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1、1.1 材料的使用性能,1.1.1,1.1.2,材料的力学性能,材料的物理化学性能,1.2 材料的工艺性能,1.3 常用力学性能指标在选材中的意义,第1章 工程材料的主要性能,学习重点,1.了解材料力学性能指标的测定原理及相关实验仪器设备的结构、作用及其组成； 2.掌握材料强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳强度指标的基本含义与应用。,材料力学性能指标的含义及其应用,2,教学目标,1.1材料的使用性能,1.1材料的使用性能,基本内容和要求,1.1.1材料的力学性能,1. 掌握力学性能指标及意义,2. 了解拉伸实验过程及相关指标概念和意义。,3. 了解各种硬度实验测试方法和应用范围。,4. 了解冲击
2、实验方法和所测指标的意义。,第1章,3,材料的性能,使用性能力学、物理、化学性能,工艺性能铸造、锻压、焊接、切削加工性能,第1章 工程材料的主要性能,1.1.1材料的力学性能,是指金属材料在外力作用时表现出来的性能。,力学性能,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。,指标：强度、刚度、硬度、塑性、韧性等。,强度、刚度与塑性,2,第1章,常温静载单向拉伸实验,标准拉伸试样：L0=5.65S01/2和L0=11.3S01/2两种。,试验时，将试样装夹在拉伸试验机上缓慢施加拉伸载荷，试样则不断产生变形，直至被拉断为止。试验机自动记录装置可将整个拉伸过程中
3、的拉伸载荷和伸长量描绘在以拉伸载荷F为纵坐标，伸长量L为横坐标的图上，即得到力-伸长量曲线。,5,拉伸试验机,实验过程,6,力-伸长量曲线,1.1.1材料的力学性能,第1章,17,静载单向静拉伸应力应变曲线,整个过程分为四个阶段：弹性变形阶段（oa段 ）、屈服阶段（bd段）、强化阶段（dc段）缩颈阶段（ck段）、,1.1.1材料的力学性能,第1章,19,（1）强度-金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力。 强度指标：屈服强度和抗拉强度等. 单位N/mm2和Mpa,屈服强度,包括上屈服强度和下屈服强度。上屈服强度是指试样发生屈服并且外力首次下降前的最大应力，用符号ReH表示；下屈服强度是指不记初始瞬时
4、效应时屈服阶段中的最小应力，用符号ReL表示。由于材料的下屈服强度数值比较稳定，所以一般以它作为材料对塑性变形抗力的指标。,1.1.1材料的力学性能,第1章,21,规定残余延伸强度Rr,试样在屈服阶段之后所能抵抗的最大力用Fm表示（对于无明显屈服的金属材料，为试验期间的最大力），相应最大力（Fm）的应力称为抗拉强度，用符号Rm表示，即：,屈强比,屈强比愈小，工程构件的可靠性愈高 屈强比太小，则材料强度的有效利用率太低,有些材料没有屈服阶段，很难测出屈服强度，用规定残余延伸强度Rr来表示它的屈服强度。, 抗拉强度,1.1.1材料的力学性能,第1章,22,弹性模量E愈大，刚度越大，弹性变形越不容易
5、变形 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 温度的变化会影响其值,（3）塑性-材料在断裂前发生塑性变形的能力 塑性指标为断后伸长率A和断面收缩率Z,（2）刚度-表示材料抵抗弹性变形的能力。 刚度指标为弹性模量E,1.1.1材料的力学性能,第1章,23,断面收缩率Z不受试样尺寸的影响,A、Z越大，材料塑性越好。通常认为 A5%为脆性材料。A5%为塑性材料。,表示材料抵抗局部变形、特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。,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它机械性能，因此在生产和科研中应用广泛。,2.硬度,1.1.1材料的力学性能,第
6、1章,24,（1） 布氏硬度,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。,布氏硬度测定的原理 是把一定直径的淬火钢球或硬质合金球，以规定的载荷F压入被测材料表面，保持一定时间后卸除载荷，测出压痕直径d，求出压痕面积，实验载荷除以球面压痕表面积所得的商即为布氏硬度。,25,1.1.1材料的力学性能,第1章,26,布氏硬度测试原理示意图,布氏硬度的试验规范,27,1.1.1材料的力学性能,第1章,11,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。,标注：如120HB
7、S10/1000/10，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,布氏硬度的表示方法,1.1.1材料的力学性能,第1章,20,（2）洛氏硬度（HR）,洛氏硬度测定时需要先后施加二次载荷 （初载荷F0和主载荷F1） 预加载荷的目的是使压头与试样表面接触良好, 以
8、保证测量结果准确。 洛氏硬度就是以主载荷引起的残余压入深度来表示硬度值。,硬度值的大小直接由硬度计表盘上读出,洛氏硬度测试原理,10HRCHBS,31,注：GB/T23091规定 有九种表示硬度方法，如HRA、 HRB、HRC、HRD、HRE等，因施加压力和压头材料 不同而出现了不同的标尺A、B、C、D、E等，常见的 有A、B、C三种。,说明：数字在前、字母在后，如45HRC；35HRC38HRC HRC适用范围数值2070；小于或大于这个范围均 为标注错误！如17HRC；75HRC；HRC=1519等。 在图纸标注时注意数值差应5，否则为标注错误。 适用于测量硬度较高的材料，如淬火钢件；测量
