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1、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,本章重点内容,学习目的,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,1.常用的力学性 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
2、，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()：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
3、形阶段,e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e表示（单位为Mpa）。,oe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,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。,当应力超过e时，试样开始出现塑性变形。,s为屈服阶段的最小应力，称为屈服强度（屈服点
4、）。,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=s时，认为材料开始产生塑性变形；当s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s确定材料的许用应力。,1.拉伸曲线分析,屈服阶段,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0.2表示。0.2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。,1.拉伸曲线分析,强化阶段,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）。,材料在
5、拉断前所承受的最大应力称为抗拉强度b。,式中 Fb试样断裂前所承受的最大载荷（N）；S0试样原始截面积（mm2）,其含义是：当=b时，材料将会断裂，当b时，材料不会断裂。,1.拉伸曲线分析,缩颈阶段,当应力达到b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s表示，无明显屈服阶段，可用规定残余伸长应力0.2表示；抵抗断裂的能力，用抗拉强度b表示。s与b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
6、度的有效利用率太低，一般取值在0.650.75。,断面收缩率,塑性是指材料断裂前发生最大变形的能力。,3.塑性指标,断后伸长率,式中 L0，L1分别为试样原始标距和被拉断后的标距（mm）。,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）。,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。,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。,4.加工硬化,二、硬度实验,材料抵抗另一硬物
7、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/DD-
8、(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
9、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。,
10、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。,布氏硬度表示方法,2.洛氏硬度,标注：如40-45HRC,常见洛氏硬度标尺的实验条件及应用,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,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
11、值查表即可得到硬度值。,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。,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(1015s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1015s(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,材
12、料断裂前吸收变形能量的能力。,韧性,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,Ak=mg(h1-h2)单位为焦耳,冲击吸收功Ak,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（J/cm）,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
13、、疲劳裂纹扩展、断裂三个阶段。,四、疲劳强度,疲劳强度,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。,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。,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。,(2)抗氧化性指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮的能力。,耐腐蚀性材料如：不锈钢、塑料、陶瓷、钛及其合金等等。,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,
