《工程材料及成形技術(shù)基礎(chǔ)》課件-第1章

第1章工程材料的分類與性能1.1工程材料的分類1.2材料的力學(xué)性能1.3材料的其他性能1.4工程應(yīng)用案例—工程材料在汽車制造中的應(yīng)用習(xí)題與思考題1

1.1工程材料的分類

“材料”是早已存在的名詞，它不僅是人類進(jìn)化的標(biāo)志，還是社會(huì)現(xiàn)代化的物質(zhì)基礎(chǔ)與先導(dǎo)。材料、信息與能源被稱為現(xiàn)代文明的三大支柱。20世紀(jì)80年代人們又把新型材料、生物工程和信息作為產(chǎn)業(yè)革命的重要標(biāo)志。材料，尤其是新型材料的研究、開發(fā)與應(yīng)用反映著一個(gè)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)與工業(yè)水平，它關(guān)系著國(guó)家的綜合國(guó)力與安全，因此無(wú)論是發(fā)達(dá)國(guó)家還是發(fā)展中國(guó)家，無(wú)不把材料放在重要位置。

工程材料是構(gòu)成機(jī)械的物質(zhì)基礎(chǔ)，它是指在機(jī)械、化工、車輛、船舶、儀表、建筑、航空航天等工程領(lǐng)域中用于制造工程構(gòu)件和機(jī)械零件的材料。目前，用于機(jī)械制造的材料有上千種，常用的也有上百種，并且還有許多新的材料在不斷地被創(chuàng)造出來(lái)。大多數(shù)工程材料中往往存在著以一種鍵為主的幾種鍵組成的混合鍵，其中金屬材料以金屬鍵為主，陶瓷材料以離子鍵為主，高分子材料以共價(jià)鍵為主。一般按照材料的組成及結(jié)合鍵的特點(diǎn)，可以將工程材料分為金屬材料、陶瓷材料、高分子材料和復(fù)合材料四大類。

金屬材料具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性和金屬光澤，是應(yīng)用面最廣、用量最大、承載能力最高的工程材料。金屬材料可以分為黑色金屬和有色金屬兩類。黑色金屬主要是指鐵和以鐵為基的合金，即鋼鐵材料，其世界年產(chǎn)量已超過(guò)10億噸，在機(jī)械產(chǎn)品中的用量占整個(gè)用材的60%以上。黑色金屬以外的所有金屬及其合金都統(tǒng)稱為有色金屬。有色金屬的種類比較繁多，根據(jù)其性能和特點(diǎn)的不同可以細(xì)分為輕金屬、易熔金屬、難熔金屬、貴重金屬、稀土金屬和堿土金屬。有色金屬中的輕合金，在航空工業(yè)中有著特別重要的作用。

陶瓷材料是指硅酸鹽、金屬同非金屬元素的化合物，其性能特點(diǎn)是熔點(diǎn)高，硬度高，耐腐蝕，脆性大。工業(yè)上用的陶瓷主要分為三類：

(1)普通陶瓷：又稱為傳統(tǒng)陶瓷，是以黏土、石英、長(zhǎng)石等天然材料為原料的陶瓷，主要用作建筑材料。

(2)金屬陶瓷：是由金屬粉末與陶瓷粉末燒結(jié)的材料，主要用作模具和工具。

(3)特種陶瓷：又稱為精細(xì)陶瓷，是由人工氧化物、碳化物、氮化物和硅化物等燒結(jié)的材料，主要用作工程上的耐熱、耐蝕、耐磨零件。

高分子材料是由許多相對(duì)分子質(zhì)量很大的大分子組成的，作為結(jié)構(gòu)材料，它具有塑性、耐蝕性、電絕緣性、減震性及密度小等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)性能和使用狀態(tài)，可以將工程應(yīng)用上的高分子材料分為工程塑料、橡膠和合成纖維。高分子材料廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電氣、紡織、車輛、飛機(jī)、輪船等制造業(yè)和化學(xué)、交通運(yùn)輸、航空航天等工業(yè)中。

復(fù)合材料是把兩種或兩種以上不同性質(zhì)或不同結(jié)構(gòu)的材料以微觀或宏觀的形式組合在一起而形成的材料。通常，通過(guò)這種組合以求達(dá)到進(jìn)一步提高材料綜合性能的目的，其性能是組成它的任何單一材料所不具備的。例如，玻璃鋼是由玻璃纖維布和熱固性高分子材料復(fù)合而成的，而玻璃鋼的性能，既不同于玻璃纖維布，也不同于組成它的熱固性高分子材料。目前，工程上使用的工程材料主要包括金屬基復(fù)合材料和非金屬基復(fù)合材料。這兩類材料在建筑、機(jī)械制造、交通和國(guó)防等領(lǐng)域，有著日益發(fā)展的廣大前景。

如現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中耐熱最高的材料，就是粉末冶金法制備的氧化物粒子彌散強(qiáng)化的鎳基復(fù)合材料。很多高級(jí)游艇、賽艇及體育器械等是由碳纖維復(fù)合材料制成的，具有質(zhì)量輕、彈性好、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。

1.2材料的力學(xué)性能

材料的性能是一種參量，用于表征材料在給定外界條件下的行為。材料的性能只有在外界條件下才能表現(xiàn)出來(lái)。外界條件是指溫度、載荷、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、化學(xué)介質(zhì)等。例如，用表征材料在外力作用下拉伸行為的載荷位移曲線或應(yīng)力應(yīng)變曲線，采用屈服、頸縮、斷裂等行為判據(jù)，便分別有屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能。又如，用表征材料在外磁場(chǎng)作用下磁化及退磁行為的磁滯回線，采用不同的行為判據(jù)，便分別有矯頑力、剩余磁感、儲(chǔ)藏的磁能等性能。

