演示文稿 2工程材料的性能

工程材料與成形工藝基礎(chǔ)

王紀(jì)安焊接方法與設(shè)備第2章工程材料的性能啟發(fā)思考：如果選擇能夠做鐵錘的材料，您可能選擇較硬的金屬，而如果選擇綁扎物件的一般鐵絲，您就可能選擇較軟的金屬。材料性能是選擇材料的基本依據(jù)。那么如何科學(xué)地評價材料性能呢？本章學(xué)習(xí)目標(biāo)：重點了解工程材料的常用力學(xué)性能；了解工程材料的物理、化學(xué)及工藝性能并建立材料性能的技術(shù)經(jīng)濟概念。工程技術(shù)人員選用材料時首先要掌握材料的使用性能，同時要考慮材料的工藝性能和經(jīng)濟性。使用性能是材料在使用過程中表現(xiàn)出來的性能，主要有力學(xué)性能、物理性能與化學(xué)性能。工藝性能是指材料在各種加工過程中表現(xiàn)出來的性能，比如鑄造、鍛造、焊接、熱處理和切削加工等性能。經(jīng)濟性能，力求材料選用的總成本為最低。6本章主要內(nèi)容12.1材料的力學(xué)性能22.2材料的物理性能32.3材料的化學(xué)性能42.4材料的工藝性能52.5材料的經(jīng)濟性能本節(jié)主要內(nèi)容一、強度和塑性二、硬度三、沖擊韌度四、疲勞強度2.1材料的力學(xué)性能材料常用的力學(xué)性能指標(biāo)有強度、塑性、硬度、沖擊韌度和疲勞極限等。2.1.1強度和塑性拉伸試驗:用靜拉伸力對標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣進(jìn)行緩慢的軸向拉伸，直至拉斷的一種試驗方法。在拉伸試驗中和拉伸試驗后可測量力的變化與相應(yīng)的伸長，從而測出材料的強度與塑性。試驗過程：將試樣裝夾在拉伸試驗機上，緩慢增加試驗力，試樣標(biāo)距的長度將逐漸增加，直至拉斷。若將試樣從開始加載直到斷裂前所受的拉力，與其所對應(yīng)的試樣標(biāo)距長度的伸長量繪成曲線,便得到拉伸曲線—曲線。應(yīng)力(Stress)R=F/S0，應(yīng)變(Strain)ε=△L/L0，工程應(yīng)力應(yīng)變(R-ε)曲線。應(yīng)力不超過Re時，應(yīng)力與應(yīng)變呈正比關(guān)系—Oe段近乎一條直線，表示受力不大時試樣處于彈性變形階段，即在若卸除試驗力,試樣能完全恢復(fù)到原來的形狀和尺寸。這種能夠完全恢復(fù)的變形叫彈性變形(Elasticity)。應(yīng)力繼續(xù)增加超過Re后，試樣將產(chǎn)生不能完全恢復(fù)的永久變形，即塑性變形(Plasticity)，并且在H點后曲線上出現(xiàn)平臺或鋸齒狀線段,這時應(yīng)力不增加而試樣卻繼續(xù)伸長，稱為屈服(Yield)。屈服后試樣產(chǎn)生均勻的塑性變形。應(yīng)力繼續(xù)增加，曲線又呈上升趨勢，表示試樣恢復(fù)了抵抗拉伸力的能力。m點表示試樣抵抗拉伸力的最大能力,試樣產(chǎn)生不均勻的塑性變形，這時試樣上的某處截面積開始減小，形成縮頸。其后，試樣承受拉伸力的能力迅速減小，至k點時，試樣在縮頸處斷裂。1.強度(Strength)強度是材料在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。工程上常用的靜拉伸強度指標(biāo)有彈性極限、屈服強度和抗拉強度等。（1）彈性極限(Elasticlimit)在彈性階段內(nèi)，卸力后而不產(chǎn)生塑性變形的最大應(yīng)力為材料的彈性伸長應(yīng)力，通常稱為彈性極限，以Re表示。顯然，這是汽車板簧、儀表彈簧等彈性元件的重要性能指標(biāo)。Re=Fe/S0應(yīng)力的單位通常用MPa表示，1MPa=1N/mm2。材料在彈性范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變成正比，其比值E=R/ε稱為彈性模量(Elasticmodulus)，其標(biāo)志著材料抵抗彈性變形的能力，用以表示材料的剛度。其值越大，表明材料不容易產(chǎn)生彈性變形，即材料的剛度大。鍛模、鏜床的鏜桿等零件和構(gòu)件就要求有足夠的剛度。（2）屈服強度(Yieldstrength)在拉伸過程中力不增加(保持恒定)，試樣仍能繼續(xù)伸長時的應(yīng)力稱為材料的屈服強度,上屈服強度ReH是試樣產(chǎn)生屈服而力首次下降前的最高應(yīng)力；下屈服強度ReL是指屈服期間的最低應(yīng)力。這是工程上最重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一，絕大多數(shù)零件，如緊固螺栓、汽車連桿等，在工作時都不允許產(chǎn)生明顯的塑性變形，否則將喪失其自身精度或影響配合。