9、成 品件或半成品件。因压痕较小。压头直径1.587mm。,1.1.1材料的力学性能,第1章,32,洛氏硬度表示方法,1.1.1材料的力学性能,第1章,33,洛氏硬度实验原理示意图,1.1.1材料的力学性能,第1章,14,常见洛氏硬度的试验条件及应用范围,15,1.1.1材料的力学性能,第1章,35,特点与应用,洛氏硬度测定仅产生很小压痕，并不损坏零件，因而适合于成品检验。,设备简单，操作迅速方便。但测一点无代表性，不准确， 需多点测量，然后取平均值。洛氏硬度可用来测定各种 金属材料的硬度 。,1.1.1材料的力学性能,第1章,36,（3）维氏硬度（HV）,为了从软到硬的各种金属材料有一个连续一
10、致的硬度标度， 因而制定了维氏硬度试验法。,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值查表即可得到硬度值。,维氏硬度试验法原理,维氏硬度计,37,1.1.1材料的力学性能,第1章,38,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。,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
11、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。,维氏硬度的表示方法,1.1.1材料的力学性能,第1章,39,3. 冲击韧性,表示冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。 冲击韧性指标为冲击吸收功 Ak 或冲击韧度ak,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。,冲击韧度ak等于冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断口截面积S0单位为焦耳/厘米，,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,1.1.1材料的力学性能,第1章,40,冲击韧
12、性实验,Ak=mg(h1-h2),4. 疲劳强度R-1,1.1.1材料的力学性能,第1章,42,80%的断裂由疲劳造成,疲劳断裂：材料在承受大小和方同随时间作周期性变化 （包括交变应力和重复）的载荷作用下，往往在远小于强 度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。,疲劳强度（疲劳极限）：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。,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。,1943年美国T-2油
13、轮发生断裂,43,5.金属材料的断裂韧度,有些高强度材料的零（构）件往往在远低于屈服点的状态下发生脆性断裂；中、低强度的重型零（构）件、大型结构件也有类似情况。,1.1.1材料的力学性能,第1章,44,（2）裂纹扩展的基本形式,（1）低应力脆断,（3）断裂韧度及其应用,1.1.1强度、刚度与塑性,第1章,35,单位为MPam1/2,当材料中存在裂纹时，裂纹尖端附近某点处的实际应力值与施加应力R（称为名义应力）裂纹半长a及外力施力点距裂纹尖端的距离有关。施加的应力在裂纹尖端附近形成了一个应力场，为表述该应力场的强度，引入应力场强度因子的概念。,应力场强度因子,1.1.1材料的力学性能,第1章,3
14、6,当KI 达到某一临界值时，就能使裂纹尖端附加的内应力达到材料的断裂强度，裂纹将发生突然的失稳扩展，导致构件脆断。这时所对应的应力场强度因子KI就称为材料的断裂韧度，用KIC表示。,断裂韧度,KIC的单位与KI相同，它表示材料抵抗裂纹失 稳扩展（即抵抗脆性断裂）的能力。,1.1.1材料的力学性能,第1章,37,断裂韧度的应用, 已知KIC，可根据工作应力，确定材料中允许存在的、不会失稳扩展的最大裂纹长度；, 根据材料已存在的裂纹长度，确定材料能够承受的不致 脆断的最大应力。, 已知材料的工作应力和最大裂纹尺寸，可以算出应力场强度因子KI，根据应力场强度因子和断裂韧度的相对大小，可判断材料在受
15、力时，是否会因为裂纹失稳扩展而断裂。,1.1.2 材料的物理化学性能,1.1.2,39,材料的物理、化学性能,1. 物理性能,金属的密度就是单位体积金属的质量 用符号 （g/cm3或kg/m3）表示,(2). 熔点：,(3). 导电性：,(4). 导热性：,(5). 热膨胀性：,(6). 磁性：,缓慢加热时金属由固态转变为液态的温度（或K）,材料传导热量的能力,是材料传导电流的能力,材料因温度变化而引起的体积变化现象称为热膨胀性,材料在磁场中能被磁化或导磁的能力称为导磁性 或磁性,(1). 密度：,第1章,1.1.2 材料的物理化学性能,第1章,40,2.化学性能,金属材料与周围介质接触时抵抗
16、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、铁铬合金等等,1. 2 材料的工艺性能,第1章,41,指材料适应加工工艺要求的能力,1.铸造性能指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能，,包括：流动性能、收缩性、偏析等。,2.焊接性能指材料焊接时其工艺方法的难易程度及接口 处是否能满足使用目的的特性。,3.锻造性能金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不 破裂的能力。,含碳量越高，焊接性越差。,含碳量越高，锻造性越差。,1.2材料的工艺性能,含碳量4.3%的铁碳合金铸造性最好。,1.2 材料的工艺性能,第1章,42,4.切削加工性：指材料被切削加工成合格零件的难易程度。,
