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1、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1.1材料性能依据材料性能依据1.2材料的使用性能材料的使用性能1.3材料的工艺性能材料的工艺性能引言引言材料是人类社会经济地制造有用器件的物质。材料是人类社会经济地制造有用器件的物质。1.所谓有用所谓有用使用性能使用性能2.所谓制造所谓制造工艺性能工艺性能（原材料变成产品）（原材料变成产品）它们之间有联系、有区别，有统一、有矛盾，应合理应用。它们之间有联系、有区别，有统一、有矛盾，应合理应用。力学性能力学性能物理性能物理性能化学性能化学性能铸造性能（热加工）铸造性能（热加工）焊接性能（热加工）焊接性能（热加工）热处理性能（热加工）热处理性能
2、（热加工）塑性加工性能（热、冷加工）塑性加工性能（热、冷加工）切削加工性能（冷加工）切削加工性能（冷加工）引言引言1.1材料性能依据材料性能依据材料的材料的性能性能是用于表征材料在给定的外界条件下所表现出来的行为。是用于表征材料在给定的外界条件下所表现出来的行为。材料的化学成分和内部结构是其内部依据，材料成分和结材料的化学成分和内部结构是其内部依据，材料成分和结构确定后就表现出一定的性能。此时的构确定后就表现出一定的性能。此时的“结构结构”包含包含四个层次四个层次：1. 原子结构原子结构 2. 结合键结合键 3. 原子排列方式原子排列方式 4. 组织组织注意：注意：（1）结构）结构不不敏感性能
3、：敏感性能：E、Tm等。等。（2）结构敏感性能：强度、塑性、韧性等。）结构敏感性能：强度、塑性、韧性等。1.2材料的使用材料的使用性能性能一、力学性能一、力学性能二、物理性能二、物理性能三、化学性能三、化学性能一、力学性能一、力学性能（一）强度（一）强度（二）刚度（二）刚度（三）弹性（三）弹性（四）塑性（四）塑性（五）硬度（五）硬度（六）韧性（六）韧性（七）疲劳性能（七）疲劳性能（八）耐磨性（八）耐磨性1.2材料的使用材料的使用性能性能一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能（a）拉伸）拉伸（b）压缩）压缩（c）弯曲）弯曲（d）剪切）剪切（e）扭转）扭转（一）强度（一）强度-
4、材料在外力作用下对变形与断裂的抵抗能力。材料在外力作用下对变形与断裂的抵抗能力。1.比例极限比例极限p2.弹性极限弹性极限e3.屈服强度屈服强度s4.抗拉强度抗拉强度b（新国标（新国标中用中用Rm表示）表示）一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能低碳钢拉伸低碳钢拉伸flash演示演示1低碳钢拉伸低碳钢拉伸flash演示演示2拉伸实验视频拉伸实验视频屈强比（屈强比（s /b ），其值一般在），其值一般在0.650.75之间。屈强比愈之间。屈强比愈小，工程构件的可靠性越高，万一超载也不会马上断裂；屈强小，工程构件的可靠性越高，万一超载也不会马上断裂；屈强比愈大，材料的强度利用率
5、愈高，但可靠性降低。比愈大，材料的强度利用率愈高，但可靠性降低。 比强度比强度材料的强度与密度之比。材料的强度与密度之比。一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能名称名称密度密度（g/cm3）强度强度（MPa）比强度比强度纯铝纯铝2.7801003037纯铁纯铁7.871802802336纯钛纯钛4.540550090111一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能拉拉伸伸试试样样的的颈颈缩缩现现象象（二）刚度（二）刚度材料对弹性变形的抵抗能力。材料对弹性变形的抵抗能力。E=/一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能如果说强度保证了材料不发生
