工程材料-第一章_材料的性能

1、主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：l材料的力學(xué)性能l材料的物理和化學(xué)性能l材料的工藝性能材料的性能材料的性能力學(xué)性能（機(jī)械性能）力學(xué)性能（機(jī)械性能）物理性能物理性能化學(xué)性能化學(xué)性能工藝性能工藝性能使用性能使用性能鑄造性能鑄造性能焊接性能焊接性能可鍛性能可鍛性能切削加工性能切削加工性能第一章 材料的性能第一章 材料的性能1.1 1.1 力學(xué)性能力學(xué)性能第一節(jié)力學(xué)性能第一節(jié)力學(xué)性能材料的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能（Mechanical Property），又稱為機(jī)械性能，是材，又稱為機(jī)械性能，是材料在受外力作用時(shí)表現(xiàn)出的性能。料在受外力作用時(shí)表現(xiàn)出的性能。拉伸試樣（拉伸前和拉伸后）拉伸試樣（拉伸前和拉伸后）第一章

2、材料的性能1.1 1.1 力學(xué)性能力學(xué)性能拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)機(jī)機(jī)拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象AABCDE p e s b E低碳鋼的低碳鋼的 曲線曲線 p比例極限比例極限 e彈性極限彈性極限 s屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 b抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 E E剛度剛度第一章 材料的性能1.1 1.1 力學(xué)性能力學(xué)性能一、彈性和剛度一、彈性和剛度1.1.彈性彈性（Elasticity）材料在外力作用下不產(chǎn)生永久變形的能力。材料在外力作用下不產(chǎn)生永久變形的能力。l 彈性極限彈性極限（Elastic limit） 其中，其中， F Fe e為彈性極限載荷，為彈性極限載荷，NN；A A0 0為試樣原始橫截面積，為試樣

3、原始橫截面積，mmmm2 2。2.2.剛度剛度（Stiffness） 材料在外力作用下抵抗彈性變形的能力。材料在外力作用下抵抗彈性變形的能力。 根據(jù)根據(jù)HookesHookes law law： E 其中，其中，E E為彈性模量，為彈性模量，MPaMPa，表征剛度。，表征剛度。0eeAF（MPa）（MPa）第一章 材料的性能1.1 1.1 力學(xué)性能力學(xué)性能二、強(qiáng)度和硬度二、強(qiáng)度和硬度1.1.強(qiáng)度強(qiáng)度（Strength）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(qiáng)度屈服強(qiáng)度（Yield Strength）材料抵抗塑性變形的能力。材料抵抗塑性變形的能力。其

4、中，其中， F Fs s為試樣屈服時(shí)的載荷，為試樣屈服時(shí)的載荷，NN。沒有明顯塑性變形的塑性材料，以產(chǎn)生沒有明顯塑性變形的塑性材料，以產(chǎn)生0.2%永久變形時(shí)的應(yīng)力值作永久變形時(shí)的應(yīng)力值作為其屈服強(qiáng)度，稱為其屈服強(qiáng)度，稱條件屈服強(qiáng)度條件屈服強(qiáng)度（Offset Yield Strength） 。其中，其中， F F0.20.2為試樣產(chǎn)生為試樣產(chǎn)生0.2%0.2%殘余塑性變形時(shí)的載荷，殘余塑性變形時(shí)的載荷，NN。0ssAF02 . 02 . 0AF（MPa）（MPa）第一章 材料的性能1.1 1.1 力學(xué)性能力學(xué)性能l 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度（Tensile Strength）材料在拉伸力作用下抵抗被拉斷

5、的能力，為材料斷裂前所能承受的材料在拉伸力作用下抵抗被拉斷的能力，為材料斷裂前所能承受的最大應(yīng)力。最大應(yīng)力。其中，其中， F Fb b為試樣斷裂前的最大載荷，為試樣斷裂前的最大載荷，NN。 其他強(qiáng)度指標(biāo)：其他強(qiáng)度指標(biāo)：抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度?？箟簭?qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度。0bbAF（MPa）第一章 材料的性能1.1 1.1 力學(xué)性能力學(xué)性能布氏硬度布氏硬度HBHB洛氏硬度洛氏硬度HRHR維氏硬度維氏硬度HVHV肖氏硬度肖氏硬度HSHS銼刀法銼刀法硬度的測(cè)量方法：硬度的測(cè)量方法：第一章 材料的性能1.1 1.1 力學(xué)性能力學(xué)性能2.2.硬度硬度（Hardness）材料抵

