第1章工程材料的主要性能

1第一章工程材料的主要性能1、教学要求了解工程材料使用性能（力学性能、物理性能、化学性能）、工艺性能的含义。重点了解强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度的概念与测试方法2、学时安排1学时2金属材料的性能——用来表征材料在给定外界条件下的行为参量。两个方面：（1）使用性能——包括力学、物理、化学等方面的性能。金属的力学性能是指金属在外力作用下所表现出来的力学行为，宏观上一般表现为金属的变形和断裂。常用力学性能指标包括强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性和缺口敏感性等。（2）工艺性能——反应金属材料在被制成各种零件、构件和工具的过程中，材料适应各种冷、热加工的性能，主要包括铸造、压力加工、焊接、切削加工、热处理等方面的性能。1.金属材料的性能3金属材料的力学性能静载时材料的力学性能静拉伸试验（弹性和刚度、强度、塑性）硬度（布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度）动载时材料的力学性能冲击韧性（αKU）疲劳强度高温力学性能（蠕变、其它力学性能）4标准拉伸试样和实验方法静载时材料的力学性能金属的拉伸试验试样和试验方法，新标准为GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》，旧标准为GB6397-86《金属拉伸试验试样》和GB228-87《金属拉伸试验方法》。5强度(strength)材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。金属变形的三个阶段：ⅰ）弹性变形ⅱ）弹－塑性变形ⅲ）断裂6应力—应变曲线FesbkLFsFbO屈服弹性变形缩颈断裂塑性变形Fs7强度(strength)1、强度材料抵抗塑性变形和断裂的能力2、强度的指标(1)弹性极限σe材料由弹性变形过渡到塑性变形的应力σe=Fe/S0(MPa)当外加的应力超过弹性极限以后，材料便开始发生塑性变形。8强度(strength)（2）屈服强度σs把在外力不增加（出现平台）仍能继续伸长时的应力称为屈服点或屈服强度。σs=Fc/S0(MPa)（3）抗拉强度σs拉伸试验时试样拉断过程中最大试验力所对应的应力。σb=Fm/S0(MPa)当外加应力大于材料的抗拉强度时，材料发生断裂现象9强度(strength)103.塑性(plasticity)材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。（1）伸长率（specificelongation）（2）断面收缩(percentagereductioninarea)%10000LLLAu%10000SSSZu11拉伸试样的颈缩现象塑性的技术意义：（1）塑性良好是金属进行压力加工的必要条件；（2）塑性良好是材料安全使用的标志12在弹性变形阶段，应力与应变之间符合虎克定律所表示的正比关系，拉伸时：σ=Eε；剪切时：=GγE和G分别为拉伸弹性模量和切变模量。刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量E。弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，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。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。静载时材料的力学性能13材料抵抗局部塑性变形的能力硬度影响材料的切削加工性能、零件的耐磨性和使用性能测试方法：压入法主要采用两种硬度指标量：布氏硬度和洛氏硬度。布氏硬度计4.硬度(hardness)14布氏硬度（HB）试验规范：压头材料：淬火钢球或硬质合金球压头直径：10、5、2.5、1mm标准压力：一定压力(3000kgf)适用材料：未淬火钢、铸铁、有色金属)d-D-D(DP(kgf)2HB22)d-D-D(DP(N)2102.0HB2215布氏硬度（HBW）布氏硬度测量，适用于未经淬火钢、铸铁、有色金属及质地较软的轴承合金等材料。