工程材料零部件對材料性能的要求

01零部件對材料性能的要求機械工程材料的類型及主要特征零部件所受的各種負荷工程設計與加工處理所需的材料性能ξ1.1零部件所受的各種負荷力學負荷靜載荷：拉伸、壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲動載荷：交變載荷、沖擊載荷引起零件的變形（彈性、塑性）甚至斷裂。熱負荷尺寸精度下降；材料強度降低（持久強度）；高溫蠕變；氧化；熱應力；熱疲勞環(huán)境介質(zhì)的作用腐蝕：化學腐蝕、電化學腐蝕、物理腐蝕摩擦磨損：粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損老化：高分子材料由于受環(huán)境因素作用而導致性能下降。ξ2.2工程設計與加工處理所需材料性能整機性能、零部件性能與材料性能的關(guān)系整機性能：機器構(gòu)造（架構(gòu)）、制造加工、零部件性能零部件性能：結(jié)構(gòu)、加工處理、材料性能、使用因素機械設計時，主要根據(jù)零部件失效方式來正確選材及確定零件形狀尺寸。ξ2.2材料性能材料性能使用性能力學性能：強度、塑性、剛度、彈性、硬度、沖擊韌度、斷裂韌度、疲勞極限、摩擦磨損、高溫蠕變工藝性能：鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、切削加工理化性能：密度、熔點、熱膨脹性、導電性、導熱性、磁學性能、光學性能耐酸性、耐堿性、耐蝕性、抗氧化性材料工藝性能材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。外力去除后能夠恢復的變形稱為彈性變形。外力去除后不能恢復的變形稱為塑性變形。

五萬噸水壓機材料的力學性能低碳鋼的應力-應變曲線拉伸試樣拉伸試驗機應力

=P/F0應變

=(l-l0)/l0拉伸實驗和應力應變曲線拉伸實驗和應力應變曲線彈性和剛度彈性：指標為彈性極限e，即材料承受最大彈性變形時的應力。剛度：材料受力時抵抗彈性變形的能力。指標為彈性模量E。

e彈性模量的大小主要取決于材料的本性（成分），除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對彈性模量的影響很小?？梢酝ㄟ^增加橫截面積或改變截面形狀來提高零件的剛度。

強度：材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。屈服強度s：材料發(fā)生微量塑性變形時的應力值。條件屈服強度p0.2：殘余變形量為0.2%時的應力值?？估瓘姸萣：材料斷裂前所承受的最大應力值。s0.2強度10塑性：材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。伸長率：斷面收縮率：斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象塑性用斷面縮率表示塑性比伸長率更接近真實變形。直徑d0相同時，l0，。只有當l0/d0為常數(shù)時，塑性值才有可比性。當l0=10d0

時，伸長率用

表示；當l0=5d0時，伸長率用5

表示。顯然5>

>時，無頸縮，為脆性材料表征

<時，有頸縮，為塑性材料表征塑性材料抵抗表面局部塑性變形的能力。布氏硬度HB布氏硬度計硬度

壓頭為鋼球時，布氏硬度用符號HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金球時，用符號HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。符號HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值,符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。

如120HBS10/1000/30示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。布氏硬度壓痕硬度（布氏硬度）布氏硬度的優(yōu)點：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。適于測量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼,

鑄鐵及有色金屬的硬度。材料的b與HB之間的經(jīng)驗關(guān)系：對于低碳鋼:b(MPa)≈3.6HB

對于高碳鋼：b(MPa)≈3.4HB

對于鑄鐵：b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈0.6(HB-40)HBb(MPa)鋼黃銅球墨鑄鐵硬度（布氏硬度）h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計洛氏硬度用符號HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個標尺，常用的標尺為A、B、C。

硬度（洛氏硬度）符號HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標尺。HRA用于測量高硬度材料,如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。HRB用于測量低硬度材料,如有色金屬和退火、正火鋼等。HRC用于測量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。洛氏硬度的優(yōu)點：操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。缺點：測量結(jié)果分散度大。鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕硬度（洛氏硬度）維氏硬度計維氏硬度試驗原理維氏硬度壓痕硬度（維式硬度）維氏硬度用符號HV表示，符號前的數(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間。根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了三種測定方法—維氏硬度試驗、小負荷維氏硬度試驗、顯微維氏硬度試驗。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點。