6、抗局部變形的能力，即抵抗其他硬物體壓入其表面的能力。材料抵抗局部變形的能力，即抵抗其他硬物體壓入其表面的能力。通常材料的強(qiáng)度越高，硬度也越高。通常材料的強(qiáng)度越高，硬度也越高。 l 布氏硬度布氏硬度 HB（Brinell-hardness）用一定載荷用一定載荷F F，將直徑為，將直徑為D D 的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓入被測(cè)材料的表面，的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓入被測(cè)材料的表面，保持一定時(shí)間后卸去載荷，根據(jù)壓痕面積確定硬度值。保持一定時(shí)間后卸去載荷，根據(jù)壓痕面積確定硬度值。F壓頭壓頭被測(cè)材料被測(cè)材料布氏硬度測(cè)試示意圖布氏硬度測(cè)試示意圖 布氏硬度計(jì)布氏硬度計(jì) 第一章 材料的性能1.1 1.1 力學(xué)性能

7、力學(xué)性能l 洛氏硬度洛氏硬度 HR（Rockwll hardness）將錐度為將錐度為120120的金剛石或鋼制的金剛石或鋼制標(biāo)準(zhǔn)壓頭用規(guī)定壓力壓入被測(cè)材料表面，標(biāo)準(zhǔn)壓頭用規(guī)定壓力壓入被測(cè)材料表面，根據(jù)壓痕深度確定硬度值。根據(jù)壓痕深度確定硬度值。第一章 材料的性能1.1 1.1 力學(xué)性能力學(xué)性能壓頭壓頭被測(cè)材料被測(cè)材料洛氏硬度測(cè)試方法洛氏硬度測(cè)試方法 洛氏硬度計(jì)洛氏硬度計(jì) l 維氏硬度維氏硬度 HV（Diamond Penetrator Hardness ）用一種頂角為用一種頂角為136136的金鋼石角錐壓頭，在載荷的金鋼石角錐壓頭，在載荷F F（kgfkgf）作用下，材料表）作用下，材料表面

8、壓出一個(gè)四方錐形壓痕，測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度面壓出一個(gè)四方錐形壓痕，測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度d d（mmmm），計(jì)算壓痕面積），計(jì)算壓痕面積A A（mmmm2 2），以），以F F/ /A A的數(shù)值表示硬度值。的數(shù)值表示硬度值。壓頭壓頭被測(cè)材料被測(cè)材料維氏硬度測(cè)試方法維氏硬度測(cè)試方法 維氏硬度計(jì)維氏硬度計(jì) 壓痕壓痕第一章 材料的性能1.1 1.1 力學(xué)性能力學(xué)性能 常用硬度測(cè)試方法的應(yīng)用范圍：常用硬度測(cè)試方法的應(yīng)用范圍：F布氏硬度布氏硬度 HB通常測(cè)試較軟的材料。通常測(cè)試較軟的材料。 如退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼，鑄鐵，有色金屬等。如退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼，鑄鐵，有色金屬等。F洛氏硬度洛氏硬度 HR 通常測(cè)試較硬的

9、材料。通常測(cè)試較硬的材料。 如淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等。如淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等。 布氏硬度和洛氏硬度的簡(jiǎn)單換算：布氏硬度和洛氏硬度的簡(jiǎn)單換算：1HRC 10HBSF維氏硬度維氏硬度HV 適于測(cè)試材料極薄層的硬度。適于測(cè)試材料極薄層的硬度。 如金屬鍍層、薄片金屬、滲碳或氮化件的表面硬度等。如金屬鍍層、薄片金屬、滲碳或氮化件的表面硬度等。第一章 材料的性能1.1 1.1 力學(xué)性能力學(xué)性能三、塑性和韌性三、塑性和韌性1.1.塑性塑性（Plasticity）材料在外力作用下，產(chǎn)生永久殘余變形而不斷裂的能力。材料在外力作用下，產(chǎn)生永久殘余變形而不斷裂的能力。l 斷面收縮率斷面收縮率（Percentage Reduc

10、tion in Area） 其中，其中， A A1 1和和A A0 0分別為試樣拉斷處和試樣原始的橫截面積，分別為試樣拉斷處和試樣原始的橫截面積，mmmm2 2。l 伸長(zhǎng)率（延伸率）伸長(zhǎng)率（延伸率）（Percentage Elongation） 其中，其中， L L1 1和和L L0 0分別為試樣拉斷后和試樣原始的標(biāo)距長(zhǎng)度，分別為試樣拉斷后和試樣原始的標(biāo)距長(zhǎng)度，mmmm。%100AAA010%100LLL010第一章 材料的性能1.1 1.1 力學(xué)性能力學(xué)性能2.2.韌性韌性（Toughness）材料斷裂時(shí)所需能量的度量。材料斷裂時(shí)所需能量的度量。l 沖擊韌性沖擊韌性（Impact Tough