由于布氏硬度试验是所有硬度试验中压痕最大的一种试验方法，试验力最大达3000kgf,压痕不受试样显微组织偏析、晶粒粗大及成分不均匀的影响，能综合反映出材料的硬度性能，能最准确地反映出铸铁、铸钢、锻材等粗大晶粒材料的真实硬度。是一种高精度的硬度试验方法，克服了一般便携硬度计（如里氏硬度计）换算比对，误差很大的缺点。在冶金、锻造、铸造、未经淬火钢及有色金属等工业领域内广泛使用。静载时材料的力学性能16洛氏硬度洛氏硬度试验法是目前生产检验中应用最广泛的硬度试验方法。洛氏硬度试验原理与布氏硬度不同，它是用一个顶角为120˚的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球为压头，用初始载荷F1和主载荷F2两次将压头压入被测材料表面，经规定的保持时间后卸除主载荷F2，测量压痕深度，并经过计算得出硬度值。根据金属材料软硬程度不一，可选用不同的压头和载荷配合使用，测得的硬度值分别用不同的符号来表示。HR0.002Kh式中K为常数，用金刚石圆锥压头时，K=0.2mm；用淬火钢球压头时，K=0.26mm。静载时材料的力学性能洛氏硬度试验原理示意图Fh17常用洛氏硬度标尺的试验条件和应用范围标尺符号所用压头总载荷（kgf）测量范围（HR）应用范围HRA120˚金刚石圆锥6060~85硬质合金、淬火工具钢、表面硬化钢HRB1/16″（Φ1.588mm）钢球10025~100软钢、铜合金、铝合金、可锻铸铁HRC120˚金刚石圆锥15020~70淬火钢、调质钢、深层表面硬化钢洛氏硬度试验法优点：操作迅速简便，压痕较小，可在工件表面或较薄的金属上进行试验。缺点：压痕较小，对组织比较粗大且不均匀的材料，测得的硬度值重复性差，分散度大，另不同的标度测定的硬度值不能直接进行比较。静载时材料的力学性能采用不同的压头和总载荷组合作试验时，得到几种不同的洛氏硬度标度。其中最常用的是HRA﹑HRB和HRC三种18维氏硬度（HV）试验规范：压头材料：136°金刚石四棱锥标准压力：100kgf适用材料：软硬金属、陶瓷材料用HV表示维氏硬度广泛用来测定金属薄镀层或化学热处理后表面层的硬度，以及较小工件的硬度试验。1920冲击试验是一种动态力学试验，它是将一定形状及尺寸的试样放置在冲击试验机的固定支座上，然后将具有一定位能的摆锤释放，使试样在冲击弯曲负荷作用下断裂。用梅氏试样试验时，把冲断试样所消耗的功Ak（单位：J），除以试样断口处的横截面积FN（单位：cm2）所得的商称为冲击韧性（或冲击值），以ak表示。ak=（Ak/FN）kgf·m/cm2=（Ak/FN）J/cm2金属在常温下的冲击试验较为简便易行，其冲击韧性对材料的冶金质量﹑宏观缺陷﹑显微组织等十分敏感。它表示材料抵抗冲击载荷而不被破坏的能力动载时材料的力学性能215、冲击韧性(toughness)冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:αK＝Ak/FNAk=(GH1-GH2)单位：J或kg．m22Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果Titanic近代船用钢板冲击韧性是衡量零件在使用安全性，以及检测材料脆性断裂倾向的主要指标；塑性良好的材料其韧性也好23材料在交变载荷应力反复作用下不致断裂的能力.疲劳试验原理示意图6.疲劳强度24钢铁材料：循环次数达到107次时的最大应力作为疲劳强度；有色金属及其合金：循环次数达到108时的最大应力作为疲劳强度。σ-1=0.45～0.55σb动载时材料的力学性能疲劳曲线-1Nn21N1N2NnNc钢铁材料：107次非铁合金：108次251.2.物理、化学性能导电性导热性耐热性磁性热膨胀性相对密度熔点…物理性能耐蚀性耐候性高温抗氧化性…化学性能261.3.工艺性能1、铸造性能材料用铸造方法制成优良性能铸件的难易程度。汽缸体铸件端盖铸件铸造成形27锻造冲压锻件冲压件锻压成形2、塑性成形性能材料用压力加工方法加工或成型的难易程度。283、焊接性能材料用一般焊接方法焊成优良接头的难易程度。焊接示范焊接容器294、切削加工性能材料进行各种高质量切削加工的难易程度。数控铣床车床