工程材料及其性能

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1、第1章 工程材料及其性能1.1 工程材料概述材料是用来制作有用器件的物质，是人类生活和生产所必须的物质基础 。从日常生活用的器具到高技术产品，从简单的手工工具到复杂的航天器 、机器人等等，都是用各种材料制作而成的。公路、铁路的钢架桥梁公路、铁路的钢架桥梁“ “神州神州” ”六号载人飞船发射升空六号载人飞船发射升空导导 弹弹 驱驱 逐逐 舰舰航航 空空 母母 舰舰美国美国“奋进号奋进号”航天飞机航天飞机“乘坐乘坐”波音波音747747 飞机飞机钢钢 甲甲 勇勇 士士1.1.1 材料的发展1. 石器时代2.青铜时代3.铁器时代4.合成材料新时代材料是人类进化的里程碑。材料是人类进化的里程碑。由于材

2、料的重要性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。石器铁器象形尊(青 铜)材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。 材料的发展与人类社会简图1.1.2 工程材料的分类（1）按化学组成分金属材料有机高分子材料陶瓷材料复合材料（2）按使用性能分结构材料功能材料（3）按使用领域分信息材料 能源材料建筑材料机械工程材料 生物材料1.2 金属材料的常用力学性能 1.2.1 金属材料所受载荷与常用力学 1.2.2 强度 1.2.3 塑性 1.2.4 硬度 1.2.5 冲击韧性1.2.6 疲劳强度1.2.1 金属材料所受载荷与常用力学载荷金属材料（或零件、构件）在加工和使用过程中所受的力（N）或

3、应力。按外力的作用性质，可分为三种：（1）静载荷 大小不变或变化很慢的载荷。如：书放在桌子上，桌子所受的力。人站在 地面上，地面所的力等等。（2）冲击载荷突然增加或消失的载荷。如：在墙上钉钉子，钉子所受的力等等。（3）交变载荷周期性的动载荷。根据作用形式不同，载荷又可分为：拉、压载荷，弯曲 载荷，剪切载荷，扭转载荷。2.载荷下的变形（1）弹性变形 随外力消除而消失的变形称为弹性变形。（2）塑性变形当外力去除时，不能恢复的变形称为塑性变形。3.常用力学性能指标金属材料的力学性能是指材料在各种载荷作用下表现出来的抵抗变形和断裂 的能力。常用的力学性能指标有：强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等

4、，它们是衡量材料性能和决定材料英语范围的重要指标。1.2.2 强 度 一、 拉伸曲线与应力应变曲线1拉伸曲线GB 22887规定了拉伸试验的方法和拉伸试验试样的制作标准。在试验时，金属材料制作成一定的尺寸和形状(如图1-1所示)，将拉伸试样装夹在拉伸试验机上，对试样施加拉力，在拉力不断增加的过程中观察试样的变化，直至把试样拉断。 强度材料受静载荷作用时，抵抗塑性变形和断裂的能力。长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0返 回上一页下一页回主页根据拉伸过程中载荷(F)与试样的伸长量(l)之间的关系，可以绘制出金属的拉伸曲线。如图1-2所示为低碳钢的拉伸曲线，拉伸过程可分为弹性变形、塑性变形和断

5、裂三个阶段。具 体分析如下： Op段：试样的伸长量与载荷呈直线关系，完全符合虎克定律，试样处于弹性变形阶段。pe段：伸长量与载荷不再成正比关系，拉伸曲线不成直线，试样仍处于弹性变形阶段。ss段(拉伸曲线中的平台或锯齿)：外力不增加或变化不大，试样仍继续伸长，出现明显的塑性变形，这种现象称为屈服现象。sb段：这个阶段，载荷增加，伸长沿整个试样长度均匀伸长，同时，随着塑性变形不断增加，试样的变形抗力也逐渐增加， 这个阶段是材料的强化阶段。 b点：载荷达到最大，试样局部面积减小，伸长增加，形成了“缩颈”。bk段：随着缩颈处截面不断减小(非均匀塑性变形阶段)，承载能力不断下降，到k点时试样发生断裂。拉