材料的性能可以分為兩大類：簡(jiǎn)單性能和復(fù)雜性能。簡(jiǎn)單性能包括材料的物理性能、力學(xué)性能和化學(xué)性能；復(fù)雜性能包括復(fù)合性能、工藝性能和使用性能等。材料性能分類如表1－1所示。

本小節(jié)主要介紹材料的力學(xué)性能，主要是指材料在外加載荷作用下表現(xiàn)出的行為，如變形、斷裂等。當(dāng)材料受力時(shí)，產(chǎn)生的幾何形狀和尺寸的變化稱為變形。在外力不大時(shí)，外力去除后變形隨之消失，這種變形稱為彈性變形；如果外力增大，材料產(chǎn)生了外力撤除后仍不能恢復(fù)的永久性變形，則稱為塑性變形或永久變形。

在制造結(jié)構(gòu)件時(shí)，除在一些特殊的條件(如高溫、高壓、腐蝕氣氛及要求導(dǎo)電、導(dǎo)磁)下服役外，力學(xué)性能是合理選擇材料，確定適當(dāng)?shù)募庸すに?，正確進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，確保構(gòu)件使用安全的重要依據(jù)。

1.2.1強(qiáng)度和塑性

1.工程應(yīng)力應(yīng)變曲線

GB/T228.12010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》規(guī)定了金屬材料拉伸試驗(yàn)方法的原理、定義、符號(hào)、說(shuō)明、試樣及其尺寸測(cè)量、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)要求、性能測(cè)定、測(cè)定結(jié)果數(shù)據(jù)修約和試驗(yàn)報(bào)告等。

試驗(yàn)過(guò)程為：試樣制備(如圖1－1所示)，在拉伸試驗(yàn)機(jī)上加載，試樣在載荷作用下發(fā)生彈性變形、塑性變形直至斷裂。在拉伸過(guò)程中，試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄每一個(gè)固定時(shí)間點(diǎn)的載荷和伸長(zhǎng)量之間的關(guān)系，并繪制出應(yīng)力應(yīng)變曲線。由計(jì)算機(jī)控制的具有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的試驗(yàn)機(jī)可直接獲得強(qiáng)度和塑性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖1－1圓形橫截面拉伸試樣示意圖

圖1－2所示為退火低碳鋼單向靜載拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線。圖中，OB段為彈性變形階段，BDC段為屈服變形階段，CE段為均勻塑性變形階段，E點(diǎn)為試樣屈服后所能承受的最大受力點(diǎn)，EF段為頸縮階段。該應(yīng)力應(yīng)變曲線可直接反映出材料強(qiáng)度與塑性的性能好壞。圖1－2退火低碳鋼單向靜載拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線

當(dāng)應(yīng)力低于σe時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變呈正比，σ=Eε，其中，E為彈性模量，表示材料的剛性；

ε為應(yīng)變。此時(shí)應(yīng)力去除后，變形完全消失，這種變形為彈性變形。在彈性變形中，原子離開平衡位置，但并沒(méi)有達(dá)到新的平衡位置，因此外力去除后，原子就回到其原始位置并使變形消失。σe稱為彈

性極限。

當(dāng)應(yīng)力超過(guò)σe

時(shí)，材料發(fā)生塑性變形，在應(yīng)力去除后，變形只能部分恢復(fù)，而保留部分永久變形。在塑性變形過(guò)程中，原子離開其原始位置，產(chǎn)生永久位移并達(dá)到新的平衡位置。

當(dāng)應(yīng)力達(dá)到σs

時(shí)，材料會(huì)產(chǎn)生明顯的塑性變形抗力，σs

稱為材料的屈服強(qiáng)度或屈服極限。它是材料開始發(fā)生塑性變形的最小應(yīng)力。對(duì)于沒(méi)有明顯屈服的材料，工程上規(guī)定以產(chǎn)生0.2%殘余變形的應(yīng)力作為屈服極限，以σ0.2表示。在GB/T228－2002中，屈服強(qiáng)度分為上屈服強(qiáng)度(ReH

)和下屈服強(qiáng)度(ReL)。上屈服強(qiáng)度，是指試樣發(fā)生屈服而應(yīng)力首次下降前的最高應(yīng)力；下屈服強(qiáng)度，是指在屈服期間不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的最低應(yīng)力。

在外力超過(guò)σs(σ0.2)后，試樣發(fā)生明顯而均勻的塑性變形，欲使試樣的應(yīng)變?cè)龃螅仨毺岣咄饧討?yīng)力。這種隨塑性變形的增大，塑性變形抗力不斷增大的現(xiàn)象稱為加工硬化或應(yīng)變硬化。在應(yīng)力達(dá)到σb

時(shí)，試樣的均勻變形結(jié)束，σb

稱為材料的抗拉強(qiáng)度。它是材料極限承載能力的標(biāo)志。

幾種常用工程材料的抗拉強(qiáng)度如表1－2所示。

當(dāng)應(yīng)力達(dá)到σb

后，試樣開始發(fā)生不均勻塑性變形，并形成頸縮現(xiàn)象，因試樣截面積急劇下降而導(dǎo)致載荷降低超過(guò)強(qiáng)化作用，故應(yīng)力開始下降，最后達(dá)到F點(diǎn)，試樣發(fā)生斷裂。試樣在F點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力σK稱為材料的條件斷裂強(qiáng)度。

屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度是在選擇金屬材料及機(jī)械零件強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)的重要依據(jù)。

塑性，是指斷裂前金屬發(fā)生塑性變形的能力。金屬材料常用的塑性指標(biāo)為斷后伸長(zhǎng)率(δK)和斷面收縮率(ψ)。

斷后伸長(zhǎng)率是指斷后試樣標(biāo)距長(zhǎng)度的相對(duì)伸長(zhǎng)值，用標(biāo)距的絕對(duì)伸長(zhǎng)與試樣原標(biāo)距(在GB/T2282002中，用A表示斷后伸長(zhǎng)率)比值表示：

式中：

δK為斷后伸長(zhǎng)率；lK

為試樣斷裂后的標(biāo)距長(zhǎng)度；

l0為試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度。

材料的伸長(zhǎng)率與原始標(biāo)距長(zhǎng)度有關(guān)，不同比例的試樣所得到的拉伸率不可相比較。

斷面收縮率ψ(在GB/T228－2002中，用Z表示斷面收縮率)是指斷裂后試樣截面的相對(duì)收縮值，用公式表示為

式中：ψ

為斷面收縮率；

FK為試樣斷裂后頸縮處的最小截面尺寸；

F0為試樣原始橫截面積。

斷面收縮率ψ與試樣尺寸無(wú)關(guān)。

塑性指標(biāo)通常不能直接用于構(gòu)件設(shè)計(jì)。而對(duì)于靜載下工作的構(gòu)件都要求材料具有一定的塑性，以防止構(gòu)件偶然過(guò)載時(shí)的突然破壞。因此也認(rèn)為塑件是構(gòu)件的安全儲(chǔ)備。

對(duì)于陶瓷等脆性材料，通常進(jìn)行壓縮和彎曲試驗(yàn)，以測(cè)定其強(qiáng)度和塑性。

圖1－3所示為幾種常見(jiàn)的拉伸曲線形式示意圖。圖1－3常見(jiàn)拉伸曲線形式示意圖

退火低碳鋼的拉伸曲線如圖1－3(a)所示，它有鋸齒狀的屈服階段，分上、下屈服，均勻塑性變形后產(chǎn)生頸縮，然后試樣斷裂。

中碳鋼的拉伸曲線如圖1－3(b)所示，它有屈服階段，但波動(dòng)微小，幾乎成一條直線，均勻塑性變形后產(chǎn)生頸縮，然后試樣斷裂。

淬火后低中溫回火鋼的拉伸曲線如圖1－3(c)所示，它無(wú)可見(jiàn)的屈服階段，試樣產(chǎn)生均勻塑性變形并頸縮后產(chǎn)生斷裂。

鑄鐵、淬火鋼等較脆材料在室溫下的拉伸曲線如圖1－3(d)所示，它不僅無(wú)屈服階段，而且在產(chǎn)生少量均勻塑性變形后就突然斷裂。

2.真應(yīng)力真應(yīng)變曲線

實(shí)際上，在拉伸過(guò)程中，試樣的尺寸不斷變化，試樣所受的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)是瞬時(shí)載荷P與瞬時(shí)截面積F的比值，即

式中：

S為真實(shí)應(yīng)力；

P為瞬時(shí)載荷；F為瞬時(shí)截面積。

同樣，真應(yīng)變e應(yīng)為瞬時(shí)伸長(zhǎng)量除以瞬時(shí)長(zhǎng)度，即

式中：

de為瞬時(shí)應(yīng)變；

dl為瞬時(shí)伸長(zhǎng)量；

l為瞬時(shí)長(zhǎng)度。

總應(yīng)變?yōu)?/p>

真應(yīng)力真應(yīng)變曲線如圖1－4所示，它與工程應(yīng)力應(yīng)變曲線的區(qū)別是：試樣產(chǎn)生頸縮后，盡管外加載荷已下降，但真應(yīng)力仍在升高，一直到SK，試樣斷裂，SK是材料的斷裂強(qiáng)度。圖1－4真應(yīng)力真應(yīng)變曲線

一般，把均勻塑性變形階段的真應(yīng)力真應(yīng)變曲線稱為流變曲線。它們之間的關(guān)系如下：

式中：

S為真實(shí)應(yīng)力；k

為常數(shù)；

n為形變強(qiáng)化指數(shù)。它表征金屬在均勻變形階段的形變強(qiáng)化能力。n值越大，變形時(shí)的強(qiáng)化效果越顯著。密排六方金屬的n較小，而體心立方，尤其是面心立方金屬的n值最大。

1.2.2硬度

硬度是衡量材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)。硬度是表征材料的彈性、塑性、形變強(qiáng)化、強(qiáng)度和韌性等一系列不同物理量組合的一種綜合性能指標(biāo)，而不是一個(gè)單純的物理量。一般認(rèn)為，硬度是表示材料表面抵抗局部壓入變形或刻劃破裂的能力。

硬度試驗(yàn)一般僅在材料表面局部體積內(nèi)產(chǎn)生很小的壓痕，可以在構(gòu)件上直接進(jìn)行測(cè)試，而無(wú)須專門制作試樣。硬度試驗(yàn)也比較容易檢測(cè)材料表面層的質(zhì)量、表面淬火和化學(xué)熱處理后的表面性能等。

由于硬度試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便、迅速，同時(shí)又能敏感地反映材料的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)的差異，因而被廣泛應(yīng)用于檢測(cè)各類材料的性能、熱加工工藝質(zhì)量或研究組織結(jié)構(gòu)的變化。常用的有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等試驗(yàn)方法。