6、过量塑性变形甚至断裂的话，刚度则保如果说强度保证了材料不发生过量塑性变形甚至断裂的话，刚度则保证了材料不发生过量弹性变形。证了材料不发生过量弹性变形。实际工件的刚度首先取决于其材料的弹性模量，即实际工件的刚度首先取决于其材料的弹性模量，即E注意：注意：1.对于金属材料而言，其弹性模量对于金属材料而言，其弹性模量E主要取决于基体金属的性质。当基体金属确定时主要取决于基体金属的性质。当基体金属确定时,难以通过合金化、热处理、冷加工等方法使之改变，即难以通过合金化、热处理、冷加工等方法使之改变，即E是结构不敏感性参数是结构不敏感性参数。2.陶瓷材料、陶瓷材料、高分子材料、高分子材料、复合材料的弹性模
7、量对其成分和组织结构是敏感的，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。可以通过不同的方法使其改变。一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能（三）弹性（三）弹性在外力作用下材料发生弹性行为的综合性能指标。在外力作用下材料发生弹性行为的综合性能指标。一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能滞弹性（弹性滞后）滞弹性（弹性滞后）：加载时应变不立即达到平衡值，卸载时变形也不：加载时应变不立即达到平衡值，卸载时变形也不立即恢复。立即恢复。 对于易受振动且要求消振的零件，如机床床身和汽轮机叶片，要求材料对于易受振动且要求消振的零件，如机床
8、床身和汽轮机叶片，要求材料具有良好的消振性。机床床身可用灰铸铁制造，汽轮机叶片则采用具有良好的消振性。机床床身可用灰铸铁制造，汽轮机叶片则采用Cr13型钢型钢制造。制造。对于仪表上的传感元件和音响上的音叉、簧片等，则不希望有滞弹性出对于仪表上的传感元件和音响上的音叉、簧片等，则不希望有滞弹性出现，选材时应予注意。现，选材时应予注意。（四）塑性（四）塑性在外力作用下材料产生塑性变形而不破坏的能力，在外力作用下材料产生塑性变形而不破坏的能力，即材料断裂前的塑性变形能力。即材料断裂前的塑性变形能力。1.伸长率，以伸长率，以表示表示一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能2.断面收缩
9、率，以断面收缩率，以表示表示（新国标中用（新国标中用Z表示）表示）（五）硬度（五）硬度材料表面局部区域内抵抗变形或破裂的能力。材料表面局部区域内抵抗变形或破裂的能力。一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能硬度试验的优点：硬度试验的优点：1.硬度试验设备简单，操作迅速方便。硬度试验设备简单，操作迅速方便。2.一般不破坏成品零件，无需加工专门的试样，试验对象可以是各类工程材一般不破坏成品零件，无需加工专门的试样，试验对象可以是各类工程材料和各种尺寸的零件。料和各种尺寸的零件。3.硬度与强度、塑性、耐磨性之间的关系密切，可按硬度估算强度而免做复硬度与强度、塑性、耐磨性之间的关系密
10、切，可按硬度估算强度而免做复杂的拉伸实验。杂的拉伸实验。4.硬度与工艺性能之间有联系，可作为评定材料工艺性能的参考。硬度与工艺性能之间有联系，可作为评定材料工艺性能的参考。5.硬度能较敏感地反映材料的成分与组织结构的变化，可用来检验原材料和硬度能较敏感地反映材料的成分与组织结构的变化，可用来检验原材料和控制冷热加工质量。控制冷热加工质量。一、力学性能一、力学性能1.布氏硬度布氏硬度GB231-19842.洛氏硬度洛氏硬度GB230-19913.维氏硬度维氏硬度GB4342-19841.2材料的使用材料的使用性能性能硬度测试方法：硬度测试方法：1.载荷大小载荷大小2.压头尺寸压头尺寸3.加载及保
11、压时间加载及保压时间 硬度测试三要素：硬度测试三要素：1.布氏硬度（布氏硬度（HB）GB231-1984HB=F/SHBS淬火钢球淬火钢球（450HB)（新国标中（新国标中HBS已取消）已取消）HBW硬质合金球（硬质合金球（650HB)1）误差小，重复性好。）误差小，重复性好。2）压痕面积大，不适合成品检验。）压痕面积大，不适合成品检验。3）与强度）与强度b之间存在近似的换算：之间存在近似的换算： b 0.36HB一、力学性能一、力学性能布氏硬度计布氏硬度计1.2材料的使用材料的使用性能性能一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的
