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1、第一篇 材料的性能及应用意义,第一章 材料的使用性能,第一节 力学性能第二节 物理性能第三节 化学性能,金属材料的性能主要包含工艺性能和使用性能两方面。使用性能：金属材料在使用条件下所表现出来的性能；包括力学性能、物理和化学性能工艺性能：制造工艺过程中材料适应加工的性能；如铸造性能，锻造性能等。,金属材料的性能,第一节 力学性能,材料的机械性能亦称力学性能，是指材料在载荷（外力）作用时表现出来的行为，包括强度、塑性、刚性、弹性、硬度、韧性、疲劳性能和耐磨性等。,一强度：,广义的强度是指材料在外力作用下对永久变形与断裂的抵抗能力，若将断裂看成变形的极限，则强度简称为变形的抵抗能力。强度可依据国家
2、标准的规定进行拉伸试验得到。（1）分类：根据载荷的不同可分为抗拉强度b、抗压强度bc、抗弯强度bb、抗剪强度b、抗扭强度t,圆形拉伸试样(拉伸前和拉断后)(a)拉伸前(b)拉伸后,（2）拉伸试验测b,一强度：,低碳钢的工程应力-应变图（-图）,材料在弹性范围内，应力与应变的比值/称为弹性模数E（单位MPa）。E标志材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度。,（3）拉伸试验测b,应力：=P/A0(MPa)应变：=l/l0=(l-l0)/l0*100%变形阶段：弹性变形阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段、断裂。强度指标：e弹性极限：材料保持弹性变形，不产生永久变形的最大应力，是弹性零件的设计基础
3、。s屈服极限（屈服强度）：表示金属开始发生明显塑性变形的抗力，没有明显屈服的材料用0.2表示；b强度极限（抗拉强度）：表示金属受拉时所能承受的最大应力。金属材料的强度与其化学成分、工艺过程、热处理过程均有关。,二.刚度(刚性),1.概念：材料对弹性变形的抵抗能力。在应力应变曲线的弹性变形阶段，应力与应变的比值即为材料刚度，也就是材料的弹性模量，在数值上等于该直线的斜率。,强度保证材料不发生过量塑性变形甚至断裂，刚度保证了材料不发生过量弹性变形。,2.影响因素（1）金属材料：E决定于基体金属的性质，难于通过合金化、热处理、冷热加工等方法改变，E是结构不敏感性参数。如对钢铁材料（Fe基合金）无论成
4、分和组织结构如何变化，室温下E均在（2021.4）104MPa范围内。（2）陶瓷材料、高分子材料、复合材料的弹性模量对其成分和组织结构是敏感的，可以通过不同方法改变。,二.刚度(刚性),三.弹性,材料的弹性是用来描述在外力作用下材料发生弹性行为的综合性能指标，弹性性能指标有：,1.最大弹性应变量e：材料在外力作用下所能发生的最大可恢复应变量，即弹性变形能力。对应于弹性极限e时的弹性应变量，数值e=e/E，可见，高弹性极限、低弹性模量的材料具有较好的弹性。,2.弹性比功：材料吸收变形功而不发生永久变形的能力，即弹性变形时吸收的最大弹性功。可用应力-应变曲线中弹性部分所围成的面积来表示，即 弹性比
5、功=ee/2=e2/(2E)。提高弹性极限或降低弹性模量E，弹性比功值就越高，材料的弹性就越好。,三.弹性,3.滞弹性（弹性滞后）：加载时应变不立即达到平衡值，卸载时变形也不立即恢复，这种应变滞后于应力的现象称为滞弹性或弹性滞后。可用应力-应变曲线上弹性滞后环的面积来表示。,三.弹性,四.塑性,材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力，即材料断裂前发生不可逆永久变形的能力。常用延伸率和断面收缩率表示。（1）延伸率：拉伸试验中，标距的伸长与原始标距的百分比。（2）断面收缩率：试样拉断后，缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比。金属材料的延伸率和断面收缩率越大，材料的塑性越好。,五.硬度,
6、硬度：反映材料软硬程度的一种性能指标，它表示材料表面局部区域内抵抗变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，是表征材料性能的一个综合参量。,硬度的表示方法主要有：布氏硬度洛氏硬度维氏硬度和显微硬度莫氏硬度锉刀硬度,1.布氏硬度,原理：用一定直径D的钢球或硬质合金球（压头），以相应的试验力F压入试样表面，经规定保持时间，卸载后测量试样表面的压痕直径d，计算出压痕球冠形表面积进而得到所承受的平均应力值，即为布氏硬度值，即用球面压痕单位表面积上所承受的平均压力表示。HB 表示方法：200HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球，在9800N（1000kgf）的载荷下保持30s时测得的布氏硬度