1.布氏硬度(HB)

按GB/T231.12009《金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》的規(guī)定，布氏硬度的測(cè)定原理如圖1－5所示。用已固定直徑(D)的硬質(zhì)合金球或淬硬鋼球，在恒定載荷(P)的加載下壓入待測(cè)試樣表面并保持一定時(shí)間后卸除載荷，用刻度放大鏡測(cè)量被測(cè)試試樣表面形成的壓痕直徑(d)，用載荷與壓痕球形表面積的比值作為布氏硬度值。布氏硬度值用HBW(硬質(zhì)合金球壓頭)或HBS(淬硬鋼球壓頭)表示，即

式中：

HBW(或HBS)為布氏硬度值；P為施加的恒定載荷；

F為試樣表面的壓痕面積；

D為硬質(zhì)合金球或淬硬鋼球直徑；

d為壓痕直徑。圖1－5布氏硬度的測(cè)定原理示意圖

在實(shí)際應(yīng)用中，布氏硬度習(xí)慣上不標(biāo)注單位，可根據(jù)讀數(shù)顯微鏡測(cè)出壓痕直徑d的大小，通過(guò)查詢布氏硬度表得出布氏硬度值。

布氏硬度值的標(biāo)注，除了采用壓頭直徑D為10mm、載荷P為29.43kN(3000kg·f)、保荷時(shí)間為10s的條件下測(cè)得的布氏硬度值不標(biāo)注試驗(yàn)條件外，其他條件下的布氏硬度值都應(yīng)在布氏硬度符號(hào)HBW或HBS后面依次注明球體直徑、載荷大小和保荷時(shí)間。例如，350HBS5/750/20表示用5mm的淬硬鋼球壓頭，在7.355kN載荷作用下保持20s測(cè)定的布氏硬度值為350。

布氏硬度試驗(yàn)按照GB231－84規(guī)定執(zhí)行，根據(jù)被測(cè)材料的性質(zhì)和厚薄，選用不同的壓頭直徑、載荷的大小以及保荷時(shí)間，如表1－3所示。

布氏硬度法測(cè)試值穩(wěn)定、準(zhǔn)確，但耗時(shí)，且壓痕較大，不宜測(cè)試薄件或成品件，常用于測(cè)試有色金屬，以及調(diào)質(zhì)和正火、退火態(tài)的黑色金屬。

2.洛氏硬度(HR)

洛氏硬度測(cè)試原理圖如圖1－6所示。將120°的金剛石圓錐，或直徑為1.588mm的小淬火鋼球，或硬質(zhì)合金球壓入試樣表面，根據(jù)壓痕深度(h)可確定其洛氏硬度值。

按GB23091的規(guī)定，壓頭每壓入0.002mm深度作為一個(gè)硬度單位，這樣，洛氏硬度可由下式計(jì)算得出：

式中：

HR為洛氏硬度值；C

為常數(shù)；

h為壓痕深度。圖1－6洛氏硬度的測(cè)定原理示意圖

為了在同一臺(tái)硬度計(jì)上測(cè)定不同硬度或厚度的試樣，用不同的壓頭和試驗(yàn)力組合成不同的洛氏硬度標(biāo)尺。根據(jù)GB/T2302004規(guī)定，目前共有A、B、C、D、E、F、G、H、K等9種標(biāo)尺共選擇，常用的有HRA、HRB和HRC三種。HRA是采用60kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度很高的材料；

HRB是采用100kg載荷和直徑為1.58mm的淬硬鋼球求得的硬度，用于硬度較低的材料；

HRC是采用150kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度較高的材料。其試驗(yàn)規(guī)范如表1－4所示。

表1－4常用洛氏硬度試驗(yàn)的標(biāo)尺、試驗(yàn)規(guī)范及應(yīng)用

A、B和C標(biāo)尺洛氏硬度用硬度值、符號(hào)HR和使用的標(biāo)尺字母表示，如80HRA表示用A標(biāo)尺測(cè)試的洛氏硬度值為80。使用鋼球壓頭的標(biāo)尺在硬度符號(hào)后加“S”，使用硬質(zhì)合金球壓頭的標(biāo)尺在硬度符號(hào)后加“W”。如75HRBW表示用硬質(zhì)合金球壓頭在B標(biāo)尺上測(cè)試的洛氏硬度值為75。

洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便、迅速；壓痕小，可對(duì)工件直接進(jìn)行檢驗(yàn)；采用不同標(biāo)尺，可測(cè)定各種軟硬不同和薄厚不一試樣的硬度。但洛氏硬度的壓痕較小，代表性差，尤其是材料中的偏析及組織不均勻等情況，使所測(cè)洛氏硬度值的重復(fù)性差、分散度大。因此一般試樣需要測(cè)試三個(gè)點(diǎn)以上的洛氏硬度值，然后取其平均值。

3.維氏硬度(HV)

測(cè)定維氏硬度的原理基本上和上述兩種硬度的測(cè)量方

法類似，維氏硬度的測(cè)定原理示意圖如圖1－7所示，其區(qū)別在于維氏硬度是以49.03~980.7N的負(fù)荷，將相對(duì)面夾角為136°的方錐形金剛石壓入器壓材料表面，保持規(guī)定時(shí)間后，用測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度，再按以下公式來(lái)計(jì)算維氏硬度的大小：

