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1、第一章 金属材料的力学性能l使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。l工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。神舟一号飞船l材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。l外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。l外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。 五万吨水压机低碳钢的应力-应变曲线拉伸试样拉伸试验机应力 = P/F0 应变 = (l-l0)/l0一、弹性和刚度l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。l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弹性模量的大小主要取决于材料的本性，
2、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。 二、强度与塑性l强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。条件屈服强度0.2：残余变形量为0.2%时的应力值。抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。s0.2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l说明：l 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。l 直径d0 相同时，l0，。只有当l0/d0 为常数时，塑性值才有可比性。l当l0=10
3、d0 时，伸长率用 表示；l当l0=5d0 时，伸长率用5 表示。显然5 l 时，无颈缩，为脆性材料表征 时，有颈缩，为塑性材料表征三、冲击韧性l是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。l指标为冲击韧性值ak(通过冲击实验测得)。韧脆转变温度l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的现象称韧脆转变。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。韧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。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
4、试验结果Titanic近代船用钢板四、疲劳l材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象 。l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。l钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。疲劳应力示意图疲劳曲线示意图疲劳断口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l材料抵抗表面局部塑性变形、压痕或划痕的能力。l布氏硬度HB布氏硬度计l压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。l压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在65
5、0以下的材料。l符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值, 符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如 120HBS10/1000/30 表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120HBS。布氏硬度压痕l布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。l缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。l适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。l材料的b与HB之间的经验关系：对于低碳钢: b(MPa)3.6HB对于高碳钢：b(MPa)3.4HB对于铸铁： b(MPa)1HB或 b(MPa) 0.6(HB-40)HB
6、b(MPa)钢黄铜球墨铸铁洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计l洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002l根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。 l符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。lHRA用于测量高硬度材料, 如硬质合金、表淬层和渗碳层。lHRB用于测量低硬度材料, 如有色金属和退火、正火钢等。lHRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。l洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。l缺点：测量结果分散度大。钢球压头与 金刚石压头洛氏硬度压痕维氏硬度维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕l维氏硬度用符号HV表示，符号
