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1、第0章 材料的性能 神舟一号飞船 机械工程材料的常用性能 两方面 材料使用性能 材料工艺性能 力学性能（强度、塑性韧性等） 物理性能（光、热、电、磁等） 化学性能（氧化、腐蚀等） 生物性能（相容性、自恢复性等） 加工性能（切削、锻造等） 铸造性能（适合铸造与否） 焊接性能（容易焊接与否） 热处理性能（可热处理强化） pp力学行为力学行为： 材料在外加载荷或环境因素的材料在外加载荷或环境因素的 作用下所表现的行为。作用下所表现的行为。 pp现象现象： 弹性变形弹性变形、塑性变形塑性变形和和断裂。断裂。 五万吨水压机 微孔聚合型断口 解理型断口 晶间断裂 晶内断裂 低碳钢的应力-应变曲线 拉伸试样
2、 拉伸试验机 应力 = P/F0 应变 = (l-l0)/l0 应变 应 力 弹 性 变 形 屈服 塑性 变形 均匀 塑性变形 不均匀集中 塑性变形 断裂 一、弹性和刚度 p弹性：指标为弹性 极限e，即材料承 受最大弹性变形时 的应力。 p刚度：材料受力时 抵抗弹性变形的能 力。指标为弹性模 量E。 e p弹性模量： 主要取决于材料的本性，其他强 化材料的手段如热处理、冷热加工、 合金化等对弹性模量的影响很小。 p刚度：可以通过增加横截面积或改 变截面形状来提高。 二、强度与塑性 p强度：材料在外力作用 下抵抗变形和破坏的能力 。 p屈服强度s：材料发生微 量塑性变形时的应力值。 p条件屈服强
3、度0.2：残余 变形量为0.2%时的应力值 。 p抗拉强度b：材料断裂前 所承受的最大应力值。 s 0.2 p塑性：材料受力破坏前可承受最大塑 性变形的能力。指标为： 伸长率： 断面收缩率 ： 断裂后 拉伸试样的颈缩现象 p说明： 用面缩率表示塑性比伸长 率更接近真实变形。 5% 时，无颈缩，为塑 性材料表征； 三、冲击韧性 p是指材料抵抗冲击载荷作用而不破 坏的能力。 p指标为冲击韧 性值ak(通过冲 击实验测得)。 ak = Ak / F 微孔聚合型断口 韧性断口 解理型断口 脆性断口 p韧脆转变温度 材料的冲击韧性随 温度下降而下降。 在某一温度范围内 冲击韧性值急剧下 降现象称韧脆转变
4、 。 发生韧脆转变的温 度范围称韧脆转变 温度。 材料的使用温度应 高于韧脆转变温度 。 体心立方金属具有 韧脆转变温度，而 大多数面心立方金 属没有。 韧 -59-124162479 低强度铁素体钢冲击断口照片 TITANIC 建造中的Titanic 号 TITANIC的沉没与 船体材料的质量直 接有关 Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图 ）的冲击试验结果 Titanic近代船用钢板 四、疲劳 p材料在低于s的重复交变应力作用 下发生断裂的现象。 p材料在规定次数应力循环后仍不发 生断裂时的最大应力称为疲劳极限 。用-1表示。 p钢铁材料规定次数为107，有色金 属合金为10
5、8。 疲劳应力示意图 疲劳曲线示意图 2）循环次数（N） 断裂断裂 不断裂不断裂 p材料的纯度及 组织状态对疲 劳抗力有显著 影响 组织状态b /MPa-1 /MPa 退火（铁素体珠光体） 650314 淬火（马氏体） 2080775 40Cr钢组织类型对疲劳极限的影响 p疲劳断口 p通过改善材料的形状结构，减少表 面缺陷，提高表面光洁度，进行表面 强化等方法可提高材料疲劳抗力。 轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片） 五、硬度 p材料抵抗表面局部塑 性变形的能力。 1、布氏硬度HB 布氏硬度计布氏硬度计 pHBS：为钢球压头，适用于布氏 硬度值在450以下的材料。 pHBW：为硬质合金球压头，
6、适用 于布氏硬度在650以下的材料。 p表示方法：120HBS 布氏硬度压痕 p布氏硬度的优点： 测量误差小，数据稳定，b与HB 之间有关系：如、低碳钢b3.6HB； 高碳钢b3.4HB；铸铁 b1HB。 p缺点： 压痕大，不能用于太薄件、 成品件及比压头还硬的材料。 HB b(MPa) 钢 黄铜 球墨铸铁 p布氏硬度的应用： 适于测量退火、正火、 调质钢,铸铁及有色金属的硬 度。 2、洛氏硬度HR p根据压头类型：A、B、C。 钢球压头与金刚 石压头 洛氏硬度压痕 p洛氏硬度用符号HR表示： HR=k-(h1-h0)/0.002 h1-h0 洛氏硬度测试示意图 洛氏硬度计 p表示方法：数字
7、+ 符号，如45HRC。 pHRA：用于测量高硬度材料, 如硬 质合金、表淬层和渗碳层。 pHRB：用于测量低硬度材料, 如有 色金属和退火、正火钢等。 pHRC：用于测量中等硬度材料，如 调质钢、淬火钢等。 p洛氏硬度的优点： 操作简便，压痕小，适 用范围广。 p缺点：测量结果分散度大。 3、维氏硬度 维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕 p维氏硬度用符号HV表示，符号前的 数字为硬度值。 p用于第二相硬度的测量。 小负荷维氏硬度计 显微维氏硬度计 p硬度的特点与实用性 1）设备简单，操作方便，不破坏工 件，且与抗拉强度之间存在一定对 应关系。 2）是综合性力学指标： （1）说明强度（）与
8、塑性（） 的匹配关系； （2）使用性能指标，说明零件的耐 磨性； （3）可作为评价工艺制定合理程度 的重要指标。 例如、当材料的硬度在HB150220 间时，其切削性较好。 3）零件图纸上往往只标注硬度值。 4）产品质量检查。 六、断裂韧性 油轮断裂和北极星导 弹发动机壳体爆炸与 材料中存在缺陷有关 1943年美国T-2油轮发生断裂 北极星导弹 裂纹扩展的基本形式 p应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的 指标。 p断裂韧性：材料抵抗内 部裂纹失稳扩展的能力。 C为断裂应力，aC为临界 裂纹半长，单位为 pKI KIC 构件发生脆性断裂 pKI KIC 构件发生低应力脆性 断裂的临界条件 断裂判据： 4、高、低温载荷作用时： 1）蠕变强度（T/t）； 2）持久强度（Tt）；