式中：

HV為維氏硬度值；F為載荷；

S為壓痕表面積；

α為壓頭相對(duì)面夾角，136°；

d為平均壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度。圖1－7維氏硬度的測(cè)定原理示意圖

維氏硬度值不需計(jì)算，一般是根據(jù)壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度平

均值查GB434084附表得出的。維氏硬度習(xí)慣上不標(biāo)注單位，其表示方法為：在符號(hào)HV前面寫出硬度值，HV后面依次用相應(yīng)數(shù)字注明試驗(yàn)力和保持時(shí)間(10~15s不標(biāo)注)。例如

640HV30/20，表示在30kg·F(294.2N)試驗(yàn)力作用下，保持20s測(cè)得的維氏硬度值為640。

維氏硬度試驗(yàn)法所用試驗(yàn)力小，壓痕深度淺，輪廓清晰，數(shù)字準(zhǔn)確、可靠，故廣泛用于測(cè)量金屬鍍層、薄片材料和化學(xué)熱處理后的表面硬度。又因其試驗(yàn)力可在很大范圍內(nèi)(

49.03~980.7N)選擇，所以可測(cè)量從很軟到很硬的材料。但維氏硬度試驗(yàn)不如洛氏硬度試驗(yàn)簡(jiǎn)便、迅速，不適于成批生產(chǎn)的常規(guī)試驗(yàn)。

應(yīng)當(dāng)指出，各硬度試驗(yàn)法測(cè)得的硬度值不能直接進(jìn)行比較，必須通過(guò)硬度換算表?yè)Q算成同一種類的硬度值后，方可比較其大小。

1.2.3韌性

在生產(chǎn)實(shí)踐中，許多機(jī)械零件和工具均會(huì)處于沖擊載荷下工作，如鍛錘錘桿、沖床沖頭、飛機(jī)起落架、汽車齒輪等。由于沖擊載荷的加載速度大，作用時(shí)間短，機(jī)件常常因局部載荷而產(chǎn)生變形和斷裂，因此，對(duì)于承受沖擊載荷的機(jī)件，僅具有高強(qiáng)度是不夠的，還必須具備足夠的抵抗沖擊載荷的能力。

金屬材料在沖擊載荷下抵抗破壞的能力稱為沖擊韌度。沖擊韌度一般是以在沖擊力作用下材料破壞時(shí)單位面積所吸收的能量來(lái)表示的，它表示了金屬材料抗沖擊的能力。韌性的判據(jù)是通過(guò)沖擊試驗(yàn)確定的。

常用的方法是擺錘式一次沖擊試驗(yàn)法，該法是在專用的擺錘試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。按GB/T2291994《金屬夏比(U形或V形缺口)沖擊試驗(yàn)法》規(guī)定，將被測(cè)材料制成標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，如圖1－8所示。圖1－8夏比U形缺口試樣示意圖

試驗(yàn)時(shí)，將試樣缺口背向擺錘沖擊方向放在試驗(yàn)機(jī)支座上(如圖1－9(a)所示)；擺錘舉至h1高度，具有位能mgh1

，然后使擺錘自由落下，沖斷試樣后，擺錘升至高度h2(如圖1－9b所示)，此時(shí)擺錘的位能為mgh2

。擺錘沖斷試樣所消耗的能量，即試樣在沖擊力一次作用下折斷時(shí)所吸

收的功，稱為沖擊吸收功。沖擊吸收動(dòng)用符號(hào)AK表示(U形缺口試樣用AKU表示，V形缺口試樣用AKV

表示)，其計(jì)算式為

式中：

AK為沖擊吸收功；m為擺錘重量；

g為重力加速度；

h1為擺錘初始高度；

h2

為擺錘降落度。

AK

值不需計(jì)算，可由沖擊試驗(yàn)機(jī)刻度盤上直接讀出。沖擊試樣缺口底部單位橫截面積上的沖擊吸收功，稱為沖擊韌度。沖擊韌度用符號(hào)aK表示，單位為J/cm2，其計(jì)算式為

式中：

aK

為沖擊韌度；

A為試樣缺口底部橫截面積。圖1－9擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)原理示意圖

一次擺錘式彎曲沖擊試驗(yàn)不僅能測(cè)定材料沖擊韌度，還有如下應(yīng)用：

(1)判斷材料的斷裂性質(zhì)。金屬材料的斷裂分為脆性斷裂和韌性斷裂兩種。脆性斷裂時(shí)，其斷口沒(méi)有明顯的塑性變形，斷口的外表輪廓較平齊，斷面有金屬光澤，呈晶狀或瓷狀。韌性斷裂時(shí)，其斷口有明顯的塑性變形，斷口的外表輪廓有厚的突出邊緣，斷口呈暗灰的纖維狀。實(shí)際上，沖擊斷口往往是以上兩種情況的混合，只是由于材料的不同而有所側(cè)重罷了。

(2)評(píng)定材料的冷脆傾向。有些材料在室溫20℃左右試驗(yàn)時(shí)并不顯示脆性，而在較低溫度下則可能發(fā)生脆斷，這一現(xiàn)象稱為冷脆。為了測(cè)定金屬材料開始發(fā)生冷脆現(xiàn)象的溫度，可在不同溫度下進(jìn)行一系列沖擊試驗(yàn)。圖1－10所示為某種材料沖擊韌度溫度曲線示意圖。由圖中可以看出，沖擊韌度隨溫度的降低而減小，在某一溫度范圍，沖擊韌度顯著降低而呈現(xiàn)脆性，這個(gè)溫度范圍就是冷脆轉(zhuǎn)變溫度范圍。冷脆轉(zhuǎn)變溫度越低，材料的低溫抗沖擊性能越好。圖1－10溫度對(duì)沖擊吸收功的影響