11、ness）材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功A Ak k: : Ak = mgh1 mgh2 （J）沖擊韌性值沖擊韌性值ak 是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功，用以是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功，用以表示材料沖擊韌性的大?。罕硎静牧蠜_擊韌性的大?。?通常材料的塑性越好，韌性也越好。通常材料的塑性越好，韌性也越好。0kkAAa（J/cm2）第一章 材料的性能1.1 1.1 力學(xué)性能力學(xué)性能沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖第一章 材料的性能1.1 1.1 力學(xué)性能

12、力學(xué)性能 材料的強(qiáng)度、硬度與塑性、韌性的關(guān)系：材料的強(qiáng)度、硬度與塑性、韌性的關(guān)系：F通常，材料的強(qiáng)度越高，則硬度越大。通常，材料的強(qiáng)度越高，則硬度越大。F通常，材料的塑性越好，則韌性越好。通常，材料的塑性越好，則韌性越好。F通常，材料的強(qiáng)度和硬度越高，則塑性和韌性越低。通常，材料的強(qiáng)度和硬度越高，則塑性和韌性越低。第一章 材料的性能1.1 1.1 力學(xué)性能力學(xué)性能四、疲勞強(qiáng)度四、疲勞強(qiáng)度l 疲勞疲勞（Fatigue） 材料在交變載荷作用下，在低于其屈服強(qiáng)度的應(yīng)力下即發(fā)生斷裂的材料在交變載荷作用下，在低于其屈服強(qiáng)度的應(yīng)力下即發(fā)生斷裂的現(xiàn)象?，F(xiàn)象。l 疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度（Fatigue Streng

13、th）材料在規(guī)定次數(shù)的交變載荷作用下，而不至引起斷裂的最大應(yīng)力，材料在規(guī)定次數(shù)的交變載荷作用下，而不至引起斷裂的最大應(yīng)力，用用 -1 表示。疲勞強(qiáng)度又稱疲勞極限。表示。疲勞強(qiáng)度又稱疲勞極限。規(guī)定次數(shù)：規(guī)定次數(shù)：鋼鐵材料：鋼鐵材料：10107 7有色金屬及其合金：有色金屬及其合金：10108 8。 鋼鐵材料的鋼鐵材料的 -1 -1值約為其值約為其 b b的的1/21/2，非金屬材料的，非金屬材料的 -1 -1 一般遠(yuǎn)低于金屬。一般遠(yuǎn)低于金屬。 材料的疲勞損壞在工程領(lǐng)域中是較普遍的一種失效形式。因此，提高材料的疲勞損壞在工程領(lǐng)域中是較普遍的一種失效形式。因此，提高 材料及其制品的疲勞壽命非常重要。

14、材料及其制品的疲勞壽命非常重要。 第一章 材料的性能1.1 1.1 力學(xué)性能力學(xué)性能第二節(jié)物理和化學(xué)性能第二節(jié)物理和化學(xué)性能一、物理性能一、物理性能（Physical Property）材料的物理性能是物質(zhì)的化學(xué)組成不改變而某種性質(zhì)發(fā)生變化時(shí)所材料的物理性能是物質(zhì)的化學(xué)組成不改變而某種性質(zhì)發(fā)生變化時(shí)所表現(xiàn)出來的性能。表現(xiàn)出來的性能。1.1.密度密度（Density）材料單位體積的質(zhì)量。材料單位體積的質(zhì)量。 與密度有關(guān)的重要指標(biāo)：與密度有關(guān)的重要指標(biāo)：l 比強(qiáng)度比強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度與密度的比值，抗拉強(qiáng)度與密度的比值， b/ 。 飛機(jī)、宇宙飛船上使用的結(jié)構(gòu)材料要求有高的比強(qiáng)度。飛機(jī)、宇宙飛船上使用的結(jié)

15、構(gòu)材料要求有高的比強(qiáng)度。 TiTi、AlAl及其合金具有高的比強(qiáng)度。及其合金具有高的比強(qiáng)度。l 比彈性模量比彈性模量 彈性模量與密度的比值，彈性模量與密度的比值， E/ 。第一章 材料的性能1.2 1.2 物理和化學(xué)性能物理和化學(xué)性能2.2.熔點(diǎn)熔點(diǎn)（Melting Point）材料的熔化溫度。材料的熔化溫度。 晶體材料具有固定的熔點(diǎn)，而非晶體則沒有固定的熔點(diǎn)。晶體材料具有固定的熔點(diǎn)，而非晶體則沒有固定的熔點(diǎn)。 3.3.熱容熱容（Heat Capacity） 材料在沒有體積變化時(shí)，溫度變化材料在沒有體積變化時(shí)，溫度變化1時(shí)熱量的變化。時(shí)熱量的變化。材料從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)，其內(nèi)部的原子或

