Transcript 第1章工程材料的主要性能

教学课题：
第1章 工程材料的主要性能
 1.材料的使用性能
■ 材料的力学性能
■ 材料的物理化学性能
 2.材料的工艺性能
1.常用的力学性
通过本章的学习，掌
握材料常用的力学性能
指标及力学性能指标在
选材中的应用
能指标
2.力学性能指标
在选材中的意义
思考：
 材料的性能有哪些？
 材料的性能是由什么决定的？
 如何衡量这些性能？
 钢丝、铁丝、铜丝和铝丝四者的性能有那些区别？
 不同服役条件下应具备哪些性能？
材料的性能有哪些？
材料的性能包含工艺性能和使用性能。
使用性能：是指材料在服役条件下，为保证安全可靠地
工作，材料所必须具备的性能。如：力学性能、物理性能、
化学性能。工程材料使用性能的好坏，决定了它的使用寿命
和应用范围。
工艺性能：是指制造工艺过程中材料适应某种成形加
工的性能。如：铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性、热
处理工艺性。工程材料工艺性能好坏，直接影响零件或构件
的制造方法和制造成本。
1.1.1 材料的力学性能
 力学性能：是指金属材料在外力作用时表现出来的性能。
 外力形式：拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等。
 载荷形式：静载荷、冲击载荷、交变载荷等。
一、低碳钢常温静载拉伸实验
 标准拉伸试样：
长试样L0=10d0
短试样L0=5d0
 应力 (σ)：单位
横截面积的内力
1.拉伸曲线分析
 oe弹性变形阶段
 csd屈服阶段
 db强化阶段
 bk缩颈阶段
 k试样断裂
1.拉伸曲线分析
 弹性变形阶段
①e点以前产生的变形
是可以恢复的弹性变形，e
点对应了弹性变形阶段的
极限值，称为弹性极限，
以σe表示（单位为Mpa）。
②oe段近似为一直线，直线的斜率代表弹性模量E，弹性模量E是衡
量材料产生弹性变形难易程度的指标。E愈大，使其产生一定量弹性变
形的应力也应愈大。弹性模量的大小主要取决于金属的本性（晶格类型和原子
结构），而与金属的显微组织无关。工程上称为材料的刚度，表示材料弹性
变形抗力的大小。
1.拉伸曲线分析
 屈服阶段
①当应力超过σe时，试样开
始出现塑性变形。
②图形上出现平台，即载
荷无明显增加，试样继续伸长，
材料丧失了抵抗变形的能力，
这种现象叫屈服。
③σs为屈服阶段的最小应力，称为屈服强度（屈服点）。
S 
FS
( MPa)
S0
式中 Fs——屈服时的最小载荷（N）；
S0——试样原始截面积（mm2）
其含义是：当σ>=σs时，认为
材料开始产生塑性变形；当
σ<σs时，认为材料不产生塑性
变形。零件发生塑性变形，意
味着零件散失了对尺寸和公差
的控制，因此工程中常根据σs
确定材料的许用应力。
1.拉伸曲线分析
 屈服阶段
④对于铸铁等脆性材料，无明显屈服
阶段，可用规定残余伸长应力σ0.2表示。
σ0.2表示试样卸除载荷后，其标距部分的
残余伸长率达到0.2%时的应力，也称为名
义屈服强度。
 r 0.2 
Fr 0.2
( MPa)
S0
1.拉伸曲线分析
 强化阶段
①在屈服阶段以后，欲使试
样继续伸长，必须不断加载。
即随着试样塑性变形增大，试
样变形抗力也逐渐增加，这种
现象称为变形强化（或称加工
硬化）。
②材料在拉断前所承受的最大应力称为抗拉强度σb。
b 
Fb
( MPa)
S0
式中
其含义是：当σ>=σb时，
材料将会断裂，当σ<σb时，
Fb——试样断裂前所承受的最大载荷 （N）；
材料不会断裂。
S0——试样原始截面积（mm2）
1.拉伸曲线分析
 缩颈阶段
当应力达到σb时，试样就在
某个薄弱部位形成缩颈。由于
试样局部截面的逐渐减小，故
应力也逐渐降低，当达到曲线
上的k点时，试样发生断裂。
2.强度指标
 强度是指材料在静载荷作用下抵抗塑性变形和断
裂的能力。
其中抵抗塑性变形的能力，用屈服强度σs表示，无明显屈服阶