(3)為改進(jìn)生產(chǎn)工藝、控制產(chǎn)品質(zhì)量提供有益的依據(jù)。沖擊試驗(yàn)在檢驗(yàn)金屬材料內(nèi)部組織缺陷如粗晶、夾渣、氣泡、微裂紋等，以及鑒定熱加工工藝規(guī)范的正確性方面，比其他試驗(yàn)方法敏感，試驗(yàn)過(guò)程也比較簡(jiǎn)單。

應(yīng)當(dāng)指出，沖擊試驗(yàn)時(shí)，沖擊吸收功中只有一部分消耗在斷開試樣缺口的截面上，沖擊吸收功的其余部分則消耗在沖斷試樣前，缺口附近體積內(nèi)的塑性變形上。因此，沖擊韌度不能真正代表材料的韌性，而用沖擊吸收功AK作為材料韌性的判據(jù)更為適宜。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)已規(guī)定采用AK作為韌性判據(jù)。

1.3材料的其他性能

1.3.1物理性能材料受到自然界中光、重力、溫度場(chǎng)、電場(chǎng)和磁場(chǎng)等作用所反映的性能稱為物理性能。物理性能是材料承受非外力物理環(huán)境作用的重要性質(zhì)。隨著高性能武器裝備的發(fā)展，材料的物理性能也越來(lái)越受到重視。利用材料的特殊物理性能可以將一種性質(zhì)的能量轉(zhuǎn)換為另一種性質(zhì)的能量，如光與電、電與磁以及電與熱等能量之間的轉(zhuǎn)換。具有此類性質(zhì)的材料稱為功能材料。功能材料已成為現(xiàn)代武器裝備性能的決定因素之一。

材料的物理性能主要包括電、磁、光、熱等性能。

1.電學(xué)性能

材料的電學(xué)性能是指材料受電場(chǎng)作用而反映出來(lái)的各種物理性能。它主要包括導(dǎo)電性能和介電性能。

1)導(dǎo)電性能

材料的導(dǎo)電性一般用電阻率表征。通常，金屬的電阻率隨溫度升高而增加，非金屬材料則與此相反。金屬一般具有良好的導(dǎo)電性。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)電性總比合金的要好。高分子材料都是絕緣體，但有的高分子復(fù)合材料也有良好的導(dǎo)電性。陶瓷材料雖然也是良好的絕緣體，但某些特殊成分的陶瓷卻是有一定導(dǎo)電性的半導(dǎo)體。

2)介電性能

電介質(zhì)或介電體在電場(chǎng)作用下，雖然沒(méi)有電荷或電流的傳輸，但材料仍對(duì)電場(chǎng)表現(xiàn)出某些相應(yīng)特性，可用材料的介電性能來(lái)描述。介電性的兩種主要功能是作為絕緣體和電容極板間的介質(zhì)。

介電性能用介電常數(shù)K來(lái)表示。介電常數(shù)反映電介質(zhì)儲(chǔ)存電荷的相對(duì)能力。介電常數(shù)與材料成分、溫度和電場(chǎng)頻率等因素有關(guān)。在強(qiáng)電場(chǎng)中，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)某一臨界值(稱為介電強(qiáng)度)時(shí)，電介質(zhì)就會(huì)喪失其絕緣性能，這種現(xiàn)象稱為電擊穿。電絕緣體必須是介電體，要具有高的電阻率、高的介電強(qiáng)度和較小的介電常數(shù)。普通高聚合物材料具有較高的耐電強(qiáng)度，因而被廣泛應(yīng)用于約束和保護(hù)電流。

介電體的其他性能還有電致伸縮、壓電效應(yīng)和鐵電效應(yīng)等。

3)超導(dǎo)現(xiàn)象

導(dǎo)體在溫度下降到某一值時(shí)，電阻會(huì)突然消失，這一奇妙的現(xiàn)象叫做超導(dǎo)現(xiàn)象。超導(dǎo)現(xiàn)象是在1911年由荷蘭物理學(xué)家昂尼斯首先發(fā)現(xiàn)的。電阻突然變?yōu)榱銜r(shí)的溫度稱為臨界溫度。具有超導(dǎo)性的物質(zhì)稱為超導(dǎo)體。超導(dǎo)體在超導(dǎo)狀態(tài)下電阻為零，可輸送大電流而不發(fā)熱、不損耗，具有高載流能力，并可長(zhǎng)時(shí)間無(wú)損耗地儲(chǔ)存大量的電能，能產(chǎn)生極強(qiáng)的磁場(chǎng)。

目前，發(fā)現(xiàn)具有超導(dǎo)電性的金屬元素有鈦、釩、鋯、鈮、鉬、鉭、鎢、錸等，非過(guò)渡族元素有鉍、鋁、錫、鎘等。但由于實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的溫度太低，獲得低溫所消耗的電能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)超導(dǎo)所節(jié)省的電能，因而阻礙了超導(dǎo)技術(shù)的推廣。為了實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)體的大規(guī)模應(yīng)用，關(guān)鍵是大幅度提高超導(dǎo)體的臨界溫度。

超導(dǎo)技術(shù)在軍事上有廣泛的應(yīng)用前景。如超導(dǎo)電磁測(cè)量裝備使極微弱的電磁信號(hào)都能被采集、處理和傳遞，實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量和對(duì)比。采用超導(dǎo)量子干涉儀的磁異常探測(cè)系統(tǒng)，不但可探測(cè)敵方的地雷、潛艇，而且還能制成靈敏度極高的磁性水雷。超導(dǎo)材料具有高載流能力和零電阻的特點(diǎn)，可長(zhǎng)時(shí)間無(wú)損耗地儲(chǔ)存大量電能，需要時(shí)該儲(chǔ)存能量可以連續(xù)釋放出來(lái)。在此基礎(chǔ)上可制成超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)。超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量大，體積卻很小，可代替軍車、坦克上笨重的油箱和內(nèi)燃

