qiáng)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(guò)程中所表現(xiàn)的性能，材料在使用過(guò)程中所表現(xiàn)的性能，包括包括機(jī)械性機(jī)械性能（或力學(xué)性能）、物理性能能（或力學(xué)性能）、物理性能和和化學(xué)性能化學(xué)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(guò)程中所表現(xiàn)的性能。材料在加工過(guò)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(guān)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(guān)系發(fā)生變化。化。l機(jī)械性能：機(jī)械性能：零件在外力作用下，材料所表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)行為，零件在外力作用下，材料所表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)行為，可分為四大類(lèi)：可分為四大類(lèi)：強(qiáng)度類(lèi)強(qiáng)度類(lèi)（如屈服強(qiáng)度、康來(lái)強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度（如屈服強(qiáng)度、康來(lái)強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等）、等）、塑韌性類(lèi)塑韌性類(lèi)（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(yīng)力松弛）。（如磨損、應(yīng)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(fù)的變形。外力去除后能夠恢復(fù)的變形。l塑性變形：塑性變形：外力去除后不能恢復(fù)的變形。外力去除后不能恢復(fù)的變形。應(yīng)力應(yīng)力 = P/F0應(yīng)變應(yīng)變 = (l-l0)/l0拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸試驗(yàn)機(jī)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(yīng)力拉伸初期，應(yīng)力應(yīng)變曲線為一直線。應(yīng)變曲線為一直線。階段階段: 屈服階段屈服階段 當(dāng)應(yīng)力增加至一定值時(shí)，應(yīng)力當(dāng)應(yīng)力增加至一定值時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲應(yīng)變曲線出現(xiàn)微小波

4、動(dòng)的屈服平臺(tái)，在此階段內(nèi)，線出現(xiàn)微小波動(dòng)的屈服平臺(tái)，在此階段內(nèi)，應(yīng)力幾乎不變，而變形卻急劇增長(zhǎng)，材料失應(yīng)力幾乎不變，而變形卻急劇增長(zhǎng)，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(qiáng)化階段強(qiáng)化階段 過(guò)屈服后，材料又增強(qiáng)了抵抗變形的能過(guò)屈服后，材料又增強(qiáng)了抵抗變形的能力。力。階段階段: 頸縮階段頸縮階段 應(yīng)力增至最大值，試件的某一局部顯著應(yīng)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(yīng)力低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線l彈性：彈性：材料承受最大彈性變形時(shí)材料承受最大彈性變形時(shí)的應(yīng)力。的應(yīng)力。l指標(biāo)：指標(biāo)：彈性極限彈

5、性極限 e e。l剛度：剛度：材料受力時(shí)抵抗彈性變形材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。的能力。l指標(biāo)：指標(biāo)：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(qiáng)化材料的手段如熱處理、冷熱加工、而逐漸降低外，其他強(qiáng)化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對(duì)彈性模量的影響很小，可以通過(guò)合金化等對(duì)彈性模量的影響很小，可以通過(guò)增加橫截面積增加橫截面積或或改變截面形狀來(lái)提高零件的剛度。改變截面形狀來(lái)提高零件的剛度。 l強(qiáng)度：強(qiáng)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(qiáng)度屈服強(qiáng)度 s：l 材料發(fā)生微量塑性變形時(shí)的應(yīng)力值。材料發(fā)生微量塑性變形時(shí)的應(yīng)力值。l條件屈服強(qiáng)度條件屈服強(qiáng)度 0.2：l 殘余變形量為殘余變形量為0.2%時(shí)的應(yīng)力值。時(shí)的應(yīng)力值。l抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 b：l 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。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(zhǎng)率伸長(zhǎng)率 ：拉伸前拉伸前斷裂后斷裂后l說(shuō)明：說(shuō)明：l 用面縮率表示塑性比伸長(zhǎng)率更接近真實(shí)變形。用面縮率表示塑性比伸長(zhǎng)率更接近真實(shí)變形。l 直徑直徑d0 相同時(shí)，相同時(shí)，l0 ， 。只有當(dāng)。只有當(dāng)l0/

7、d0 為常數(shù)時(shí)，塑性值才為常數(shù)時(shí)，塑性值才有可比性。有可比性。l當(dāng)當(dāng)l0=10d0 時(shí)，伸長(zhǎng)率用時(shí)，伸長(zhǎng)率用 表示；表示；l當(dāng)當(dāng)l0=5d0 時(shí)，伸長(zhǎng)率用時(shí)，伸長(zhǎng)率用 5 表示，顯然表示，顯然 5 l 時(shí)，無(wú)頸縮，為脆性材料表征時(shí)，無(wú)頸縮，為脆性材料表征 時(shí)，有頸縮，為塑性材料表征時(shí)，有頸縮，為塑性材料表征無(wú)頸縮試樣無(wú)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(biāo)：沖擊韌性值指標(biāo)：沖擊韌性值ak（通過(guò)沖擊實(shí)驗(yàn)測(cè)得）。通過(guò)沖擊實(shí)驗(yàn)測(cè)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(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。材料的使用溫度應(yīng)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?zèng)]有。屬?zèng)]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(fù)交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。重復(fù)交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。l材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力稱材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)

9、生斷裂時(shí)的最大應(yīng)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(guò)通過(guò)改善材料形狀結(jié)構(gòu)改善材料形狀結(jié)構(gòu)，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(jìn)行表面強(qiáng)化進(jìn)行表面強(qiáng)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(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(jì)布氏硬度計(jì)布氏硬度測(cè)試原理布氏硬度測(cè)試原理布氏硬度壓痕布氏硬度壓痕u壓頭為

10、鋼球時(shí)壓頭為鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)，布氏硬度用符號(hào)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(shí)壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，用符號(hào)，用符號(hào)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(hào)符號(hào)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(shí)間。別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)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(cè)得的布氏硬度

11、值為測(cè)得的布氏硬度值為120。u布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。u缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：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(cè)量適于測(cè)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(jì)洛氏硬度計(jì)l洛氏硬度用符號(hào)洛氏硬度用符號(hào)HR表示，表示，HR=k-(h1-h0)/0.002l根據(jù)壓頭類(lèi)型和主載荷不同根據(jù)壓頭類(lèi)型和主載荷不同, 分為九個(gè)標(biāo)尺分為九個(gè)標(biāo)尺, 常用的標(biāo)常用的標(biāo)尺為尺為A、B、C。 洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度測(cè)試示意圖l符號(hào)符號(hào)HR前面

12、的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。lHRA用于測(cè)量高硬度材料用于測(cè)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(cè)量低硬度材料用于測(cè)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(cè)量中等硬度材料，如調(diào)用于測(cè)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(diǎn)：洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，壓痕操作簡(jiǎn)便，壓痕小，適用范圍廣。小，適用范圍廣。l缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：測(cè)量結(jié)果分散度大。測(cè)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(jì)維氏硬度計(jì)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(hào)維氏硬度用符號(hào)HV表示，符號(hào)前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)表示，符號(hào)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(shí)間。字按順序分別表示載荷值及載荷保持時(shí)間。l根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了三種測(cè)定方法根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了三種測(cè)定方法 維氏硬度試驗(yàn)維氏硬度試驗(yàn) 、小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)、顯微維氏硬度試驗(yàn)。小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)、顯微維氏硬度試驗(yàn)。l維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)。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(shí)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(shí)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