段，可用规定残余伸长应力σ0.2表示；抵抗断裂的能力，用抗拉强度
σb表示。
σs与σb的比值叫做屈强比，屈强比愈小，工程构件的可靠性愈
高，屈强比太小，则材料强度的有效利用率太低，一般取值在0.65～
0.75。
3.塑性指标
 塑性是指材料断裂前发生最大变形的能力。
①断后伸长率  
L1  L0
100%
L0
式中 L0，L1——分别为试样原始标距和被拉断后的标距（mm）。
②断面收缩率 

S 0  S1
100%
S0
式中 S0，S1——分别为试样原始截面积和断裂后缩颈处的最小截
面积（mm2）。
③塑性对材料的意义
a.提高安全性：塑性好的材料，在受力过大时，首先产生塑性
变形而不突然断裂，因此比较安全。
b.便于压力加工成型：塑性好的材料可以发生大量塑性变形而
不破坏，易于通过塑性变形加工成形状复杂的零件。
4.加工硬化
 加工硬化：材料经过加工产生塑性变形后，强度、
硬度上升，而韧性、塑性下降的现象。
二、硬度实验
 材料抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度，即受压时
抵抗局部塑性变形的能力。
 硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念。
 硬度试验简单易行，又无损于零件，而且可以近似的推
算出材料的其他机械性能，因此在生产和科研中应用广
泛。
 硬度试验方法很多，机械工业普遍采用压入法来测定硬
度，压入法又分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。
1.布氏硬度
 实验过程
一定直径的球体(钢球或硬质合
金球)在一定载荷作用下压入试样表
面，保持一定时间后卸除载荷，测量
其压痕直径, 计算硬度值。布氏硬度
值用球面压痕单位表面积上所承受的
平均压力来表示。用符号HBS(当用钢
球压头时)或HBW(当用硬质合金球时)
来表示。
HBS（HBW） = F/A = 2F/πD[D - (D2-d2)1/2]
1.布氏硬度
 布氏硬度表示方法
标注：如120HBS10/1000/10，即表示用直径D=10mm的淬火钢球压头
在1000kgf(9.8KN)的试验载荷作用下，保持10秒所测得布氏硬度值为
120。HBS只可用来测定硬度值小于450的金属材料。
500HBW5/750表示用直径D=5mm 的硬质合金球压头在750kgf(7.35KN)
的试验载荷作用下，保持10-15秒(不标注)所测得布氏硬度值为500 。
HBW可用来测定硬度值450-650的金属材料。
1.布氏硬度
 布氏硬度特点
布氏硬度试验的压痕较大，测量数值稳定，准确，能很好的反应材
料的硬度；但操作时间较长，对不同材料需要不同的压头和试验力，压
痕直径测量费时，因此不适用批量生产、成品及薄件；在进行高硬度材
料试验时，由于球体本身的变形会使测量结果不准确，因此，用淬火钢
球压头测量时，材料硬度值必须小于450；用硬质合金球压头时，材料
硬度值必须小于650。
 布氏硬度应用
布氏硬度测定主要适用于各种未经淬火的钢、退火、正火状态的钢；
结构钢调质件；铸铁、有色金属、质地轻软的轴承合金等原材料。
2.洛氏硬度
 实验过程
将金刚石压头(或钢球压头),
在
先后施加两个载荷(预载荷F0和主载
荷F1)的作用下压入金属表面。总载
荷F为预载荷F0和主载荷F1之和。卸
去主载荷F1后, 测量其残余压入深度
h, 用h与h0之差△h来计算洛氏硬度
值。
预加载荷的目的是使压头与试样表
面接触良好, 以保证测量结果准确。
硬度值的大小直接由硬度计表盘上读出。
2.洛氏硬度
 布氏硬度表示方法
标注：如40-45HRC
 常见洛氏硬度标尺的实验条件及应用
硬度
符号
压头
总载荷
（kgf）
表盘上刻
度颜色
常用硬度值
范围
HRA
金钢石圆锥
60
黑 色
20~85
碳化物、硬质合金、
表面淬火层等
HRB
φ1.5875mm
钢球
100
红 色
25~100
有色金属、退火及
正火钢等
HRC