機(jī)。

2.磁學(xué)性能

磁學(xué)性能是材料受磁場(chǎng)作用而反映出來(lái)的性能。磁性材料在電磁場(chǎng)的作用下，將會(huì)產(chǎn)生多種物理效應(yīng)和信息轉(zhuǎn)換功能。利用這些物理特性可制造出具有各種特殊用途的元器件，在電子、電力、信息、能源、交通、軍事、海洋與空間技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。

1)金屬材料的磁學(xué)性能

金屬材料中僅有三種金屬(鐵、鈷、鎳)及其合金具有顯著的磁性，稱為鐵磁性材料。其他金屬、陶瓷和高聚合物均不呈磁性。鐵磁性材料很容易磁化，在不很強(qiáng)的磁場(chǎng)作用下，就可以得到很大的磁化強(qiáng)度。

2)無(wú)機(jī)非金屬材料的磁學(xué)性能

磁性無(wú)機(jī)材料具有高電阻、低損耗的優(yōu)點(diǎn)，在電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)和信息存儲(chǔ)等方面應(yīng)用廣泛。磁性無(wú)機(jī)材料一般是含鐵及其他元素的復(fù)合氧化物，通常稱為鐵氧體，屬于半導(dǎo)體范疇。

3)高聚合物材料的磁學(xué)性能

大多數(shù)高聚合物材料為抗磁性材料。順磁性僅存在于兩類有機(jī)物中：一類是含有過(guò)渡族金屬的有機(jī)物；另一類是含有屬于定域態(tài)或較少離域的未成對(duì)電子(不飽和鍵、自由基等)的有機(jī)物。

如由順磁性離子和有機(jī)金屬乳化物合成的順磁聚合物，電荷轉(zhuǎn)移聚合物一般也具有順磁性。在900~1100℃下熱解聚丙烯腈具有中等飽和磁化強(qiáng)度的鐵磁性。

3.光學(xué)性能

光波是指波長(zhǎng)在特定范圍內(nèi)的電磁波，因此，光和物質(zhì)的相互作用取決于該物質(zhì)電磁性質(zhì)的基本參數(shù)，即電導(dǎo)率、介電常數(shù)和磁導(dǎo)率等。材料的光學(xué)特性涉及光的吸收、透射、反射和折射等問(wèn)題，是現(xiàn)代功能材料設(shè)計(jì)與選用的重要特性之一。

武器裝備中采用的隱身技術(shù)就是利用材料或結(jié)構(gòu)外形來(lái)減少對(duì)雷達(dá)波的反射而實(shí)現(xiàn)的。如隱身飛機(jī)所使用的隱身材料主要有吸波復(fù)合材料和吸波涂料等。吸波材料的機(jī)理是使入射電磁波能量在分子水平上產(chǎn)生振蕩，轉(zhuǎn)化為熱能，有效地衰減雷達(dá)回波強(qiáng)度。按吸收機(jī)理不同，吸波材料可分為吸收型、諧振型和衰減型三大類。

鐵氧體磁性材料具有優(yōu)異的微波磁性，在高頻電磁場(chǎng)作用下能產(chǎn)生較大的電磁損失，對(duì)入射電磁波具有較好的吸收效果。它在隱身武器中用作吸波材料，不僅能吸收雷達(dá)波，也能吸收和耗散紅外線。

現(xiàn)代的雷達(dá)吸波復(fù)合材料為多層結(jié)構(gòu)，最外層為透波材料，中間層為電磁損耗層，最內(nèi)層則由具有反射雷達(dá)波性能的材料構(gòu)成。它在隱形飛機(jī)上已得到廣泛應(yīng)用。

4.熱學(xué)性能

材料的熱學(xué)性能在現(xiàn)代裝備制造中是非常重要的。先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前溫度接近1800℃；航天飛機(jī)在重返大氣層時(shí)要能承受1600℃或更高的溫度。這就需要根據(jù)材料的熱學(xué)性能進(jìn)行選材。材料的熱學(xué)性能主要包括導(dǎo)熱性、熱膨脹性和熱容等。

1)導(dǎo)熱性

表征材料熱傳導(dǎo)性能的指標(biāo)有：導(dǎo)熱系數(shù)(熱導(dǎo)率)λ，單位為W/(m·K)；傳熱系數(shù)k，單位為W/(m2·K)。金屬中銀和銅的導(dǎo)熱性最好，其次為鋁，而非金屬(特別是塑料)的導(dǎo)熱性差。純金屬的導(dǎo)熱性比合金好。制造散熱器、熱交換器與活塞等的材料，其導(dǎo)熱性要好。導(dǎo)熱性對(duì)制定金屬的加熱工藝很重要，如合金鋼導(dǎo)熱比碳鋼差，其加熱速度就要慢一些。

2)熱膨脹性

材料的熱膨脹性通常用線膨脹系數(shù)表征。陶瓷的熱膨脹系數(shù)最低，金屬次之，高分子材料最高。對(duì)精密儀器或機(jī)器零件，熱膨脹系數(shù)是一個(gè)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(guò)大而使焊件變形或破壞。