7、前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。l根据载荷范围不同，规定了三种测定方法维氏硬度试验 、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。l维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。 小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计二、物理性能 1 相对密度密度是指单位体积材料的质量，它是描述材料性能的重要指标 。不同材料的相对密度不同，如钢为7.8左右；陶瓷的相对密度为 2.22.5；各种塑料的相对密度更小。材料的相对密度直接关系到 产品的质量，对于陶瓷材料来说，相对密度更是决定其性能的关键 指标之一。抗拉强度与相对密度之比称为比强度；弹性模量与相对密度之比 称为比弹性模量。这两者也是考虑某些
8、零件材料性能的重要指标， 如飞机和宇宙飞船上使用的结构材料，对比强度的要求特别高。 2 熔点熔点是指材料的熔化温度。通常，材料的熔点越高，高温性能就 越好。陶瓷熔点一般都显著高于金属及合金的熔点，所以陶瓷材料 的高温性能普遍比金属材料好。由于玻璃不是晶体，所以没有固定 熔点，而高分子材料一般也不是完全晶体，所以也没有固定熔点。3 热膨胀性材料的热膨胀性通常用线膨胀系数L来表示。它表示每变化1 时引起的材料相对膨胀量的大小。对于精密仪器或机器的零件，热 膨胀系数是一个非常重要的性能指标；在有两种以上材料组合成的 零件中，常因材料的热膨胀系数相差过大而导致零件的变形或破坏 。一般来说，陶瓷的热膨胀
9、系数最低，金属次之，高分子材料最高。 4 4 导热性导热性热量会通过固体发生传递，材料的导热性用导热系数热量会通过固体发生传递，材料的导热性用导热系数 来表示，来表示， 其单位为其单位为W/W/（mKmK）。）。材料导热性的好坏直接影响着材料的使用性能，如果零件材料的材料导热性的好坏直接影响着材料的使用性能，如果零件材料的 导热性太差，则零件在加热或冷却时，由于表面和内部产生温差，导热性太差，则零件在加热或冷却时，由于表面和内部产生温差， 膨胀不同，就会产生变形或断裂。一般导热性好的材料（如铜、铝膨胀不同，就会产生变形或断裂。一般导热性好的材料（如铜、铝 等）常用来制造热交换器等传热设备的零部
10、件。等）常用来制造热交换器等传热设备的零部件。 通常，金属及合金的导热性远高于非金属材料。通常，金属及合金的导热性远高于非金属材料。 5 磁性 材料在磁场中的性能叫做磁性。磁性材料又分为软磁性材料和硬磁 性材料两种。软磁性材料（如电工用纯铁、硅钢片等）容易被磁化 ，导磁性能良好，但外加磁场去掉后，磁性基本消失。硬磁性材料 （如淬火的钴钢、稀土钴等）在去磁后仍然能保持磁场，磁性也不 易消失。许多金属材料如铁、镍、钴等均具有较高的磁性，而另一 些金属材料如铜、铝、铅等则是无磁性的。非金属材料一般无磁性 。 磁性不仅与材料自身的性质有关，而且与材料的晶体结构有关。比 如铁，在处于铁素体状态时具有较高
11、磁性，而在奥氏体状态则是无 磁性的。 6 导电性 一般用电阻率来表示材料的导电性能，电阻率越低，材料的导电性 越好。电阻率的单位用m表示。 金属及其合金一般具有良好的导电性，而高分子材料和陶瓷材料一 般都是绝缘体，但是有些高分子复合材料却具有良好的导电性，某 些特殊成分的陶瓷材料则是具有一定导电性的半导体。 通常金属的电阻率随温度的升高而增加，而非金属材料则与此相反 。三、 化学性能 1 耐腐蚀性耐腐蚀性是指材料抵抗介质侵蚀的能力，材料的耐蚀性常用每 年腐蚀深度（渗蚀度）Ka（mm/年）一般非金属材料的耐腐蚀性比 金属材料高得多。对金属材料而言，其腐蚀形式主要有两种，一种 是化学腐蚀，另一种是
12、电化学腐蚀。化学腐蚀是金属直接与周围介 质发生纯化学作用，例如钢的氧化反应。电化学腐蚀是金属在酸、 碱、盐等电介质溶液中由于原电池的作用而引起的腐蚀。提高材料的耐腐蚀性的方法很多，如均匀化处理、表面处理等都 可以提高材料的耐腐蚀性。 2 高温抗氧化性对于象发动机这样在高温下工作的设备而言，除了要在高温下 保持基本力学性能外，还要具备抗氧化性能。所谓高温抗氧化性通 常是指材料在迅速氧化后，能在表面形成一层连续而致密并与母体 结合牢靠的膜，从而阻止进一步氧化的特性。3 抗老化性能塑料在长期贮存和使用过程中，由于受到氧、光、热等因 素的综合作用，分子链逐渐产生交联与裂解，性能逐渐恶化， 直至丧失使用
13、价值的现象，称为老化。有的塑料老化后变硬、 变脆、开裂，这是大分子链之间产生交联的结果；有的塑料老 化后变软、变粘，这是大分子链断开，产生“裂解”的结果。高 分子材料抵抗老化的能力称为抗老化性能。 通过改变高聚物的结构，添加防老化剂和表面处理等方法可以 提高高分子材料的抗老化性能。 4 降解性随着高分子技术的发展，一次性使用的塑料制品越来越多 ，但由于这些一次性塑料常常可以几十年不分解，在给人们带 来了方便的同时也给环境造成了极大的污染。所谓降解性就是 指塑料在自然环境下能否迅速分解的能力。 最常见的降解方式是碳化。碳化时，聚合物中的侧基或氢原子 被热扰动完全扯开，只剩下主链的碳原子。现在也常
14、常利用聚 合物纤维通过碳化来生成复合材料用的石墨纤维。 四、 工艺性能 材料工艺性能的好坏，直接影响到制造零件的工艺方法和质量 以及制造成本。所以，选材时必须充分考虑工艺性能。 1 铸造性 铸造性是指浇注铸件时，材料能充满比较复杂的铸型并获得优 质铸件的能力。 对金属材料而言，铸造性主要包括流动性、收缩率、偏析倾向 等指标。流动性好、收缩率小、偏析倾向小的材料其铸造性也 好。 对某些工程塑料而言，在其成型工艺方法中，也要求有较好的 流动性和小的收缩率。 2 可锻性 可锻性是指材料是否易于进行压力加工的性能。可锻性好坏主 要以材料的塑性和变形抗力来衡量。一般来说，钢的可锻性较 好，而铸铁不能进行任何压力加工。 热塑性塑料可经过挤压和压塑成型。3 可焊性 可焊性是指材料是否易于焊接在一起并能保证焊缝质量的性能， 一般用焊接处出现各种缺陷的倾向来衡量。低碳钢具有优良的可 焊性，而铸铁和铝合金的可焊性就很差。某些工程塑料也有良好 的可焊性，但与金属的焊接机制及工艺方法并不相同。4 切削加工性 切削加工性是指材料是否易于切削加工的性能。它与材料种类、 成分、硬度、韧性、导热性及内部组织状态等许多因素有关。有 利切削的硬度为HB160230，切削加工性好的材料，切削容易 ，刀具磨损小，加工表面光洁。金属和塑料相比，切削工艺有不 同的要求。
