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1、第一章 材料的性能及应用意义 主讲老师：黄彩娥 教授2024/8/81机械工程材料第一章材料性能第一章第一章 材料的性能及应用意义材料的性能及应用意义 v材料满足产品使用需要的特性: v使用性能使用性能材料满足产品使用需要的特性，包括力学性能、物理性能和化学性能力学性能、物理性能和化学性能；v工艺性能工艺性能材料对其所涉及的加工工艺的适应能力，包括铸造性能、塑性加工性能、铸造性能、塑性加工性能、切削加工性能、焊接性能和热处理性能切削加工性能、焊接性能和热处理性能等。 2024/8/82机械工程材料第一章材料性能第一章第一章 材料的性能及应用意义材料的性能及应用意义 v全面地理解材料性能及其变化
2、规律，是机械设计、选材用材、制订加工工艺及质量检验的重要依据。v作为材料性能的两个方面，使用性能和工艺性能既有联系又有区别，两者有时是统一的，但更多的情况下却互相矛盾。合理地解决两者间的矛盾并使之不断改善和创新，是材料研究与应用的主要任务之一。 2024/8/83机械工程材料第一章材料性能第一章第一章 材料的性能及应用意义材料的性能及应用意义 v第一节第一节 材料性能依据材料性能依据 v第二节第二节 材料的使用性能材料的使用性能 v第三节第三节 材料的工艺性能材料的工艺性能v第四节第四节 材料的环境性能材料的环境性能2024/8/84机械工程材料第一章材料性能第一节第一节 材料性能依据材料性能
3、依据 v材料的性能是一种参量，用于表征材料在给定的外界条件下所表现出来的行为。 v材料的化学成分和内部结构是性能的内部依据内部依据，而性能则是指确定成分和结构的材料的外部表现外部表现。v结构是一个广泛的概念，它包括原子结构、结合键、原子排列方式(晶体、非晶体与晶体缺陷)以及组织(显微组织与宏观组织)等四个层次。 2024/8/85机械工程材料第一章材料性能第一节第一节 材料性能依据材料性能依据v性能一般必须量化表示性能一般必须量化表示，因而它通常是依照标准规定通过不同的试验来测定表述通过不同的试验来测定表述的，这便是我们从材料手册或设计资料上获得的性能参数。v实际工件的性能实际工件的性能首先取
4、决于材料的性能，但须考虑到工件的形状尺寸、加工工艺过程和须考虑到工件的形状尺寸、加工工艺过程和使用条件使用条件对其重要的影响。2024/8/86机械工程材料第一章材料性能第一节第一节 材料性能依据材料性能依据v材料科学与工程是依据材料科学与工程是依据“工艺结构性能 ”这条思路去控制或改变材料的性能，即工艺影响结构、结构决定性能。 v工艺”主要是指材料的制备和加工工艺 。v改变结构时，应注意它的可变性以及因这种改变对于性能改变的敏感性。 结构不敏感性能 结构敏感性能 2024/8/87机械工程材料第一章材料性能第二节 材料的使用性能 v材料的使用性能材料的使用性能: 力学性能、物理性能和化学性能
5、v由于工程结构与机器零件以传递力和能、实现规定的机械运动为主要功能，因此力学性力学性能是最主要的能是最主要的。 2024/8/88机械工程材料第一章材料性能第二节 材料的使用性能 v一、力学性能一、力学性能 v二、物理性能二、物理性能 v三、化学性能三、化学性能 2024/8/89机械工程材料第一章材料性能 一、力学性能一、力学性能 v力学性能力学性能 材料在载荷(外力)作用下所表现出的行为。v常用的力学性能常用的力学性能 强度、塑性、刚度、弹性、硬度、韧性、疲劳性能和耐磨性等。 2024/8/810机械工程材料第一章材料性能 一、力学性能一、力学性能 v(一一)强度强度 v(二二)刚度刚度
6、v(三三)弹性弹性v(四四)塑性塑性v(五五) 硬度硬度v(六六)韧性韧性 v(七七)疲劳性能疲劳性能 v( (八八) )耐磨性耐磨性 2024/8/811机械工程材料第一章材料性能(一一)强度强度 v强度的定义：v静拉伸试验(T1-1):v强度指标： 1、比例极限比例极限(p) 2、弹性极限弹性极限(e) 3、屈服点和屈服强度屈服点和屈服强度(s、0.2) 4、抗拉强度抗拉强度(b) v从强度指标派生出来的指标： 比强度 屈强比。 2024/8/812机械工程材料第一章材料性能2024/8/813机械工程材料第一章材料性能(一一)强度强度v材料强度指标是其组织结构敏感性参数，合金化、热处理及
