单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,1,章 工程材料的主要性能,分类：工程材料种类繁多，常见分类方法,按成分分类,金属材料,复合材料,陶瓷材料,高分子材料,本章重点内容,学习目的,通过本章的学习，,掌握,材料常用的力学性能指标及力学性能指标在选材中的应用,1.,常用的力学性,能指标,2.,力学性能指标,在选材中的意义,思考：,材料的性能有哪些？,材料的性能是由什么决定的？,如何衡量这些性能？,不同服役条件下应具备哪些性能？,第,1,节 材料的性能,使用性能,材料,的性能,工艺性能,力学性能,物理性能,化学性能,铸造性,可锻性,可焊性,切削加工性,热处理性,材料的性能有哪些？,材料的性能包含,使用性能,和,工艺性能,使用性能,：是指材料在服役条件下，为保证安全可靠地工作，材料所必须具备的性能如：力学性能、物理性能、化学性能工程材料使用性能的好坏，决定了它的使用寿命和应用范围。
工艺性能,：是指制造工艺过程中材料适应某种成形加工的性能如：铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性、热处理工艺性工程材料工艺性能好坏，直接影响零件或构件的制造方法和制造成本1.1.1,材料的力学性能,力学性能：,是指金属材料在外力作用时表现出来的性能外力形式：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,一、低碳钢常温静载拉伸实验,标准拉伸试样：,长试样,L,0,=10,d,0,短试样,L,0,=5,d,0,应力,(,),：单位横截面积的内力,1.,拉伸曲线分析,oe,弹性变形阶段,csd,屈服阶段,db,强化阶段,bk,缩颈阶段,k,试样断裂,1.,拉伸曲线分析,弹性变形阶段,e,点以前产生的变形是可以恢复的弹性变形，,e,点对应了弹性变形阶段的极限值，称为弹性极限，以,e,表示（单位为,Mpa,）oe,段近似为一直线，直线的斜率代表弹性模量,E,，弹性模量,E,是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标E,愈大，使其产生一定量弹性变形的应力也应愈大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工程上称为材料的,刚度，表示材料弹性变形抗力的大小。
1.,拉伸曲线分析,屈服阶段,图形上出现平台，即载荷无明显增加，试样继续伸长，材料丧失了抵抗变形的能力，这种现象叫屈服当应力超过,e,时，试样开始出现塑性变形s,为屈服阶段的最小应力，称为,屈服强度（屈服点）,式中,F,s,屈服时的最小载荷（,N,）；,S,0,试样原始截面积（,mm,2,）,其含义是：当,=s,时，认为材料开始产生塑性变形；当,=b,时，材料将会断裂，当,b,时，材料不会断裂1.,拉伸曲线分析,缩颈阶段,当应力达到,b,时，试样就在某个薄弱部位形成缩颈由于试样局部截面的逐渐减小，故应力也逐渐降低，当达到曲线上的,k,点时，试样发生断裂2.,强度指标,强度,是指材料在静载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力其中抵抗塑性变形的能力，用屈服强度,s,表示，无明显屈服阶段，可用规定残余伸长应力,0.2,表示；抵抗断裂的能力，用抗拉强度,b,表示s,与,b,的比值叫做,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，一般取值在,0.65,0.75,断面收缩率,塑性,是指材料断裂前发生最大变形的能力3.,塑性指标,断后伸长率,式中,L,0,，,L,1,分别为试样原始标距和被拉断后的标距（,mm,）。
式中,S,0,，,S,1,分别为试样原始截面积和断裂后缩颈处的最小截面积（,mm,2,）塑性对材料的意义,a.,提高安全性：塑性好的材料，在受力过大时，首先产生塑性变形而不突然断裂，因此比较安全b.,便于压力加工成型：塑性好的材料可以发生大量塑性变形而不破坏，易于通过塑性变形加工成形状复杂的零件加工硬化：,材料经过加工产生塑性变形后，强度、硬度上升，而韧性、塑性下降的现象4.,加工硬化,二、硬度实验,材料抵抗另一硬物体压入其内的能力叫,硬度,，即受压时抵抗局部塑性变形的能力硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念硬度试验简单易行，又无损于零件，而且可以近似的推算出材料的其他机械性能，因此在生产和科研中应用广泛硬度试验方法很多，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1.,布氏硬度,实验过程,一定直径的球体,(,钢球或硬质合金球,),在一定载荷作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，测量其压痕直径,计算硬度值布氏硬度值用球面压痕单位表面积上所承