第1章 工程材料的分類與性能

第一章工程材料的分類與性能一.工程材料的分類材料是指那些能夠用于制造結(jié)構(gòu)、器件或其他有用產(chǎn)品的物質(zhì)。分為天然材料和人造材料。天然材料是所有材料的基礎(chǔ)，隨著社會(huì)的發(fā)展，人們開(kāi)始對(duì)天然材料進(jìn)行各種加工處理，使它們更適合于人類的使用，這就是人造材料?；瘜W(xué)性質(zhì)使用性能金屬材料非金屬材料新型材料（如復(fù)合材料、納米材料、智能材料等）結(jié)構(gòu)材料（作為承力結(jié)構(gòu)使用的材料）功能材料（使用性能主要是光、電、熱、磁、聲等）鋼鐵非鐵金屬高分子材料陶瓷材料按應(yīng)用領(lǐng)域分：機(jī)械工程材料、信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空航天材料等。航空、航天材料能源材料電子材料光學(xué)材料生物材料建筑材料二.工程材料的性能使用性能：在使用過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的性能。工藝性能：材料在加工過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的性能。4力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能強(qiáng)度硬剛彈塑度度性性電學(xué)性能磁學(xué)性能光學(xué)性能熱學(xué)性能聲學(xué)性能抗氧化性耐腐蝕性催化性能使用性能81、密度單位體積的質(zhì)量，用符號(hào)ρ(g/cm3或kg/m3)表示。金屬材料中，Al、Mg、Ti密度較低，Cu、Fe、Pb、Zn等密度較高；非金屬材料中，塑料的密度較低，陶瓷的密度較高。2、熔點(diǎn)緩慢加熱時(shí)，材料由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度(℃或K)。金屬材料中，Pb、Sn熔點(diǎn)低，F(xiàn)e、Ni、Cr、Mo等金屬熔點(diǎn)高；非金屬材料中，陶瓷的熔點(diǎn)高，塑料等材料無(wú)熔點(diǎn)，只有軟化點(diǎn)。3、導(dǎo)熱性材料傳導(dǎo)熱量的能力。金屬材料中，Ag和Cu導(dǎo)熱性最好，A1次之；非金屬中，金剛石的導(dǎo)熱性最好。物理性能84、導(dǎo)電性材料傳導(dǎo)電金屬具有導(dǎo)電性，Ag最好，其次是Cu、Al。5、熱膨脹性材料因溫度變化而引起的體積變化現(xiàn)象稱為熱膨脹性，一般用線膨脹系數(shù)表示，即溫度每升高1℃(或K)，單位長(zhǎng)度的膨脹量。其值越大，材料的尺寸或體積隨溫度變化的程度越大。6、磁性

材料在磁場(chǎng)中能被磁化或?qū)Т诺哪芰ΨQ為導(dǎo)磁性或磁性；金屬材料可分為鐵磁性材料、抗磁性材料和順磁性材料。8定義：材料與周圍介質(zhì)接觸時(shí)抵抗發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)的能力。1、耐蝕性常溫下材料抵抗各種介質(zhì)侵蝕的能力。2、熱穩(wěn)定性材料在高溫下抵抗產(chǎn)生氧化現(xiàn)象的能力。化學(xué)性能8定義：材料在承受各種載荷時(shí)的行為。載荷類型分為：靜載荷、動(dòng)載荷、變載荷。力學(xué)性能1、強(qiáng)度材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。主要有屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度等。..ld圓截面試件：l＝10d（長(zhǎng)試件）

l＝5d（短試件）1）靜載時(shí)的拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)低碳鋼拉伸時(shí)的力學(xué)性質(zhì)低碳鋼是指含碳量在0.3％以下的碳素結(jié)構(gòu)鋼。試驗(yàn)時(shí)一般采用標(biāo)準(zhǔn)圓截面試件。拉伸試驗(yàn)一般是在如圖1-1（a）所示的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。16拉伸試驗(yàn)一般是在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。先裝夾試件，然后加載。試件受到由零逐漸增加的拉力F的作用，發(fā)生伸長(zhǎng)變形，直到斷裂。一般實(shí)驗(yàn)機(jī)上附有自動(dòng)繪圖裝置，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能自動(dòng)繪出載荷F和相應(yīng)的伸長(zhǎng)變形的關(guān)系曲線，稱為拉伸圖或F—

l曲線。F

l拉伸曲線

工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線工程應(yīng)力(Stress)工程應(yīng)變(Strain)σ=F／A0ε=ΔL／L0a）彈性和剛度彈性：若應(yīng)力不超過(guò)σP，則試樣的變形能在卸載后(σ=0)立即消失，即恢復(fù)原狀，這種不產(chǎn)生永久變形的性能稱為彈性。彈性極限：σP為不產(chǎn)生永久變形的最大應(yīng)力，稱為彈性極限。在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，即E為彈性模量，它是衡量材料抵抗彈性變形能力的指標(biāo)。