7、为200,适用材料：各种退火状态的钢材、铸铁、有色金属等，也用于调质处理的机械零件。,优缺点：操作复杂，需查表，不常用。,2.洛氏用度,原理：采用一定规格的压头，在一定试验力作用下压入试样表面，然后测定压痕的深度来计算并表示其硬度值，符号HR。h越大，硬度越低。有HRA，HRB，HRC三种表示法。,适用材料：钢铁原材料、有色金属、淬火后工件、硬质合金等。,优点：操作迅速简便，压痕小，不损伤工件表面，应用广。,3.其他硬度,（1）维氏硬度：薄工件或薄表面硬化层 显微硬度：材料微区硬度（单个晶粒、夹杂物、某种组成相）的测试；HV（2）莫氏硬度：是一种刻划硬度，用于陶瓷和矿物的硬度测试，该硬度的标尺
8、是选定10种不同的矿物，从软到硬将莫氏硬度分为10级，如金刚石对应于莫氏硬度的10级；HM（3）锉刀硬度：适合于大型零件的测定。,各种硬度之间有粗略的经验换算关系。,六.韧性,材料在塑性变形和断裂前吸收变形能量的能力，它是材料强度和塑性的综合表现。,韧性 脆性,材料韧性的高低决定了材料的断裂类型：延性断裂和脆性断裂。低韧性的材料易于发生脆性断裂且危害极大，如压力容器和大型锅炉的爆炸，船舶脆断沉没等。,评定材料韧性的指标有：冲击韧度和断裂韧度。,（一）冲击韧度,1.概念：指材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力。冲击韧度用来评价材料在冲击载荷下（多数情况下还有缺口联合作用）的脆化趋势及其程
9、度的。,用标准试样的冲击吸收功处以断裂面面积表示，,其中：k 为冲击韧度,J/cm2；Ak为冲击吸收功,J；A0为试样缺口处面积,cm2。,2.应用意义：（1）反映了材料的冶金质量和各种热加工工艺质量；（2）反映材料对一次或少数次大能量冲击破坏的能力，并评定在此工作条件下材料对缺口的敏感性；（3）评定材料的冷脆性。,（一）冲击韧度,3.局限性：只用来评定中低强度钢的韧性，仅反映材料在一次大能量冲击加载下抵抗变形与断裂的能力。,（二）断裂韧度,1.概念：表征材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。,引入应力场强度因子KI,Y 零件中裂纹的几何形状因子 a裂纹长度名义工作应力,KI值越大，裂纹尖端的应力场越强
10、，大于某一临界值：当KIKIC时，零件内裂纹将发生快速失稳扩展而出现地应力脆性断裂；当KIKIC时，零件在设计寿命内安全可靠。,KIC称为断裂韧度。,2.应用意义,KIC,由上述临界断裂判据公式可知，为使零件不发生脆断，可以控制三个参数。KIC，a。可以解决以下问题：,1.根据零件的实际名义工作应力和裂纹长度a，确定KIC，为正确选材提供依据；,2.根据使用材料的断裂韧度KIC及已探伤出的零件内尺寸，确定临界断裂应力c，为零件最大承载能力设计提供依据；,3.根据已知材料的断裂韧度和实际工作应力，估算临界裂纹长度ac，为零件裂纹探伤提供依据。,七.疲劳性能,（1）交变载荷：大小、方向均随时间作周
11、期性的循环变化，又称循环载荷。,（3）特点：1）断裂时的应力远低于材料静载下的抗拉强度，甚至低于屈服强度；2）无论是韧性材料还是脆性材料断裂时均无明显的塑性变形，是一种无预兆的、突然发生的脆性断裂，危险性极大。,（2）疲劳断裂：零件在交变载荷下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。,1.疲劳的基本概念：,2.疲劳基本过程,疲劳过程由三个阶段组成：,（2）裂纹扩展：裂纹形成后在交变应力作用下继续扩展长大，出现裂纹扩展区；,（3）最后断裂：随着疲劳裂纹不断扩展，零件的有效承载面积逐渐减小，应力或裂纹应力场强度因子不断增加，达到临界值是发生断裂
12、。,（1）裂纹萌生：材料本身的既存缺陷或零件结构设计而存在的键槽、油孔等使零件受力时局部区域产生应力集中，易萌生裂纹。,3.疲劳抗力指标,疲劳极限：当应力低于一定值时试样可以经受无限周期循环而不破坏，此应力值称为材料的疲劳极限（亦称疲劳强度）。对黑色金属：一般规定应力循环107周次而不断裂的最大应力称疲劳极限；对有色金属、不锈钢取108。,4.疲劳极限的影响因素：材料本质、零件表面强化处理、零件表面状况、载荷类型、工作温度和腐蚀介质等。,八.耐磨性,磨损：由两零件因摩擦而引起的表面材料逐渐损伤（表现为表面尺寸变化和物质损耗）的现象即叫做磨损。主要有粘着磨损、磨粒磨损和接触疲劳磨损。,（1）粘着