受的平均压力来表示用符号,HBS(,当用钢球压头时,),或,HBW(,当用硬质合金球时,),来表示HBS,（,HBW,）,=F/A=2F/DD-(D2-d2)1/2,1.,布氏硬度,布氏硬度表示方法,标注：如,120HBS10/1000/10,，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1.,布氏硬度,布氏硬度特点,布氏硬度试验的压痕较大，测量数值稳定，准确，能很好的反应材料的硬度；但操作时间较长，对不同材料需要不同的压头和试验力，压痕直径测量费时，因此不适用批量生产、成品及薄件；在进行高硬度材料试验时，由于球体本身的变形会使测量结果不准确，因此，用淬火钢球压头测量时，材料硬度值必须小于,450,；用硬质合金球压头时，材料硬度值必须小于,650,布氏硬度应用,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2.,洛氏硬度,实验过程,将金刚石压头,(,或钢球压头,),在先后施加两个载荷,(,预载荷,F,0,和主载荷,F,1,),的作用下压入金属表面总载荷,F,为预载荷,F,0,和主载荷,F,1,之和卸去主载荷,F,1,后,测量其残余压入深度,h,用,h,与,h,0,之差,h,来计算洛氏硬度值。
预加载荷的目的是使压头与试样表面接触良好,以保证测量结果准确硬度值的大小直接由硬度计表盘上读出布氏硬度表示方法,2.,洛氏硬度,标注：如,40-45HRC,常见洛氏硬度标尺的实验条件及应用,硬度符号,压头,总载荷,（,kgf,）,表盘上刻度颜色,常用硬度值范围,使用范围,HRA,金钢石圆锥,60,黑,色,2085,碳化物、硬质合金、表面淬火层等,HRB,1.5875mm,钢球,100,红,色,25100,有色金属、退火及正火钢等,HRC,金钢石圆锥,150,黑,色,2067,调质钢、淬火钢等,2.,洛氏硬度,洛氏硬度特点,操作简便迅速，能直接从刻度盘上读出硬度值；压痕小，可以测定成品及较薄零件；测试的硬度值范围大，从很软到很硬的金属材料均可测量缺点是：压痕小，测量数值代表性差，通常需要在不同部位测试数次，取平均值3.,维氏硬度,实验过程,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,为了从软到硬的各种金属材料有一个连续一致的硬度标度，因而制定了维氏硬度试验法。
3.,维氏硬度,维氏硬度表示方法,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,(10,15s,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,10,15s,(,不标出,),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,维氏硬度应用,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,),后的表面硬度三、夏比冲击实验,材料断裂前吸收变形能量的能力韧性,冲击韧性,冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力三、夏比冲击实验,实验过程,A,k,=,m,g(,h,1,-,h,2,),单位为焦耳,冲击吸收功,A,k,冲击韧度,a,k,ak=,冲击破坏所消耗的功,Ak/,标准试样断口截面积,F,单位为焦耳,/,厘米,（,J/cm,）,三、夏比冲击实验,a,k,值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形；,a,k,值高，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性材料韧脆转变温度,冲击吸收功急剧 变化或断口韧性急剧转变的温度区域。
四、疲劳强度,机械零件的断裂,80%,由疲劳造成承受周期性循环应力或交变应力作用应力往往远小于强度极限甚至屈服极限突然断裂疲劳断裂过程：疲劳裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、断裂三个阶段四、疲劳强度,疲劳强度,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,10,7,；非铁金属,10,8,；腐蚀介质作用下,10,6,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1.1.2,材料的物理、化学性能,材料的物理性能,密度,熔点,导热性,导电性,热膨胀性,磁性,1.1.2,材料的物理、化学性能,材料的化学性能,金属材料与周围介质接触时抵抗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1.2,材料的工艺性能,工艺性能,是指材料适应加工工艺要求的能力铸造性能,锻造性能,焊接性能,切削加工性能,热处理工艺性能,。