16、分子結(jié)構(gòu)通常要材料從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)，其內(nèi)部的原子或分子結(jié)構(gòu)通常要發(fā)生變化，這使材料的熱容也發(fā)生變化。如材料在熔化或氣化時(shí)，需發(fā)生變化，這使材料的熱容也發(fā)生變化。如材料在熔化或氣化時(shí)，需要外界輸入熱量，表現(xiàn)為材料的熱容發(fā)生了變化。要外界輸入熱量，表現(xiàn)為材料的熱容發(fā)生了變化。 4.4.熱膨脹性熱膨脹性（Expansibility）l 線膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù)材料每變化材料每變化1時(shí)引起的長(zhǎng)度相對(duì)膨脹量的大小。時(shí)引起的長(zhǎng)度相對(duì)膨脹量的大小。 一般來說，陶瓷的線膨脹系數(shù)最小，金屬次之，高分子材料最大。一般來說，陶瓷的線膨脹系數(shù)最小，金屬次之，高分子材料最大。第一章 材料的性能1.2 1.2 物理

17、和化學(xué)性能物理和化學(xué)性能 5. 5.導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性（Heat Conductivity）材料傳導(dǎo)熱量的性能。材料傳導(dǎo)熱量的性能。通常，金屬及合金的導(dǎo)熱性遠(yuǎn)高于非金屬材料。通常，金屬及合金的導(dǎo)熱性遠(yuǎn)高于非金屬材料。 6.6.導(dǎo)電性導(dǎo)電性（Electric Conductivity）材料傳導(dǎo)電荷的性能，用電導(dǎo)率或電阻率表示。材料傳導(dǎo)電荷的性能，用電導(dǎo)率或電阻率表示。 金屬及其合金一般具有良好的導(dǎo)電性，陶瓷材料和高分子材料一般是金屬及其合金一般具有良好的導(dǎo)電性，陶瓷材料和高分子材料一般是絕緣體。絕緣體。 7.7.磁性磁性（Magnetism）材料在磁場(chǎng)中導(dǎo)磁的性能。材料在磁場(chǎng)中導(dǎo)磁的性能。物質(zhì)的磁性主

18、要有抗磁性、順磁性、鐵磁性等。物質(zhì)的磁性主要有抗磁性、順磁性、鐵磁性等。 8.8.介電常數(shù)介電常數(shù)（Dielectric Constant）材料在電場(chǎng)中被極化的性能。材料在電場(chǎng)中被極化的性能。第一章 材料的性能1.2 1.2 物理和化學(xué)性能物理和化學(xué)性能二、化學(xué)性能二、化學(xué)性能（Chemical Property）材料的化學(xué)性能是物質(zhì)通過發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而改變某種性質(zhì)時(shí)所表現(xiàn)材料的化學(xué)性能是物質(zhì)通過發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而改變某種性質(zhì)時(shí)所表現(xiàn)出來的性能。出來的性能。1.1.耐腐蝕性耐腐蝕性（Corrosion Resistance）材料抵抗介質(zhì)侵蝕的能力。材料抵抗介質(zhì)侵蝕的能力。陶瓷材料和高分子材料的耐腐蝕

19、性通常比金屬材料高得多。陶瓷材料和高分子材料的耐腐蝕性通常比金屬材料高得多。 2.2.高溫抗氧化性高溫抗氧化性（Oxidation Resistance at High Temperature) 材料在高溫下迅速氧化后，能在表面形成一層連續(xù)而致密并與母體結(jié)材料在高溫下迅速氧化后，能在表面形成一層連續(xù)而致密并與母體結(jié) 合牢靠的膜從而阻止進(jìn)一步氧化的能力。合牢靠的膜從而阻止進(jìn)一步氧化的能力。 3.3.抗老化性能抗老化性能（Ageing Resistance） 高分子材料抵抗老化的能力。高分子材料抵抗老化的能力。 4.4.降解性降解性（Degradability） 塑料在自然環(huán)境下能否迅速分解的能力。塑料在自然環(huán)境下能否迅速分解的能力。第一章 材料的性能1.2 1.2 物理和化學(xué)性能物理和化學(xué)性能第三節(jié)工藝性能第三節(jié)工藝性能（Technological Property）材料的工藝性能是材料在實(shí)際生產(chǎn)加工過程中適應(yīng)工藝要求所表現(xiàn)材料的工藝性能是材料在實(shí)際生產(chǎn)加工過程中適應(yīng)工藝要求所表現(xiàn)出來的性能，又稱為加工性能。出來的性能，又稱為加工性能。一、鑄造性一、鑄造性（Casting Characteristics）澆注鑄件時(shí)，液態(tài)材料能充滿鑄