ReH=FeH/S0

ReL=FeL/S0對于無明顯屈服現(xiàn)象的材料，則規(guī)定以試樣卸除拉伸力后，其標(biāo)距部分的殘余應(yīng)變量達(dá)到0.2%時的應(yīng)力值作為條件屈服強度Rr0.2（國標(biāo)中稱為規(guī)定殘余延伸強度）。（3）抗拉強度(Tensilestrength)拉伸過程中最大力Fm所對應(yīng)的應(yīng)力稱為抗拉強度,用Rm表示。無論何種材料，Rm均是標(biāo)志其承受拉伸載荷時的實際承載能力。

Rm=Fm/S0抗拉強度表征材料對最大均勻變形的抗力，是材料在拉伸條件下所能承受最大力的應(yīng)力值，它是設(shè)計和選材的主要依據(jù)之一。2.塑性(Plasticity)塑性是指材料在外力作用下能夠產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力。常用的塑性指標(biāo)有斷后伸長率和斷面收縮率。（1）斷后伸長率(Percentageelongationafterfracture)試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分比稱為斷后伸長率，以A表示。

Lu

試樣拉斷后的標(biāo)距,mm;L0試樣原始標(biāo)距,mm。（2）斷面收縮率(Percentagereductionofarea)

試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比稱為斷面收縮率，以Z表示。其數(shù)值按下式計算：

Su

試樣斷裂后縮頸處的最小橫截面積,mm2；

S0

試樣原始截面積，mm2。表2.1.1新舊標(biāo)準(zhǔn)性能名稱對照GB/T228-2002GB/228-1987性能名稱符號性能名稱符號彈性極限Re

彈性極限σe上屈服強度ReH

屈服點σs下屈服強度ReL

規(guī)定殘余延伸強度Rr0.2

規(guī)定殘余伸長應(yīng)力σr0.2抗拉強度Rm

抗拉強度σb斷后伸長率A斷后伸長率δ斷面收縮率Z斷面收縮率ψ

2.1.2硬度(Hardness)硬度：是指金屬表面一個小的或很小的體積內(nèi)抵抗彈性變形、塑性變形或抵抗破裂的一種能力?！挚箟喝氲哪芰Α７诸悾翰际嫌捕取⒙迨嫌捕?、維氏硬度、顯微硬度1.布氏硬度(Brinellhardness)布氏硬度試驗過程：它是用一定大小的試驗力F(N),把直徑為D(mm)的硬質(zhì)合金球壓入被測金屬的表面,保持規(guī)定時間后卸除試驗力,測出壓痕平均直徑d(mm),然后按公式求出布氏硬度HB值,或者根據(jù)從已備好的布氏硬度表中查出HB值HBW=0.102F/πDh注意事項:

由于金屬材料有硬有軟,被測工件有厚有薄,有大有小,如果只采用一種標(biāo)準(zhǔn)的試驗力和壓頭直徑,就會出現(xiàn)對某些材料和工件不適應(yīng)的現(xiàn)象。對同一種材料采用不同的和進(jìn)行試驗時,能否得到同一的布氏硬度值,關(guān)鍵在于壓痕幾何形狀的相似性,即應(yīng)建立和的某種選配關(guān)系,以保證布氏硬度的不變性。布氏硬度試驗規(guī)范:

國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定布氏硬度試驗時,常用比例F/D2為30、10、5等七種,根據(jù)金屬材料種類、試樣硬度范圍和厚度的不同，應(yīng)選用不同的比例值。布氏硬度表示:

符號HBW之前的數(shù)字為硬度值,符號后面依次用相應(yīng)數(shù)值注明壓頭球體直徑(mm)、試驗力(0.102N)、試驗力保持時間(S)(10～15S不標(biāo)注).示例:500HBW5/750表示用直徑5mm硬質(zhì)合金球在7355N試驗力作用下保持10～15S測得的布氏硬度值為500。主要應(yīng)用:

主要用于鑄鐵、非鐵金屬以及經(jīng)退火、正火和調(diào)質(zhì)處理的鋼材的硬度測定。2.洛氏硬度(Rockweelhardness)

洛氏硬度試驗過程：用頂角為120

的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm(1/16英寸)的淬火鋼球作壓頭先施加初試驗力F1(98N)再加上主試驗力F2

經(jīng)規(guī)定的保持時間，卸除主試驗力F2

,仍保留初試驗力F1,試樣彈性變形的恢復(fù)后測量主試驗力F2壓入的深度為,即1-1位置至3-3位置。用壓入深度h表征硬度。金屬越硬,值越小。一般洛氏硬度機不需直接測量壓痕深度，硬度值可由刻度盤上的指針指示出來。為了能用一種硬度計測定從軟到硬的材料硬度,采用了不同的壓頭和總負(fù)荷組成幾種不同的洛氏硬度標(biāo)度，即HRA、HRB、HRC三種，標(biāo)注為52HRC、70HRA等。洛氏硬度HRC優(yōu)缺點：1）可以用于硬度很高的材料；2）操作簡便迅速；3）壓痕小,幾乎不損傷工件表面；4）硬度值代表性差。故需在試樣不同部位測定三點，取其算術(shù)平均值。3.維氏硬度和顯微硬度(Vickershardness,Microscopichardness)維氏硬度試驗：根據(jù)壓痕單位面積所承受的載荷來計算硬度值，采用兩相對面夾角為136o的金剛石四棱錐體，壓痕為四方錐形.如，640HV30/20表示在試驗力294.3N(30kgf)作用下，持續(xù)20s測得的維氏硬度為640。顯微硬度試驗：小載荷維氏硬度試驗，是試驗載荷在1000g以下，壓痕對角線長度以μm計時得到的硬度值，同樣用符號HV表示，用于材料微區(qū)硬度（如材料某種組成相、夾雜物等）的硬度測定。2.1.3沖擊韌度(Impacttoughness)鍛錘、沖床、鉚釘槍等承受沖擊載荷作用，設(shè)計和制造時要考慮沖擊韌度。擺錘沖斷試樣所做的功,稱為沖擊吸收功（沖擊吸收能量）,以Ak

表示.Ak=FH1—FH2,用試樣的斷口處截面積SN

去除Ak

即得到?jīng)_擊韌度,用表示,單位為J/cm2;aK=Ak/SN對一般常用鋼材來說,所測沖擊吸收功越大,材料的韌性越好。實驗還表明，沖擊韌度值隨溫度的降低而減小,在某一溫度范圍時,材料的值急劇下降。材料由韌性狀態(tài)向脆性狀態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。2.1.4疲勞極限(Fatiguelimit)