7、各种冷热加工可在很大程度上改变它的大小。 2024/8/814机械工程材料第一章材料性能(二二) 刚度刚度 v1概念概念 材料对弹性变形的抵抗能力刚度(或刚性)。 在应力应变曲线上的弹性变形阶段，应力与应变的比值即为材料刚度。常用的有正弹性模量E。v2影响因素影响因素 金属材料而言，其弹性模量E(刚度)主要取决于基体金属的性质，当基体金属确定时，难于通过合金化、热处理、冷热加工等方法使之改变，即E是结构不敏感性参数。 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，可以通过不同的方法使其改变。 2024/8/815机械工程材料第一章材料性能(三三) 弹性弹性 v材料的弹性材
8、料的弹性 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，前已述及的比例极限外p、弹性极限e和弹性模量E等在一定的程度上均可用来说明材料的弹性性能。 v最直接的弹性性能指标(图1-2) ：1、最大弹性变形量最大弹性变形量(e) 2、弹性比功弹性比功 3、滞弹性滞弹性(弹性滞后) 2024/8/816机械工程材料第一章材料性能2024/8/817机械工程材料第一章材料性能(四四)塑性塑性 v1、概念 塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力，即材料断裂前的塑性变形的能力 。材料的塑性，常用试样拉断后的伸长程度(伸长率伸长率)和断面的收缩程度(断面收缩率断面收缩率)来表示。 2024
9、/8/818机械工程材料第一章材料性能(四四)塑性塑性v2、塑性指标的应用意义 材料的塑性指标一般不直接用于机械设计计算，但设计师往往要对所用材料提出一定的塑性要求，这是因为： (1)材料的塑性有保证通过此部位的局部塑性变形来 削减应力峰，缓和应力集中的作用，从而防止零件出现未能预测的早期破坏； (2)发生塑性变形和因此而引起的形变强化可保证零件的安全以避免断裂，即具有抵抗过载的能力； 2024/8/819机械工程材料第一章材料性能(四四)塑性塑性(3)发生塑性变形过渡而不是直接发生突然断裂，即便最终要断裂 (4)材料具有一定的塑性可保证某些成形工艺和修复工艺的顺利进行；(5)塑性指标还能反映
10、材料的冶金质量的好坏，故是材料生产与加工质量的标志之一。 2024/8/820机械工程材料第一章材料性能(四四)塑性塑性v辅助说明：v材料的塑性与其强度指标一样，也是结构敏感性参数，可通过各种方法使之改变。v金属材料之所以在过去、现在乃至将来都有广泛的应用，其主要原因之一并不是它的强度，而恰恰在于其良好的塑性 2024/8/821机械工程材料第一章材料性能(五五) 硬度硬度 v硬度硬度 定义：定义：v硬度试验的优点：硬度试验的优点：v硬度的种类硬度的种类 1、布氏硬度(HBW) 2、洛氏硬度(HRA HRB HRC) 3、其它硬度 维氏硬度HV 显微硬度HV 莫氏硬度 2024/8/822机械
11、工程材料第一章材料性能(五五) 硬度硬度v由于各种硬度的试验条件不同，故相互间无理论换算关系。但在一定条件下存在着某种粗略的经验换算关系。2024/8/823机械工程材料第一章材料性能(六六)韧性韧性 v韧性 ：v评定材料韧性的力学性能指标 ： 1、冲击韧度 (1)概念 (2)应用意义 (3)局限性多冲抗力 （T1-4) 2、断裂韧度断裂韧度(KC) 临界断裂判据 ：K=Y1/2 KC2024/8/824机械工程材料第一章材料性能(六六)韧性韧性v1)根据零件的实际名义工作应力和其内可能的裂纹尺寸，确定材料应有的断裂韧度Kic，为正确选材为正确选材提供依据提供依据。 v2)根据零件所使用的材料
12、断裂韧度尺Kic及已探伤出的零件内存在的裂纹尺寸，确定零件的临界断裂应力c，为零件最大承载能力设计提供依据为零件最大承载能力设计提供依据。 v3)根据已知材料的断裂韧度置Kic，和零件的实际工作应力，估算断裂时的临界裂纹长度，为零件的为零件的裂纹探伤提供依据裂纹探伤提供依据。 2024/8/825机械工程材料第一章材料性能(七七)疲劳性能疲劳性能 v1、疲劳基本概念 v2、疲劳基本过程 v3、疲劳抗力指标 v4、影咽疲劳极限的因素2024/8/826机械工程材料第一章材料性能1、疲劳基本概念v交变载荷 v描述交变载荷的参数v疲劳断裂 v疲劳断裂的特点2024/8/827机械工程材料第一章材料性
13、能2、疲劳基本过程疲劳基本过程v疲劳断口的三个典型区域（图1-5 ）v疲劳过程 ： (1)裂纹萌生 (2)裂纹扩展 (3)最后断裂 2024/8/828机械工程材料第一章材料性能3疲劳抗力指标疲劳抗力指标 v疲劳类型不同则其疲劳抗力指标也不一样 应力疲劳或高周疲劳（主要疲劳） 应变疲劳或低周疲劳v用以评定材料疲劳性能的疲劳抗力指标很多，主要有疲劳极限(或疲劳强度)-1。v最常用的疲劳试验是旋转弯曲疲劳试验。 v部分工程材料的疲劳极限表（B1-4） 2024/8/829机械工程材料第一章材料性能4、影咽疲劳极限的因素v(1)材料本质 v(2)零件表面强化处理 v(3)零件表面状况 v(4)载荷类