13、磨损：在摩擦副接触面上局部发生金属粘着，而这些粘着点的强度往往大于金属本身强度，在随后的相对运动时，发生的破坏将出现在强度较低的地方，有金属磨屑从零件表面被拉下来或零件表面被擦伤的磨损形式。,（2）磨粒磨损：滑动摩擦时，零件表面摩擦区内存在硬质磨粒使磨面发生局部塑性变形、磨料嵌入和被磨料切割等过程，以致材料磨面逐步损耗。,1.磨损的主要类型与机理：,2.提高材料耐磨性的途径,1）提高材料硬度以增强零件表面抗变形和断裂的能力；2）改善两接触面的接触状态以减小摩擦。,第二节 物理性能,一.密度：单位体积物质的质量称为该物质的密度：式中，为物质的密度（kg/m3）；m为物质的质量（kg）；V为物质的
14、体积（m3）。密度小于5103kg/m3的金属称为轻金属，如铝、镁、钛及它们的合金。密度大于5103kg/m3的金属称为重金属，如铁、铅、钨等。,二.热学性能,1.熔点：材料从固态向液态转变时的温度称为熔点。熔点高的金属称为难熔金属，如钨、钼、钒等，可以用来制造耐高温零件，如在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。熔点低的金属称为易熔金属，如锡、铅等，可用于制造熔丝和防火安全阀零件等。,2.热容：温度每升高1K所需的能量，记作C。单位质量物质的热容称为比热容。高分子材料有最大的热容和比热容，陶瓷材料次之，金属材料较低。,二.热学性能,3.热膨胀性 金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的
15、特性称为热膨胀性。热膨胀性用线胀系数l和体胀系数V来表示。,式中，l为线胀系数（1/K或1/）；L1为膨胀前长度（m）；L2为膨胀后长度（m）；t为温度变化量（K或）。,4.导热性 导热性通常用导热率来衡量。热导率的符号是，单位是W/(mK)。导热率越大，导热性越好。金属的导热性以银为最好，铜、铝次之。,三.电学性能,电阻率：衡量材料的导电能力（可用电导率表示）；固体材料根据导电性不同常分为四大类：超导体，导电体，半导体，绝缘体。电阻温度系数：材料的导电能力随温度的变化而变化。介电性：能把带电导体分开并能长期经受电场作用的绝缘材料称为介电材料。表征介电性的参数有：介电常数、介电强度、介质损耗等
16、。,四.磁学性能,铁磁材料：在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钴等顺磁材料：在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等抗磁材料：能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用，如铜、锌等,材料在电磁场作用下表现出来的行为称为磁性。有以下之分：,表征磁性的主要性能指标有：,磁导率：表示材料在单位磁场强度的外磁场作用下材料内部的磁通量密度。饱和磁化强度Ms和磁矫顽力Hc：铁磁性材料所能达到的最大磁化强度叫做饱和磁化强度，其值越大，铁磁性越强；铁磁性材料经饱和磁化后，除去外磁场仍能保留一定程度的磁化即为剩磁现象，要使剩磁为零（退磁）需加上一反向磁场，称磁矫顽力。,第三节 化学性能,材料在生产、加工和使用时，均会与
17、环境发生复杂的化学反应，从而使性能恶化或功能丧失，其中腐蚀最严重。,化学腐蚀：是指材料与周围介质直接发生化学反应，但反应过程中不产生电流的腐蚀过程，如金属在干燥气体中和非电解质溶液中的腐蚀，陶瓷材料在某些介质中的腐蚀。钢铁材料易被化学腐蚀。,二.电化学腐蚀：是指材料与电解质发生电化学反应，并伴有电流产生的腐蚀过程。金属材料电化学腐蚀普遍。,三.提高零件耐蚀性的主要措施,第三节 化学性能,1.提高零件耐化学腐蚀措施（1）选择抗氧化材料，如耐热钢，耐热铸铁，耐热合金，陶瓷等；（2）表面处理，如表面镀层，表面涂层等。,2.提高耐电化学腐蚀措施：（1）选择耐蚀材料，如不锈钢，铜合金，陶瓷，高分子材料等
18、；（2）表面处理，如镀层，热喷涂陶瓷，喷涂塑料、涂料等；（3）电化学保护，如牺牲阳极保护；（4）加缓蚀剂降低电介质电解能力。,小结,1.材料的使用性能包括力学性能、物理性能和化学性能。它们大多可用一定的指标表示，并可依照标准通过试验测试，所获得的数据在使用时要考虑材料的具体应用条件和环境；,2.拉伸试验是最重要的力学性能测试方法，可确定材料的屈服强度、强度极限、塑性及刚性；硬度试验简单易行，而且可与其他力学性能建立联系，故硬度是工程上最常用的力学性能指标；疲劳性能和断裂韧度是两种较先进的力学性能指标，它们较接近实际材料的工作状态，但测试较复杂，数据还不完善；,3.材料的物理性能不仅对工程材料的选用有着重要的意义，而且还是功能材料的基础，也会对材料的加工工艺产生影响。指标有：密度、熔点、电性能、磁性能、热性能等；,4.材料的化学性能是环境介质对材料作用的主要表现，其中腐蚀问题最为普遍、重要，工程上主要关注化学腐蚀和电化学腐蚀。,