=E

b）屈服點(diǎn)σS低碳鋼應(yīng)力一應(yīng)變曲線在C點(diǎn)出現(xiàn)一水平段，即應(yīng)力不增加而變形繼續(xù)進(jìn)行。塑性變形：此時(shí)若卸載，試樣變形不能完全消失，而保持一部分殘余變形，這種不能恢復(fù)的殘余變形稱為塑性變形。此時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力就稱為屈服點(diǎn)，用σS表示。Ose0.2%無(wú)明顯屈服階段的，規(guī)定將產(chǎn)生0.2%塑性應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度。記作σ0.2。

DAs0.2Cc）拉伸強(qiáng)度σb試樣在拉斷前所能承受的最大應(yīng)力。反映試樣最大的均勻變形的抗力，是設(shè)計(jì)機(jī)械零件和選擇金屬材料的主要參數(shù)之一，也是評(píng)價(jià)金屬材料的主要指標(biāo)。

σb—抗拉強(qiáng)度，脆性材料唯一拉伸力學(xué)性能指標(biāo)。應(yīng)力應(yīng)變不成比例，無(wú)屈服、頸縮現(xiàn)象，變形很小且σb很低。

灰口鑄鐵拉伸時(shí)的力學(xué)性質(zhì)金屬材料的壓縮試件一般制成很短的圓柱，以免被壓彎。圓柱高度約為直徑的1.5～3倍。

壓縮時(shí)的彈性模量E和屈服極限ss

，都與拉伸時(shí)大致相同。

應(yīng)力超過(guò)屈服階段以后，試件越壓越扁，呈鼓形低碳鋼的力學(xué)性能一般由拉伸試驗(yàn)確定

a）低碳鋼壓縮

2）材料在壓縮時(shí)的力學(xué)性能b）鑄鐵壓縮試件在較小變形下突然破壞，破壞斷面的法線與軸線大致成45o～55o的傾角。

鑄鐵的抗壓強(qiáng)度極限比其抗拉強(qiáng)度極限高4～

5倍

鑄鐵廣泛用于機(jī)床床身，機(jī)座等受壓零部件

FPO24681012600500400300200100

/MPa拉伸壓縮FP

/%伸長(zhǎng)率：a)伸長(zhǎng)率δ:表示試件拉斷后標(biāo)距范圍內(nèi)平均的塑性變形百分率

δ和Ψ愈大,說(shuō)明材料的塑性愈好

b)斷面收縮率ψ:指試件斷口處橫截面面積的塑性收縮百分率斷面收縮率：δ<5%脆性材料：直接斷裂

鑄鐵、混凝土、玻璃鋼、陶瓷δ>5%塑性材料：斷裂前有屈服段，可抵抗局部高應(yīng)變

碳鋼、低合金鋼、青銅、紫銅、防銹鋁低碳鋼是典型的塑性材料2、塑性定義：硬度是衡量材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)。一般認(rèn)為，硬度表示材料表面抵抗局部壓入變形或刻劃破裂的能力。分類：根據(jù)載荷、壓頭和表示方法不同，又分為布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度等多種。3、硬度1）布氏硬度a）試驗(yàn)原理用直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球的壓頭，加一定的試驗(yàn)力F將其壓入試樣表面，經(jīng)過(guò)規(guī)定的保持時(shí)間t后卸除試驗(yàn)力，試樣表面將殘留壓痕，然后測(cè)量壓痕的平均直徑d求得壓痕的球形面積A。b）布氏表示方法示例c）特點(diǎn)及應(yīng)用布氏硬度試驗(yàn)壓痕面積較大，能反映表面較大范圍內(nèi)被測(cè)金屬的平均硬度，故測(cè)量結(jié)果較準(zhǔn)確，適合于測(cè)量組織粗大且不均勻的金屬材料的硬度，如鑄鐵、鑄鋼、非鐵金屬及其合金，各種退火、正火或調(diào)質(zhì)的鋼材等；但因壓痕較大，不宜用來(lái)測(cè)成品，特別是有較高精度要求配合面的零件及小件、薄件，也不能用來(lái)測(cè)太硬的材料。2）洛氏硬度用初試驗(yàn)載荷及總試驗(yàn)載荷F=F0+F1將壓頭壓入被測(cè)材料表面，保持一定時(shí)間后卸除主載荷F1，測(cè)出殘余壓痕深度增量來(lái)表示硬度值，即圖中壓痕深度bd。在實(shí)際測(cè)試時(shí)，硬度值的大小可直接從硬度計(jì)上讀出。a）試驗(yàn)原理表常用洛氏硬度試驗(yàn)條件及應(yīng)用范圍最常用的是HRA、HRB、HRC三種，其中HR代表洛氏硬度，A、B、C表示三種標(biāo)尺，HRC應(yīng)用最廣泛。