小負荷維氏硬度計顯微維氏硬度計硬度（維式硬度）是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。指標為沖擊韌性值ak(通過沖擊實驗測得)。沖擊韌性20韌脆轉(zhuǎn)變溫度(BDTT)

材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。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)變。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變溫度。材料的使用溫度應高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。韌體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而大多數(shù)面心立方金屬沒有。沖擊韌性TITANIC的沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)沖擊韌性Titanic號鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗結(jié)果疲勞現(xiàn)象24疲勞的特點

（1）斷裂應力<σb，甚至<σs；

（2）出現(xiàn)脆性斷裂；

（3）對材料的缺陷（缺口、裂紋和組織缺陷）十分敏感；

（4）疲勞破壞能清楚顯示裂紋的萌生和擴展，斷裂；（5）存在破壞的臨界應力ac；（6）破壞數(shù)據(jù)的分散性很大。疲勞特點通過改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進行表面強化等方法可提高材料疲勞抗力。軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）疲勞斷口材料在規(guī)定次數(shù)應力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時的最大應力稱為疲勞極限。用-1表示。鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107，有色金屬合金為108。疲勞應力示意圖疲勞曲線示意圖疲勞極限油輪斷裂和北極星導彈發(fā)動機殼體爆炸與材料中存在缺陷有關(guān)

1943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂北極星導彈裂紋擴展的基本形式斷裂韌性斷裂韌性應力強度因子：描述裂紋尖端附近應力場強度的指標。斷裂韌性：材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴展的能力。C為斷裂應力，aC為臨界裂紋半長，單位為或高溫力學性能高溫力學性能特點金屬材料：隨著溫度T的升高----強度降低。不同溫度靜拉伸試驗發(fā)現(xiàn)，隨試驗溫度升高，屈服平臺消失，而且材料所能承受的最大載荷也降低。塑性增大

高溫蠕變/蠕變極限蠕變（Creep）

材料在長時間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。蠕變極限：反映長期載荷作用下的材料對高溫蠕變變形的抗力導電性材料的理化性能熔點熱膨脹性密度汽車儀表板前部件鎂合金，減重68%導熱性磁學性能光學性能材料的理化性能海水腐蝕氧化破壞Ti-Al多孔材料熔蝕-磨損材料的工藝性能(鑄造性)材料在鑄造成形過程中獲得形狀準確、內(nèi)部健全鑄件的能力稱為材料的鑄造性能。金屬的鑄造性能主要用流動性、收縮性、吸氣性、偏析傾向等來衡量?；诣T鐵和青銅具有較好的鑄造性能。用于測試合金流動性的一些方式材料的工藝性能(可鍛性)金屬材料的鍛壓性能（可鍛性）是指金屬經(jīng)受塑性變形而不開裂的能力。鍛壓性能的優(yōu)劣常用金屬材料的塑性和變形抗力來綜合衡量。塑性越好，變形抗力越小，則可鍛性越好。影響因素：內(nèi)在因素（成分、組織）、加工條件（速度、溫度）、應力狀態(tài)（壓應力狀態(tài)）。30材料的工藝性能(焊接性)焊接性是指材料可以在限定的施工條件下焊接成滿足設計要求的構(gòu)件，并達到預定工作要求的能力。常見焊接缺陷未焊透材料的工藝性能(切削加工性)切削加工性是指材料被刀具切削加工而成為合格工件的難易程度。通過適當?shù)臒崽幚?，可以改善切削加工性。材料的工藝性?熱處理工藝性)熱處理工藝性是指材料接受熱處理的難易程度和產(chǎn)生熱處理缺陷的傾向。常用評價指標包括：淬透性、淬硬性、回火脆性、氧化脫碳傾向、變形開裂傾向。M量和硬度隨深度的變化ξ2.3機械工程材料的類型及主要特征機械工程材料金屬材料高分子材料陶瓷材料復合材料鋼鐵金屬：鑄鐵、碳鋼、合金鋼非鐵金屬輕金屬：鋁、鎂等重金屬：銅、鉛等稀有金屬：稀土等非金屬基復合材料金屬基復合材料硅酸鹽材料(普通陶瓷)：玻璃、水泥、陶瓷、耐火材料新型陶瓷(特種陶瓷)：氧化物、碳化物、氮化物陶瓷及功能陶瓷合成橡膠合成纖維有機膠黏劑及涂料塑料金屬材料以金屬鍵結(jié)合為主。良好的導電性、導熱性、延展性和金屬光澤。用量最大，應用廣泛。有機高分子材料以分子鍵和共價