6、伸曲线中，断裂总伸长为Of，其中塑形变形伸长为Og(试样断后测得的伸长lk)，弹性伸长为gf。 强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，是 工程技术上重要的力学性能指标。按照载荷的性质，材料强度有静强度、疲劳强度等 ；按照环境条件，材料强度有常温强度、高温强度 等，高温强度又包括蠕变极限和持久强度。除了上述材料强度外，还有机械零件和构件的结构 强度。工程上常用的强度指标有强度指标有屈服强度、规 定残余延伸强度、抗拉强度等。2.强度指标材料强度的大小通常用单位面积上所承受 的力来表示，其单位为N/m2(Pa)，但Pa这 个单位太小，所以实际工程中常用MPa（ MPa=106Pa）作为强度的单位

7、。一般钢材的屈服强度在2002000MPa 之 间，如建造2008年北京奥运会主体育场“ 鸟巢”外部钢结构的Q460E钢，其屈服强 度为460MPa。（1）弹性极限e 弹性极限是指在产生完全弹性变形时材料所能承 受的最大应力，即： 式中Fe试样完全弹性变形时所能承受的最大载荷，N ；So试样原始截面积，mm2。oe eSF=s在实际工程应用中，在最大许用应力条件下是 否产生或产生多大微量塑性变形是重要的，具有实 际意义。（2）屈服强度（屈服 点） 屈服现象在金属拉伸试验过程中 ，当应力超过弹性极限 后，变形增加较快，此 时除了弹性变形外，还 产生部分塑性变形。当 外力增加到一定数值时 突然下降

8、，随后，在外 力不增加或上下波动情 况下，试样继续伸长变 形，在力伸长曲线出 现一个波动的小平台， 这便是屈服现象。屈服强度s 屈服点是指材料开始产生明显塑性变形（ 即屈服）时的应力，用符号s（Mpa）表示即 ： oS SSF=s式中FS试样发生屈服现象时的载荷，N ；So试样原始截面积，mm2。 规定残余延伸强度 对于高碳淬火钢、铸铁等材料，在拉伸试 验中没有明显的屈服现象，无法确定其屈服 强度。国标GB228-2002规定，一般规定以试样达 到一定残余伸长率对应的应力作为材料的屈 服强度，称为规定残余延伸强度，通常记作 Rr。例如Rr0.2表示残余伸长率为0.2%时的应 力。强度极限是材料

9、在断裂前所能承受的最大应力，用 符号 b表示。(3) 强度极限（抗拉强度）ob bSF=s式中Fb试样在断裂前的最大载荷，N ；So试样原始截面积，mm2。抗拉强度e的物理意义是塑性材料抵抗大量均匀塑性变形 的能力。铸铁等脆性材料拉伸过程中一般不出现缩颈现象，抗拉强度 就是材料的断裂强度。断裂是零件最严重的失效形式，所以，抗拉强度也是机械工 程设计和选材的主要指标，特别是对脆性材料来讲。强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能 力，一般钢材的屈服强度在2001000MPa 之间。强度越高，表明材料在工作时越可以承受较 高的载荷。当载荷一定时，选用高强度的材 料，可以减小构件或零件的尺寸，从而减小

10、 其自重。因此，提高材料的强度是材料科学中的重要 课题，称之为材料的强化。强度的意义强度极限是材料在断裂前所能承受的最大应力，用 符号 E表示。(4) 弹性模量（刚度）=式中 应力，Mpa ；应变，即单位长度的伸长量 ，mm2。=L L刚度是指材料抵抗弹性变形的能力，金属 材料刚度的大小一般用弹性模量E表示。在拉伸曲线上，弹性模量就是直线（OP） 部分的斜率。对于材料而言，弹性模量E越 大，其刚度越大。刚度弹性模量的大小主要取决于材料的本性， 除随温度升高而逐渐降低外，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。可以通过增加横截面积或改变截面形状来 提高零件的刚度。

