復(fù)旦大學(xué)工程材料課件01工程材料的性能

1、第一章 工程材料的性能 本章主要討論工程材料的使用性能：即在使用條件下表現(xiàn)出來的性能，包括物理、化學(xué)、力學(xué)性能。它決定了材料的使用范圍與壽命。材料的力學(xué)性能是指材料在外力作用下所表現(xiàn)出的抵抗能力。由于載荷的形式不同，材料可表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能，如強度、硬度、塑性、韌性、疲勞強度等。材料的力學(xué)性能是零件設(shè)計、材料選擇及工藝評定的主要依據(jù)。低碳鋼拉伸曲線材料伸長量材料原長試樣原始橫截面積工程材料的強度強度：在載荷作用下材料抵抗塑性變形或斷裂的能力，一般多以抗拉強度作為基本的強度指標(biāo)（ ）屈服強度：材料抗塑性變形的能力 國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：殘余應(yīng)變量為0.2%時的應(yīng)力值作為屈服強度，稱為條件屈服強度，即抗

2、拉強度:材料抵抗斷裂的能力注:若不允許塑性變形，用 來校核強度(空氣壓縮機機匣螺栓);若只要求不斷裂,用 校核(一般機械上的連接螺栓) 剛度與彈性模量剛度是指零件或構(gòu)件抵抗彈性變形的能力。在構(gòu)件形狀、尺寸不變的情況下，其剛度決定于材料的彈性模量。在比例極限（ ）的范圍內(nèi)有：彈性模量主要取決于金屬的本身性質(zhì)，與晶格類型和原子間距有關(guān)，而熱處理等強化 手段對彈性模量影響極小。材料的塑性塑性是指在外力作用下材料產(chǎn)生永久變形而不被破壞的能力。常用的塑性指標(biāo)是伸長率（ ）和斷面收縮率（ ）注： 的大小與試樣的長度有關(guān)，而 與試樣的尺寸無關(guān)，而且對材料的塑性更敏感，更可靠地反映材料的塑性。 和 的值越大，

3、表示金屬的塑性越好。材料的硬度硬度即材料的堅硬程度，如果過低，那么在材料使用過程中表面會容易產(chǎn)生劃痕、凹坑和磨損。工程上用于測量材料硬度方法有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等。肖氏硬度用來測量橡膠的硬度。布氏硬度（HB）布氏硬度值實際上是指材料壓坑單位球面積上的抵抗力優(yōu)點：受材料不均勻度影響小，誤差小缺點：當(dāng)材料太硬（布氏硬度大于650）時，球形壓頭可能變形；也不宜檢測成品、小件、薄件的硬度洛氏硬度（HR）洛氏硬度值的計算深度為兩次壓深的差值（ ）優(yōu)點：測量簡便，直接讀數(shù)，表面壓坑小，多用于較薄材料或成品檢測缺點：深度過小，誤差較大，常采用不同部位多點測量，取平均值維氏硬度（HV）維氏硬度值的測

4、量方法與布氏硬度法類似（1360）優(yōu)點：測量精度高，可測硬度范圍寬，特別適宜測定工件表面硬化層、金屬鍍層及薄片金屬的硬度缺點：維氏硬度計試驗效率低，要求較高的試驗技術(shù)，對于試樣表面的光潔度要求較高，通常需要制作專門的試樣，操作麻煩費時，通常只在實驗室中使用肖氏硬度（HS）應(yīng)用彈性回跳法將撞銷從一定高度落到所試材料的表面上而發(fā)生回跳其中K為常數(shù)，金屬彈性極限越高，塑性變形越小，則儲存的彈性能量越高，回跳的高度也越高，表明材料越硬。優(yōu)點：沖擊力小，產(chǎn)生的壓痕小，對試樣破壞小。肖氏硬度計重量輕，攜帶方便，適應(yīng)現(xiàn)場測量莫氏硬度應(yīng)用劃痕法將棱錐形金剛鉆針刻劃所試礦物的表面而發(fā)生劃痕，習(xí)慣上礦物學(xué)或?qū)毷瘜W(xué)

5、上都是用莫氏硬度用測得的劃痕的深度分十級來表示硬度：滑石1，石膏2，方解石3，螢石4，磷灰石5，正長石6，石英7，黃玉8，剛玉9，金剛石10應(yīng)用時作刻劃比較確定硬度。如某礦物能將方解石刻出劃痕，而不能刻螢石，則其莫氏硬度為34，其他類推。莫氏硬度僅為相對硬度，比較粗略優(yōu)點：莫氏硬度應(yīng)用方便，野外作業(yè)時常采用沖擊韌度帶缺口的試件在沖擊破壞時斷裂面上所吸收的能量，是評定材料塑性變形和抵抗沖擊能力的一種實用指標(biāo)試樣橫截面單位面積上所消耗的功即為沖擊韌度值金屬材料的沖擊韌度值不能直接用于零件的設(shè)計計算,但對承受沖擊載荷的零件,有一定的沖擊韌度要求,以保證零件使用的安全性疲勞斷裂和疲勞強度在交變載荷作用

6、下,工作應(yīng)力遠小于 抗拉強度或屈服強度時,長期工作后斷裂的現(xiàn)象叫做疲勞斷裂。機理：材料表面的刀痕、尖角等應(yīng)力集中處和內(nèi)部的夾渣、氣孔等缺陷處首先產(chǎn)生裂紋，隨循環(huán)周次數(shù)的增加，疲勞裂紋不斷擴展，直至零件的有效橫截面積不能承受時突然斷裂材料的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)達到某一基數(shù)而不斷裂的最大應(yīng)力就為該種材料的疲勞強度提高疲勞強度措施：改進設(shè)計（避免尖角、降低表面粗糙度等）和表面強化工藝（表面淬火、化學(xué)熱處理、噴丸、滾壓等）材料高溫性能溫度對材料的力學(xué)性能影響很大，一般隨溫度的升高，金屬材料的強度和彈性模量降低而塑性增加。但當(dāng)高溫長時負(fù)載時，金屬材料的塑性卻顯著降低，往往出現(xiàn)脆性斷裂現(xiàn)象。注：高溫或低溫是相對金

