材料的机械性能

第一章材料的性能神舟一号飞船机械工程材料的常用性能两方面材料使用性能材料工艺性能力学性能（强度、塑性韧性等）物理性能（光、热、电、磁等）化学性能（氧化、腐蚀等）生物性能（相容性、自恢复性等）加工性能（切削、锻造等）铸造性能（适合铸造与否）焊接性能（容易焊接与否）热处理性能（可热处理强化）力学行为：材料在外加载荷或环境因素的作用下所表现的行为。现象：弹性变形、塑性变形和断裂。五万吨水压机微孔聚合型断口解理型断口晶间断裂晶内断裂低碳钢的应力-应变曲线拉伸试样拉伸试验机应力=P/F0应变=(l-l0)/l0应变ε应力σ弹性变形屈服塑性变形均匀塑性变形不均匀集中塑性变形断裂一、弹性和刚度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。刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量E。）（MPatgEe•弹性模量：主要取决于材料的本性，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。•刚度：可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高。二、强度与塑性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。s0.2•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：%100001lll%100010FFF断面收缩率：断裂后拉伸试样的颈缩现象说明：①用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。③5%时，无颈缩，为脆性材料表征。②5%时，有颈缩，为塑性材料表征；三、冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。指标为冲击韧性值ak(通过冲击实验测得)。ak=Ak/F()kAmghhkkAaFkkAaF•韧脆转变温度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。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。韧-59℃-12℃4℃16℃24℃79℃低强度铁素体钢冲击断口照片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）的冲击试验结果Titanic近代船用钢板四、疲劳材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。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。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2）循环次数（N）断裂不断裂材料的纯度及组织状态对疲劳抗力有显著影响组织状态σb/MPaσ-1/MPa退火（铁素体＋珠光体）650314淬火（马氏体）208077540Cr钢组织类型对疲劳极限的影响疲劳断口•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材料抵抗表面局部塑性变形的能力。布氏硬度HB)(2102.022dDDDPHB布氏硬度计布氏硬度计HBS：为钢球压头，适用于布氏硬度值在450以下的材料。HBW：为硬质合金球压头，适用于布氏硬度在650以下的材料。表示方法：120HBS布氏硬度压痕布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定，b与HB之间有关系：如、低碳钢b≈3.6HB；高碳钢b≈3.4HB；铸铁b≈1HB。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。HB钢黄铜球墨铸铁布氏硬度的应用：适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。•洛氏硬度HR根据压头类型：A、B、C。钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度用符号HR表示：HR=k-(h1-h0)/0.002h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计表示方法：数字+符号，如45HRC。HRA：用于测量高硬度材料,如硬质合金、表淬层和渗碳层。HRB：用于测量低硬度材料,如有色金属和退火、正火钢等。HRC：用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。缺点：测量结果分散度大。维氏硬度维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值。用于第二相硬度的测量。小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计硬度的特点与实用性1）设备简单，操作方便，不破坏工件，且与抗拉强度之间存在一定对应关系。2）是综合性力学指标：（1）说明强度（σ）与塑性（δ）的匹配关系；（2）使用性能指标，说明零件的耐磨性；（3）可作为评价工艺制定合理程度的重要指标。例如、当材料的硬度在HB150~220间时，其切削性较好。3）零件图纸上往往只标注硬度值。4）产品质量检查。六、断裂韧性油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关1943年美国T-2油轮发生断裂北极星导弹裂纹扩展的基本形式应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。aYKI2/1)(ccaCCICaYK23/mMN断裂韧性：材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。C为断裂应力，aC为临界裂纹半长，单位为•KIKIC构件安全•KIKIC构件发生脆性断裂•KI＝KIC构件发生低应力脆性断裂的临界条件断裂判据4、高、低温载荷作用时：1）蠕变强度（σTδ/t）；2）持久强度（σTt）；