12、使用性能性能2.洛氏硬度洛氏硬度（HR）GB230-1991一、力学性能一、力学性能洛氏硬度计洛氏硬度计1.2材料的使用材料的使用性能性能HR=(0.2-h)/0.002(mm)，其中其中 h = h1 - h0一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能洛氏硬度的种类及应用：洛氏硬度的种类及应用：（1）HRA（金刚石圆锥）金刚石圆锥）高硬度表面、硬质合金高硬度表面、硬质合金（2）HRB（淬火钢球）淬火钢球）未淬火钢、灰铸铁、有色金属未淬火钢、灰铸铁、有色金属（3）HRC（金刚石圆锥）金刚石圆锥）淬硬钢、调质钢淬硬钢、调质钢洛氏硬度共洛氏硬度共15种标尺，每一种标尺硬度适用范围不
13、同。种标尺，每一种标尺硬度适用范围不同。一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能洛氏硬度计洛氏硬度计一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能3.维氏硬度（维氏硬度（HV）GB4342-1984（1）金刚石正四棱锥金刚石正四棱锥压头，精确压头，精确操作复杂，适用于科学研究。操作复杂，适用于科学研究。（2）压力可选）压力可选5120Kg间的特定间的特定值，适用各种硬度值的测量。值，适用各种硬度值的测量。（3）压痕小，可测表面硬化层。）压痕小，可测表面硬化层。一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能4.锉刀法锉刀法一组硬度差为一组硬度差为5HRC
14、的锉刀。例如：的锉刀。例如：10HRC、15HRC、20HRC等。等。一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能（六）韧性（六）韧性材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力，它是材料强度和塑性的综合表现。力，它是材料强度和塑性的综合表现。一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能韧性不足可用脆性来表达。韧性不足可用脆性来表达。韧性高低决定是韧性断裂，还是脆性断裂。韧性高低决定是韧性断裂，还是脆性断裂。1.冲击韧度冲击韧度Ak材料抵抗冲击载荷的能力材料抵抗冲击载
15、荷的能力三种不同冷脆倾向的材料三种不同冷脆倾向的材料1面心立方晶格的金属面心立方晶格的金属2中、低强度体心立方晶格的金属中、低强度体心立方晶格的金属3高强度材料高强度材料123温度温度T TK 冲击吸收功冲击吸收功AK一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能冲击吸收功的测定冲击吸收功的测定一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能K冲击能量冲击能量A冲击破断次数冲击破断次数lgN121高强度低韧性材料高强度低韧性材料2低强度高韧性材料低强度高韧性材料AANN交点交点K以左：在较高冲击能量以左：在较高冲击
16、能量A下，多冲抗力取决于韧性。下，多冲抗力取决于韧性。交点交点K以右：在较低冲击能量以右：在较低冲击能量A”下，多冲抗力取决于强度下，多冲抗力取决于强度。（即小能量多冲（即小能量多冲)不同材料的冲击抗力不同材料的冲击抗力: 小能量多冲时以强度为主，塑性、韧性为辅，强韧性配合处小能量多冲时以强度为主，塑性、韧性为辅，强韧性配合处于最佳状态时，多冲抗力最高。于最佳状态时，多冲抗力最高。 在低中强度范围，冲击韧度的提高对多冲抗力影响不大（因在低中强度范围，冲击韧度的提高对多冲抗力影响不大（因其韧性已足够）。其韧性已足够）。 在高强度范围时（如在高强度范围时（如b1300MPa），改善韧性有利于提高）