7、屬的熔點而言，常采用約比溫度 ，即試驗或工作溫度/金屬熔點，當(dāng)約比溫度大于0.5時為高溫、反之為低溫蠕變?nèi)渥兙褪墙饘俨牧祥L時間的在一定溫度下和應(yīng)力作用下即使應(yīng)力小于 ，也會緩慢地發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象。蠕變在低溫下也會產(chǎn)生，但只有約比溫度大于0.3時才比較顯著。第一階段：蠕變減速階段，包括瞬時變形和蠕變變形第二階段：穩(wěn)態(tài)蠕變階段或最小蠕變速度階段（變形與時間線性）第三階段：蠕變加速階段，直到斷裂蠕變強度蠕變強度：材料在高溫長時載荷作用下抵抗塑性變形的能力。有兩種表示方法：在規(guī)定時間內(nèi)達到規(guī)定變形量的蠕變強度，記為 ，單位MPa，例如： 表示試樣在800 經(jīng)過1000小時，發(fā)生0.2%變形量的應(yīng)力為

8、60MPa，這種蠕變強度一般用于需要提供總?cè)渥冏冃蔚臉?gòu)件設(shè)計穩(wěn)態(tài)蠕變速度達到規(guī)定值時的蠕變強度，記為 ，單位MPa，例如： 表示試樣在600 ，穩(wěn)態(tài)蠕變速度為 時的蠕變強度為60MPa，這種蠕變強度一般用于受蠕變變形控制的，工作時間較長的構(gòu)件設(shè)計持久強度與高溫疲勞持久強度是指材料在高溫長時載荷作用下抵抗斷裂的能力。大小用給定溫度T下，恰好使材料經(jīng)過規(guī)定時間t發(fā)生斷裂的應(yīng)力值表示，記為 ，規(guī)定時間是以機組的設(shè)計壽命為依據(jù)的。對于設(shè)計某些在高溫運轉(zhuǎn)過程中不考慮變形量大小，而只考慮在承受給定應(yīng)力下使用壽命的零件來說，金屬材料的持久強度是極其重要的性能指標(biāo)。金屬材料在高溫下的疲勞強度往往是疲勞與蠕變同

9、時作用的結(jié)果，一般地，溫度升高，疲勞強度逐漸下降，當(dāng)溫度超過0.5 時，疲勞強度會急劇下降。金屬的物理性能密度小于 的金屬為輕金屬，反之為重金屬金屬從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時的溫度為熔點金屬的導(dǎo)熱性以銀最好，銅、鋁次之。合金導(dǎo)熱性比純金屬差。導(dǎo)熱性通常用導(dǎo)熱率來衡量。金屬導(dǎo)電性以銀最好，銅、鋁次之。合金的導(dǎo)電性比純金屬差。導(dǎo)電性用電阻率來衡量。金屬熱膨脹性用線膨脹系數(shù)和體膨脹系數(shù)表示。金屬材料分為鐵磁性材料、順磁性材料、抗磁性材料；鐵磁性材料當(dāng)溫度升高到一定數(shù)值（居里點）時，變?yōu)轫槾朋w了。高分子材料的物理、化學(xué)性能聚合物內(nèi)部為共價鍵，沒自由電子和離子，為絕緣體。熱固性塑料的耐熱性比熱塑性塑料高，同金屬

10、相比，高聚物耐熱性較低。是其一大不足。高聚物的化學(xué)穩(wěn)定性很高（塑料王聚四氟乙烯）老化是高聚物的缺點（不可逆），對于橡膠為變脆、龜裂或變軟、發(fā)粘；對于塑料是退色、失去光澤和開裂。老化的原因：分子鏈的結(jié)構(gòu)發(fā)生了降解和交聯(lián)。改進的措施：表面防護；改進高聚物結(jié)構(gòu)，減少各層次結(jié)構(gòu)上的弱點，提高穩(wěn)定性；加入防老化劑，消除游離基，抑制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，阻礙分子鏈降解和交聯(lián)，達到防止老化的目的；陶瓷的物理和化學(xué)性能熱膨脹性能：陶瓷的線膨脹系數(shù)比高聚物低，比金屬低陶瓷的導(dǎo)熱性主要依靠原子的熱振動，由于沒有自由電子的傳熱作用，所以陶瓷導(dǎo)熱性比金屬小，屬絕熱材料熱穩(wěn)定性為陶瓷在不同溫度范圍波動時的壽命，一般用急冷水中不破裂所能承受的最高溫度來表示。陶瓷的熱穩(wěn)定性很低，比金屬低得多，這個是陶瓷的缺點?；瘜W(xué)穩(wěn)定性：陶瓷是很好的耐火、耐腐蝕等材料陶瓷導(dǎo)電性變化范圍很廣，大多絕緣體，又有半導(dǎo)體總結(jié)：不可燃、高耐熱、高化學(xué)穩(wěn)定性、不老化性、高硬度和良好的抗壓能力，但脆性高，溫度急變抗力低，抗拉、抗彎性能差。陶瓷的物理和化學(xué)性能熱膨脹性能：陶瓷的線膨脹系數(shù)比高聚物低，比金屬低陶瓷的導(dǎo)熱性主要依靠原子的熱振動，由于沒有自由電子的傳熱作用，所以陶瓷導(dǎo)熱性比金屬小，屬絕熱材料熱穩(wěn)