金钢石圆锥
150
黑 色
20~67
调质钢、淬火钢等
使用范围
2.洛氏硬度
 洛氏硬度特点
操作简便迅速，能直接从刻度盘上读出硬度值；压痕小，可以测定
成品及较薄零件；测试的硬度值范围大，从很软到很硬的金属材料均可
测量。缺点是：压痕小，测量数值代表性差，通常需要在不同部位测试
数次，取平均值。
3.维氏硬度
 实验过程
为了从软到硬的各种金属材料有一个连续
一致的硬度标度，因而制定了维氏硬度试验
法。
是用一种顶角为136°的正四棱锥体金钢
压头，在载荷F(kgf)作用下，试样表面压出
一个四方锥形压痕，测量压痕对角线长度
d(mm)供以计算试样的硬度值。 ——根据d值
查表即可得到硬度值。
3.维氏硬度
 维氏硬度表示方法
维氏硬度用符号HV表示，HV前面为硬度值，HV后面的数字按试验
载荷、试验载荷保持时间(10～15s不标注)的顺序表示试验条件。例如：
640HV30表示用294.2N(30kgf)的试验载荷，保持10～15s(不标出)
测定的维氏硬度值为640；
640HV30/20表示用294.2N(30kgf)的试验载荷，保持20s测定的维
氏硬度值为640。
 维氏硬度应用
维氏硬度试验主要用来测定金属镀层、薄片金属以及化学热处理
(如氮化、渗碳等)后的表面硬度。
三、夏比冲击实验
 韧性
材料断裂前吸收变形能量的能力。
 冲击韧性
冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。
三、夏比冲击实验
 实验过程
 冲击吸收功Ak
Ak=mg(h1-h2)
单位为焦耳
 冲击韧度ak
ak=冲击破坏所消耗的功Ak/
标准试样断口截面积F,单位为焦
耳/厘米²（J/cm²）
三、夏比冲击实验
ak值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形；ak值高，明显塑
变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性材料。
 韧脆转变温度
冲击吸收功急剧 变化或断口韧性急剧转变的温度区域。
四、疲劳强度
 机械零件的断裂80%由疲劳造成。
 承受周期性循环应力或交变应力作用。
 应力往往远小于强度极限甚至屈服极限。
 突然断裂。
 疲劳断裂过程：疲劳裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、
断裂三个阶段。
四、疲劳强度
 疲劳强度
材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。
循环基数：钢铁材料107；非铁金属108；腐蚀介质作用下106。
陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低，金属材料疲劳强度较高，
纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能。
 影响因素
循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残
余应力等。
1.1.2 材料的物理、化学性能
 材料的物理性能
■ 密度
■ 熔点
■ 导热性
■ 导电性
■ 热膨胀性
■ 磁性
1.1.2 材料的物理、化学性能
 材料的化学性能
金属材料与周围介质接触时抵抗发生化学或电化学反应的性能。
(1)耐腐蚀性——指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。
耐腐蚀性材料如：不锈钢、塑料、陶瓷、钛及其合金等等。
(2)抗氧化性——指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮的能力。
如：耐热钢、铬镍合金、铁铬合金等。
1.2 材料的工艺性能
 工艺性能是指材料适应加工工艺要求的能力。
■ 铸造性能
■ 锻造性能
■ 焊接性能
■ 切削加工性能
■ 热处理工艺性能