17、，改善韧性有利于提高多冲抗力。多冲抗力。一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能2.断裂韧度断裂韧度KIC材料抵抗裂纹失稳扩展的能力材料抵抗裂纹失稳扩展的能力一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能传统设计思想：传统设计思想： 0.2/n，n为安全系数，依此思想反而导致经常的为安全系数，依此思想反而导致经常的低应力脆断低应力脆断（s），此时），此时偏低而尺寸、重量偏高。偏低而尺寸、重量偏高。n加大尺寸加大尺寸依此思想反而导致经常的依此思想反而导致经常的低应力脆断低应力脆断。一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能KIKICKI=Ya1/2K
18、IC：金属材料的最高，金属材料的最高，复合材料次之，复合材料次之，高分子材料、陶瓷材料最低。高分子材料、陶瓷材料最低。先进的设计思想：材料中存在着既存或后生的微小的宏观裂纹，可能是冶金先进的设计思想：材料中存在着既存或后生的微小的宏观裂纹，可能是冶金缺陷，也可能是加工裂纹（如热处理、焊接等）或是使用中发生裂纹（如疲缺陷，也可能是加工裂纹（如热处理、焊接等）或是使用中发生裂纹（如疲劳、应力腐蚀）。劳、应力腐蚀）。2.断裂韧度断裂韧度KIC材料抵抗裂纹失稳扩展的能力材料抵抗裂纹失稳扩展的能力一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能总之，总之，AK（K）和）和KIC首先取决于内因首
19、先取决于内因材料的成分、组织结构，材料的成分、组织结构，其次是受零件外部因素的影响，如工作温度、环境介质。其次是受零件外部因素的影响，如工作温度、环境介质。一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能螺栓韧性断裂与脆性断裂的比较螺栓韧性断裂与脆性断裂的比较一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能（七）疲劳性能（七）疲劳性能材料在交变应力作用下，在远小于强度极限，材料在交变应力作用下，在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。疲劳极限：材料能承受的无数次循环而不断裂的最大应力值。疲劳极限：材料能承受的无数次循环而不断裂的
20、最大应力值。用用-1（新国标（新国标D）表示。）表示。疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图a一般钢铁材料一般钢铁材料b有色金属、高强度钢等有色金属、高强度钢等一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能碳钢碳钢-10.43b合金钢合金钢-10.35b+12MPa 一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能（八）耐磨性（八）耐磨性一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能1.磨损的主要类型磨损的主要类型1）粘着磨损：是指摩擦副接触面局部发生金属
21、粘着，而这些粘着的强）粘着磨损：是指摩擦副接触面局部发生金属粘着，而这些粘着的强度往往大于金属本身强度，在随后的相对运动时发生的破坏将出现在强度往往大于金属本身强度，在随后的相对运动时发生的破坏将出现在强度较低的地方，有金属磨屑从表面被拉下来或零件表面被擦伤的磨损。度较低的地方，有金属磨屑从表面被拉下来或零件表面被擦伤的磨损。2）磨粒磨损：是指滑动摩擦时，在零件表面摩擦区内存在硬质磨粒，）磨粒磨损：是指滑动摩擦时，在零件表面摩擦区内存在硬质磨粒，使磨面发生局部塑性变形、磨料嵌入和被磨料切割等过程，以致磨面材使磨面发生局部塑性变形、磨料嵌入和被磨料切割等过程，以致磨面材料逐步磨耗。料逐步磨耗。粘