軸、齒輪、彈簧等在循環(huán)或交變應(yīng)力下工作的，它們工作時所承受的應(yīng)力通常都低于材料的屈服強度。材料的疲勞:材料在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下,在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累積損傷,經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程。在交變載荷下，金屬材料承受的交變應(yīng)力（σ）和斷裂時應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（Ｎ）之間的關(guān)系，用疲勞曲線描述;材料承受的最大交變應(yīng)力σ越小，則斷裂時應(yīng)力交變的次數(shù)Ｎ越大。當(dāng)應(yīng)力低于某值時，應(yīng)力循環(huán)到無數(shù)次也不會發(fā)生疲勞斷裂，此應(yīng)力值稱為材料的疲勞極限。大多數(shù)金屬材料規(guī)定某一循環(huán)次數(shù)N0斷裂時所對應(yīng)的應(yīng)力作為疲勞極限。用σ-1表示。各種條件下的疲勞問題,如腐蝕疲勞、接觸疲勞、高溫疲勞、熱疲勞等值得高度重視。由于疲勞斷裂通常是從機件最薄弱的部位或缺陷所造成的應(yīng)力集中處發(fā)生，為了提高機件的疲勞抗力，防止疲勞斷裂事故的發(fā)生，在進(jìn)行機件設(shè)計和成形加工時，應(yīng)選擇合理的結(jié)構(gòu)形狀，防止表面損傷，避免應(yīng)力集中。38本章主要內(nèi)容12.1材料的力學(xué)性能22.2材料的物理性能32.3材料的化學(xué)性能42.4材料的工藝性能52.5材料的經(jīng)濟性能本節(jié)主要內(nèi)容一、密度二、熔點三、熱膨脹性四、磁性五、導(dǎo)熱性六、導(dǎo)電性2.2材料的物理性能材料的物理性能：密度、熔點、熱膨脹性、磁性、導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性等。2.2.1密度(Density)材料的密度是指單位體積中材料的質(zhì)量g/cm3。材料的相對密度直接關(guān)系到產(chǎn)品的重量和效能。小于5的金屬稱為輕金屬，大于5的金屬稱為重金屬。抗拉強度Rm

與相對密度ρ之比稱為比強度；彈性模量E與相對密度ρ之比稱為比彈性模量。2.2.2熔點(Meltingpoint)

熔點是指材料的熔化溫度。金屬都有固定的熔點。陶瓷的熔點一般都顯著高于金屬及合金的熔點，而高分子材料一般不是完全晶體，所以沒有固定的熔點。合金的熔點決定于它的化學(xué)成分，其對于金屬與合金的冶煉、鑄造和焊接等是一個重要的工藝參數(shù)。熔點高的金屬稱為難熔金屬（如鎢、鉬、釩等）可以用來制造耐高溫零件，在燃?xì)廨啓C、航空航天等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。熔點低的金屬稱為易熔金屬（如錫、鉛等），可以用來制造保險絲、防火安全閥等零件。2.2.3熱膨脹性(Thermalexpansion)材料的熱膨脹性通常用線膨脹系數(shù)表示。(溫度每變化1℃材料長度變化的百分率)對精密儀器或機器的零件，熱膨脹系數(shù)是一個非常重要的性能指標(biāo)；在異種金屬焊接中，常因材料的熱膨脹性相差過大而使焊件變形或破壞。一般，陶瓷的熱膨脹系數(shù)最低，金屬次之，高分子材料最高。

2.2.4磁性(Magnetism)材料能導(dǎo)磁的性能叫磁性。磁性材料中又分為容易磁化、導(dǎo)磁性良好，但外磁場去掉后，磁性基本消失的軟磁性材料（如電工用硅鋼片等）和去磁后，保持磁場，磁性不易消失的硬磁性材料（如淬火的鈷鋼等）。許多金屬如鐵、鎳、鈷等均具有較高的磁性。但也有許多金屬（如鋁、銅、鉛等）是無磁性的。非金屬材料一般無磁性。2.2.5導(dǎo)熱性(Conductivityofheat)