14、型 v(5)工作温度 v(6)腐蚀介质2024/8/830机械工程材料第一章材料性能( (八八) )耐磨性耐磨性 v磨损磨损: :v1、磨损的主要类型与机理磨损的主要类型与机理 (1)粘着磨损 (2)磨粒磨损 v2、提高材料耐磨性的途径提高材料耐磨性的途径 材料抵抗磨损的能力称为耐磨性，可用磨损量或相对磨损性来表示，常通过实物磨损试验或试样磨损试验来测定。 (1)粘着磨损粘着磨损 (2)磨粒磨损磨粒磨损 2024/8/831机械工程材料第一章材料性能(1)粘着磨损粘着磨损v提高其耐磨性的具体措施有：v减小表面摩擦因数或提高材料表面硬度，采用各种表面处理v减小接触压力v合理选配摩擦副材料v减小表
15、面粗糙度值以增大实际接触面积，从而降低接触压应力v改善润滑状况。 2024/8/832机械工程材料第一章材料性能(2)磨粒磨损磨粒磨损 v改善其耐磨性的具体措施有：v提高材料的硬度，可通过合理选用高硬度材料如高碳钢、耐磨铸铁、陶瓷等，采用表面强化处理来实现。v设计时合理采用减小接触压力的措施，工作时改进润滑油过滤装置以及时清除磨屑。 2024/8/833机械工程材料第一章材料性能二、物理性能二、物理性能v固体材料中，由原子、离子、电子及它们之间的相互作用所反映出现的物理性能，不仅对工程材料的选用有着重要的意义，而且也会对材料的加工工艺产生一定的影响。v( (一一) )密度密度 v( (二二)
16、)热学性能热学性能 v1、熔点 v2、热容 v3、热膨胀v4、热传导2024/8/834机械工程材料第一章材料性能二、物理性能二、物理性能 v( (三三) )电学性能电学性能 v1、电阻率 v2、电阻温度系数 v3、介电性v( (四四) )磁学性能磁学性能 v1、磁导率 v2、饱和磁化强度和磁矫顽力 2024/8/835机械工程材料第一章材料性能三、化学性能三、化学性能 v腐蚀： 是指材料表面与周围介质发生化学反应、电化学反应或物理溶解而引起的表面损伤现象，并分别称为化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀蚀三大类。v其中物理腐蚀(如钢铁在液态锌中的溶解)因在工程上较少见，不
17、很重要，故这里主要介绍化学腐蚀和电化学腐蚀的概念与防腐措施。 2024/8/836机械工程材料第一章材料性能三、化学性能三、化学性能 v( (一一) )化学腐蚀化学腐蚀 化学腐蚀 氧化膜 v( (二二) )电化学腐蚀电化学腐蚀 电化学腐蚀 电化学腐蚀的条件 v( (三三) )提高零件耐蚀性的主要措施提高零件耐蚀性的主要措施 提高耐化学腐蚀性(主要指抗氧化性)的措施 提高耐电化学腐蚀的措施 2024/8/837机械工程材料第一章材料性能第三节材料的工艺性能第三节材料的工艺性能 v材料的工艺目的材料的工艺目的在于最经济地满足产品的要求，包括材料内部的成分、组织、结构和材料外部形状、尺寸、表面质量等
18、。 v工艺性能工艺性能是指材料对各种加工工艺的适应能力，即加工工艺性能，它表示了材料加工的难易程度。 v工艺性能工艺性能 的影响的影响： 一方面一方面材料的工艺性能影响了零件的性能和外观，还影响到零件的生产率和成本；另一方面另一方面，材料的工艺性能不仅取决于材料本身(即成分、组织、结构)，而且还受各种加工工艺条件的影响(如加工方式、设备、工具、温度等)。 2024/8/838机械工程材料第一章材料性能第三节材料的工艺性能第三节材料的工艺性能v几种主要加工工艺性能 ：v一、铸造性能一、铸造性能 v二、锻造性能二、锻造性能 v三、焊接性能三、焊接性能 v四、切削加工性能四、切削加工性能 v五、热处
19、理性能五、热处理性能 2024/8/839机械工程材料第一章材料性能第四节第四节 材料的环境性能材料的环境性能 v材料的环境性能 表征了材料与环境之间的交互作用行为，包括环境对材料(使用性能、工艺性能)的影响和材料工程对环境(环境保护、能源和资源消费)两方面，前者称为材料的环境适应性材料的环境适应性，后者称为材料的环境协调性材料的环境协调性。 2024/8/840机械工程材料第一章材料性能第四节第四节 材料的环境性能材料的环境性能v一材料的环境适应性一材料的环境适应性 是指材料适应其环境而抵抗失效的能力，是环境因素对材料力学性能、物理性能、化学性能乃至工艺性能的影响行为的表征。 v二材料的环境协调性二材料的环境协调性 环境协调性环境材料 寿命周期评价法 2024/8/841机械工程材料第一章材料性能本章要求：v常用的力学性能: 有强度、塑性、刚度、弹性、硬度、韧性、疲劳性能和耐磨性等。v掌握力学性能的定义及表示符号。2024/8/842机械工程材料第一章材料性能