11、 材 料弹性模量E/105MPa弹性极限e/MPa中 碳 钢2.1310弹 簧 钢2.1965硬 铝0.724125铜1.127.5铍 青 铜1.2588磷 青 铜1.01450结构的刚度除取决于组成材料的弹性模量外，还同 其几何形状 、截面尺寸等因素以及外力的作用形 式有关，在弹性模量E一定时，零件或构件的截面 尺寸越大，其刚度越高。对于一些须严格限制变形的结构（如机翼、高精度 的装配件等），须通过刚度分析来控制变形。许多 结构（如建筑物、船体结构等）也要通过控制刚度 以防止发生振动、颤振或失稳。1.2.3 塑性指标（二）衡量指标金属材料断裂前发生永久变形的能力。断面收缩率：伸长率：试样拉断

12、后，标距的伸长与原始标距的百分比。试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。返 回上一页下一页回主页（一） 定义1.伸长率（ ）l1-l0l0100%=l1试样拉断后的标距,mm;l0试样的原始标距,mm。返 回上一页下一页回主页是指试样拉断后的伸 长量与试样原长度比值 的百分数。同一材料的试样长短不同，测得的断后伸长 率略有不同。由于大多数韧性金属材料的集中塑性变形量 大于均匀塑性变形量，因此，比例试样的尺 寸越短，其断后伸长率越大，用短试样（L0 5d0）测得的断后伸长率略大于用长试样 （L010d0）测得的断后伸长率11.3。 2.断面收缩率（ ）S0-S1S0=100

13、%S0试样原始横截面积,mm2；S1颈缩处的横截面积,mm2 。返 回上一页下一页回主页是指试样拉断处的横截面积的 收缩量与试样原横截面积之比的 百分数。3.塑性的意义任何零件都要求材料具有一定的塑性。很显 然，断后伸长率和断面收缩率越大，说明 材料在断裂前发生的塑性变形量越大，也就 是材料的塑性越好。意义：a）安全，防止产生突然破坏；b）缓和应力集中；c）轧制、挤压等冷热加工变形。强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。在金属 材料的工程应用中，要提高强度，就要牺牲一部 分塑性。反之，要改善塑性，就必须牺牲一部分 强度。正所谓“鱼和熊掌二者不能兼得”。但通过细化金属 材料的显微组织，可以同时提高

14、材料的强度和塑 性。通常情况下金属的伸长率不超过90% ，而有些金属 及其合金在某些特定的条件下，最大伸长率可高达 1000%2000% ，个别的可达6000% ，这种现象称 为超塑性。由于超塑性状态具有异常高的塑性，极 小的流动应力，极大的活性及扩散能力，在压力加 工、热处理、焊接、铸造、甚至切削加工等很多领 域被中应用。1.2 .4 硬 度材料抵抗表面局部塑性变形的能力。（一）布氏硬度（二）洛氏硬度1. 原理2. 应用3. 优缺点1. 原理2. 应用3. 优缺点返 回上一页下一页回主页（一）布氏硬度 布氏硬度试验是指用一定直径的 硬质合金球以 相应的试验力压入式样表面，经规定保持时间 后卸

15、除试验力，用测量的表面压痕直径计算硬 度的一种压痕硬度试验。返 回上一页下一页回主页布氏硬度试验原理图1. 原理布氏硬度= FS凹=2FDD-（D-d ）（一）布氏硬度返 回上一页下一页回主页布氏硬度实际测试时，硬度值是不用计算 的，利用刻度放大镜测出压痕直径d，根据 值d查平面布氏硬度表即可查出硬度值（详 见附表B）。目前，金属布氏硬度试验方法执行时 GB/T231-2002标准，用符号HBW表示，布 氏硬度试验范围上限为650HBW。测量比较软的材料。 测量范围 650HBW的金属材料。3. 优缺点2. 应用压痕大，测量准确， 但不能测量成品件。返 回上一页下一页回主页1. 原理 （二）洛氏硬度返 回上一页下一页回主页加初载荷加主载荷卸除主载荷读硬度值返 回上一页下一页回主页2. 应用范围20671500N120金刚石 圆锥体HRC251001000N1.588mm钢 球HRB7085600N120金刚石 圆锥体HRA返 回上一页下一页回主页常用洛氏硬度标度的试验范围优点：操作简便、迅速，效率高，可直接测量成品件及高硬度 的材料。3. 优缺点缺点：压痕小，测量不准确， 需多次测量。返 回上一页下一页回主页（三）维氏硬度(HV) (1)测试原理