材料的導(dǎo)熱性用其導(dǎo)熱系數(shù)（亦稱熱導(dǎo)率）λ來表示。材料的熱導(dǎo)率越大，說明導(dǎo)熱性越好。導(dǎo)熱性好的材料其散熱性也好，可用來制造熱交換器等傳熱設(shè)備的零部件。在制訂各類熱加工工藝時，也必須考慮材料的導(dǎo)熱性，以防止材料在加熱或冷卻過程中，由于表面和內(nèi)部產(chǎn)生溫差，膨脹不同形成過大的內(nèi)應(yīng)力，引起材料發(fā)生變形或開裂。2.2.6導(dǎo)電性(Conductivityofelectricity)

材料的導(dǎo)電性一般用電阻率ρ表示。通常金屬的電阻率隨溫度升高而增加，而非金屬材料則與此相反。金屬一般具有良好的導(dǎo)電性，銀的導(dǎo)電性最好，銅、鋁次之。導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性一樣，是隨合金成分的復(fù)雜化而降低的，因而純金屬的導(dǎo)電性總比合金要好。46本章主要內(nèi)容12.1材料的力學(xué)性能22.2材料的物理性能32.3材料的化學(xué)性能42.4材料的工藝性能52.5材料的經(jīng)濟性能本節(jié)主要內(nèi)容一、金屬腐蝕的基本過程二、防止金屬腐蝕的途徑2.3材料的化學(xué)性能耐腐蝕、耐高溫的機械零件，更應(yīng)重視其化學(xué)性能。材料的化學(xué)性能是指材料在室溫或高溫下抵抗各種化學(xué)介質(zhì)作用的能力，一般包括耐腐蝕性與高溫抗氧化性等。所謂高溫抗氧化并不是指高溫下材料完全不被氧化，而是指材料在迅速氧化后，能在表面形成一層連續(xù)、致密并與基體結(jié)合牢固的鈍化膜，從而阻止了材料的進(jìn)一步氧化?？偟膩碚f，非金屬材料的耐腐蝕性遠(yuǎn)高于金屬材料。2.3.1金屬腐蝕的基本過程

1.化學(xué)腐蝕(Chemicalcorrosion)

金屬與周圍介質(zhì)（非電解質(zhì)）接觸時單純由化學(xué)作用而引起的腐蝕叫做化學(xué)腐蝕。氧化是最常見的化學(xué)腐蝕，形成的氧化膜通過擴散逐漸加厚。溫度越高，高溫下加熱時間越長，氧化損耗越嚴(yán)重。如果能形成致密的氧化膜（如鋁和鉻），就具有防護(hù)作用，能有效地阻止氧化繼續(xù)向金屬內(nèi)部發(fā)展。

2.電化學(xué)腐蝕(Electrochemicalcorrosion)

金屬與電解質(zhì)溶液（如酸、堿、鹽）構(gòu)成原電池而引起的腐蝕，稱為電化學(xué)腐蝕。在原電池中電極電位低的部分遭到腐蝕，并伴隨電流的產(chǎn)生。如金屬在海水中發(fā)生的腐蝕、地下金屬管道在土壤中的腐蝕等均屬于電化學(xué)腐蝕。

2.3.2防止金屬腐蝕的途徑提高金屬耐腐蝕途徑：一是形成有保護(hù)作用的鈍化膜。二是盡可能使金屬保持均勻的單相組織，即無電極電位差。三是盡量減少兩極之間的電極電位差，并提高陰極的電極電位，以減緩腐蝕速度。四是盡量不與電解質(zhì)溶液接觸，減小甚至隔絕腐蝕電流。工程防腐方法：（1）選擇合理的防腐蝕材料，比如不銹鋼；（