22、着磨损磨痕粘着磨损磨痕粘着磨损示意图粘着磨损示意图一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能磨粒磨损磨痕磨粒磨损磨痕磨粒磨损示意图磨粒磨损示意图一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能一、力学性能一、力学性能1.2材料的使用材料的使用性能性能2.提高材料耐磨性的途径提高材料耐磨性的途径1）粘着磨损）粘着磨损减小表面摩擦系数或提高材料表面硬度；减小表面摩擦系数或提高材料表面硬度；减小接触压力；减小接触压力；合理选配摩擦材料；合理选配摩擦材料；减小表面粗糙度值以增大实际接触面积；减小表面粗糙度值以增大实际接触面积；改善润滑状况。改善润滑状况。2）磨粒磨损）磨粒磨损
23、提高材料硬度提高材料硬度；设计时合理采用减小接触压力的措施，工作时改进润滑油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过滤装置以及时清除磨损。及时清除磨损。二、物理性能二、物理性能（一）密度（一）密度（二）热学性能：熔点、热容、热膨胀、热传导等。（二）热学性能：熔点、热容、热膨胀、热传导等。（三）电学性能：电阻率、电阻温度系数、介电性。（三）电学性能：电阻率、电阻温度系数、介电性。（四）磁学性能：磁导率、饱和磁化强度和磁矫顽力。（四）磁学性能：磁导率、饱和磁化强度和磁矫顽力。1.2材料的使用材料的使用性能性能三、化学性能三、化学性能（一）化学腐蚀（一）化学腐蚀（二）电化学腐蚀
24、（二）电化学腐蚀1.2材料的使用材料的使用性能性能1.3材料的工艺材料的工艺性能性能金属材料零件的一般加工过程金属材料零件的一般加工过程1.3材料的工艺材料的工艺性能性能机械零件一般加工工艺机械零件一般加工工艺毛坯毛坯材料材料热处理热处理切削加工切削加工零件零件铸造铸造焊接焊接锻压锻压型材型材粉末冶金粉末冶金（交叉交叉进行）进行）零件的毛坯：（零件的毛坯：（1）铸造铸造毛坯毛坯熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法，称为铸造。得一定形状和性能铸件的成形方法，称为铸造。1.3材料的工艺材料的工艺性能性能锻
25、压是对坯料施加外力，使其产生塑性变形、改变尺寸、锻压是对坯料施加外力，使其产生塑性变形、改变尺寸、形状及改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工形状及改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法。它是方法。它是锻造锻造与与冲压冲压的总称，属于压力加工的范畴。的总称，属于压力加工的范畴。1.3材料的工艺材料的工艺性能性能零件的毛坯：（零件的毛坯：（2）锻造锻造毛坯毛坯焊接的实质是使两个分离的物体通过加热或加压，或两者并用，焊接的实质是使两个分离的物体通过加热或加压，或两者并用，在用或不用填充材料的条件下借助于原子间或分子间的联系与质点的在用或不用填充材料的条件下借助于原子间或分子
26、间的联系与质点的扩散作用形成一个整体的过程。扩散作用形成一个整体的过程。1.3材料的工艺材料的工艺性能性能POLO汽车底盘焊接汽车底盘焊接零件的毛坯：（零件的毛坯：（3）焊接焊接结构结构1.铸造铸造性能：包括流动性、收缩、疏松、成分偏析、铸造应力、冷热裂纹倾向。性能：包括流动性、收缩、疏松、成分偏析、铸造应力、冷热裂纹倾向。2.锻造锻造性能：通常用材料的塑性和强度及形变强化能力来综合衡量。性能：通常用材料的塑性和强度及形变强化能力来综合衡量。3.焊接焊接性能：包括焊接接头产生缺陷的倾向性和焊接接头的使用可靠性。性能：包括焊接接头产生缺陷的倾向性和焊接接头的使用可靠性。4.切削加工切削加工性能：一般用材料的切削的难易程度、切削后表面粗糙度和刀具寿性能：一般用材料的切削的难易程度、切削后表面粗糙度和刀具寿命等方面来衡量。命等方面来衡量。5.热处理热处理性能：包括淬透性、淬硬性、耐回火性、氧化与脱碳倾向及热处理变性能：包括淬透性、淬硬性、耐回火性、氧化与脱碳倾向及热处理变形与开裂倾向。形与开裂倾向。1.3材料的工艺材料的工艺性能性能