3)熱容

將1mol材料的溫度升高1K時(shí)所需要的熱量叫做熱容。單位質(zhì)量的材料的溫度升高1K所需要的能量稱為比熱容。工程上通常使用比熱容。金屬熱容實(shí)質(zhì)上反映了金屬中原子熱振動(dòng)能量狀態(tài)改變時(shí)需要的熱量。當(dāng)金屬加熱時(shí)，金屬吸收的熱能主要為點(diǎn)陣所吸收，從而增加金屬離子的振動(dòng)能量；其次還為自由電子所吸收，從而增加自由電子的動(dòng)能。因此，金屬中離子熱振動(dòng)對(duì)熱容作出了主要的貢獻(xiàn)，而自由電子的運(yùn)動(dòng)對(duì)熱容作出了次要的貢獻(xiàn)。

5.密度和熔點(diǎn)

1)密度

材料的密度是指每單位體積內(nèi)的質(zhì)量。一般將密度小于5×103kg/m3的金屬稱為輕金屬；密度大于5×103kg/m3的金屬稱為重金屬。抗拉強(qiáng)度σb與密度ρ之比稱為比強(qiáng)度；彈性模量E與密度ρ之比稱為比彈性模量。這兩者也是考慮某些零件材料性能的重要指標(biāo)。如密度大的材料將增加零件的重量，降低零件單位重量的強(qiáng)度，即降低比強(qiáng)度。一般航空、航天等領(lǐng)域都要求材料具有高的比強(qiáng)度和比彈性模量。

2)熔點(diǎn)

材料從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度稱為該材料的熔點(diǎn)。金屬都有固定的熔點(diǎn)，將熔點(diǎn)低于700℃的金屬稱為易熔金屬，如錫、鉍、鉛及其合金。某些低熔點(diǎn)合金(制作保險(xiǎn)絲)的熔點(diǎn)可低于150℃。熔點(diǎn)高于700℃的金屬稱為難熔金屬，如鐵、鎢、鉬、釩及其合金。陶瓷的熔點(diǎn)一般都顯著高于金屬及合金的熔點(diǎn)，如碳化鉭的熔點(diǎn)接近4000℃。高分子材料一般不是完全晶體，沒(méi)有固定的熔點(diǎn)，如對(duì)玻璃和高聚合物不測(cè)定熔點(diǎn)，通常只用其軟化點(diǎn)來(lái)表示。

1.3.2化學(xué)性能

化學(xué)性能是指材料在室溫或高溫時(shí)抵抗各種介質(zhì)化學(xué)侵蝕的能力。通常將材料因化學(xué)侵蝕而損壞的現(xiàn)象稱為腐蝕。非金屬材料的耐腐蝕性遠(yuǎn)高于金屬材料。金屬的腐蝕既容易造成一些隱蔽性和突發(fā)性的嚴(yán)重事故，也損失了大量的金屬材料。常見(jiàn)的材料與環(huán)境的作用有氧化和腐蝕等化學(xué)反應(yīng)。將工程材料抵抗各種化學(xué)作用的能力稱為化學(xué)性能。它主要包括抗氧化性與抗腐蝕性。

1.抗氧化性

材料在高溫下抵抗周圍介質(zhì)的氧與其作用而不被損壞的能力稱為抗氧化性。金屬材料在高溫下與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的程度比常溫下劇烈，因此容易損壞金屬。氧化物陶瓷與氧不起反應(yīng)，氮化物、硼化物和碳化物陶瓷對(duì)氧一旦反應(yīng)，其表面氧化物有自保護(hù)作用而阻止進(jìn)一步氧化。改善和提高金屬抗高溫氧化的重要措施主要有在鋼中加入某些合金元素或在金屬和合金表面施加涂層。

2.抗腐蝕性

金屬和合金抵抗周圍介質(zhì)(如大氣、水汽)及各種電解質(zhì)侵蝕的能力叫做抗腐蝕性或耐蝕性?？垢g性對(duì)機(jī)械的使用與維護(hù)有很大意義。各種與化學(xué)介質(zhì)相接觸的零件和容器都要考慮腐蝕問(wèn)題。柴油機(jī)排氣閥工作溫度可達(dá)750~850℃，經(jīng)受著有腐蝕作用的燃?xì)獾臎_刷，所以要用抗腐蝕性好的合金來(lái)制造。

在高溫條件下，材料的抗腐蝕性也叫做抗氧化性。耐腐蝕性和抗氧化性統(tǒng)稱化學(xué)穩(wěn)定性。高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性稱為熱穩(wěn)定性。

1.3.3工藝性能

工藝性能是指材料在成形或加工的過(guò)程中，對(duì)某種加工工藝的適應(yīng)能力。它是決定材料能否進(jìn)行加工或如何進(jìn)行加工的重要因素。工藝性能包括鑄造性能(材料易于成形并獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的性能)、塑性加工性能(材料是否易于進(jìn)行壓力加工的性能)、焊接性能(材料是否易于焊接在一起并能保證焊縫質(zhì)量的性能)、熱處理性能(材料進(jìn)行熱處理的難易程度)及切削加工性能(材料在切削加工時(shí)的難易程度)等。材料工藝性能的好壞，會(huì)直接影響制造零件的工藝方法、質(zhì)量及其制造成本。

1.鑄造性能

鑄造性能是指材料用鑄造方法獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的性能。它取決于材料的流動(dòng)性和收縮性。流動(dòng)性好的材料，充填鑄模的能力強(qiáng)，可獲得完整而致密的鑄件。收縮率小的材料，在鑄造冷卻后，鑄件縮孔小，表面無(wú)空洞，也不會(huì)因收縮不均勻而引起開裂，尺寸比較穩(wěn)定。

2.塑性