b）特點(diǎn)及應(yīng)用洛氏硬度試驗(yàn)操作簡(jiǎn)便，迅速，測(cè)量硬度值范圍大，壓痕小，幾乎不損傷工件表面，可直接測(cè)成品和較薄工件。但因試驗(yàn)載荷較大，不宜用來(lái)測(cè)定極薄工件及氮化層、金屬鍍層等的硬度，且因壓痕小，當(dāng)測(cè)定組織粗大、不均勻的材料時(shí)，測(cè)定結(jié)果波動(dòng)較大，故需在不同位置測(cè)試三點(diǎn)的硬度值，取其算術(shù)平均值。3）維氏硬度b）壓頭：金剛石制成的四方角錐體，兩相對(duì)面間夾角為136°壓頭在試驗(yàn)力P作用下將樣品表面壓出一個(gè)四方錐形的壓痕，經(jīng)一定保持時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，測(cè)量壓痕對(duì)角線平均長(zhǎng)度d，d=(d1+d2)/2，計(jì)算壓痕的表面積A。a）試驗(yàn)原理：基本上與布氏硬度的相同c）表示方法d）特點(diǎn)及應(yīng)用由于維氏硬度試驗(yàn)所加載荷較小，壓入深度淺，故可測(cè)定較薄工件及氮化層、金屬鍍層等的硬度；維氏硬度能在同一硬度標(biāo)尺上測(cè)定由極軟到極硬金屬材料的硬度值(O～1000HV)，且連續(xù)性好，準(zhǔn)確率高，彌補(bǔ)了布氏硬度因壓頭變形不能測(cè)高硬度材料，洛氏硬度受試驗(yàn)載荷與壓頭直徑比的約束硬度值不能換算的不足。韌性：材料在塑性變形和斷裂過(guò)程中吸收能量的能力。沖擊韌度：材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力，常用標(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊吸收功AK來(lái)表示。4、沖擊韌度試驗(yàn)在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)過(guò)程：將樣品水平放在試驗(yàn)機(jī)的支座上，缺口位于沖擊相背的方向。然后將具有一定質(zhì)量G的擺錘舉至一定高度H1，使其獲得一定位能GH1。釋放擺錘沖斷試樣，擺錘的剩余能量為GH2，則擺錘沖斷試樣失去的位能為GH1-GH2，這就是試樣變形和斷裂所消耗的功，稱為沖擊吸收功，以Ak表示，單位為J。即AK=G(H1-H2)沖擊試驗(yàn)原理1-擺錘2-試樣脆性斷裂：有些高強(qiáng)度材料的零件(構(gòu)件)往往在遠(yuǎn)低于屈服點(diǎn)的狀態(tài)下發(fā)生脆性斷裂；低應(yīng)力脆斷：中、低強(qiáng)度的重型零件(構(gòu)件)及大型結(jié)構(gòu)件也有類似情況，這就是低應(yīng)力脆斷。裂紋擴(kuò)展的三種基本形式：

5、斷裂韌度裂紋擴(kuò)展的基本形式疲勞斷裂：工作應(yīng)力低于其屈服點(diǎn)甚至是彈性極限的情況下突然發(fā)生斷裂。疲勞強(qiáng)度：材料抵抗疲勞斷裂的能力稱為疲勞強(qiáng)度。循環(huán)次數(shù)：把材料經(jīng)無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最高應(yīng)力值作為材料的疲勞強(qiáng)度。規(guī)定的循環(huán)次數(shù)稱為循環(huán)次數(shù)。提高零件疲勞強(qiáng)度的措施：a）改善零件表面粗糙度；b）避免應(yīng)力集中；c）進(jìn)行熱處理。6、疲勞強(qiáng)度81、鑄造性鑄造是將金屬熔煉成符合一定要求的液體并澆進(jìn)鑄型里，經(jīng)冷卻凝固、清整處理后得到有預(yù)定形狀、尺寸和性能的鑄件(零件或毛坯)的工藝過(guò)程。鑄鐵的鑄造性能好于鑄鋼，銅、鋁合金的鑄造性能介于鑄鋼和鑄鐵之間。2、鍛造性鍛造是一種利用鍛壓機(jī)械對(duì)金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形以獲得具有一定機(jī)械性能、一定形狀和尺寸鍛件的加工方法。工藝性能83、焊接性材焊接是通過(guò)加熱或加壓，或兩者并用，促使兩種或兩種以上同種或異種材料通過(guò)原子或分子之間的結(jié)合和擴(kuò)散連接成一體的工藝