常用工程材料

力学性能常用金属材料金属材料的腐蚀与防护常用非金属材料力学性能力学性能：指材料在外力作用下所表现出来的特征。常用的有强度、塑性、刚度、硬度、韧性、疲劳极限和耐磨性等指标。拉伸试验静载荷拉伸试验是生产和实验中最常用的力学性能检测和试验方法之一。材料的一些力学性能可以通过拉伸试验获得。通过拉伸试验所得的力学性能指标，在整个材料力学的强度计算中几乎都要用到。更重要的是，工程设计中所选用的材料力学性能指标大都是以拉伸试验为主要依据的。低碳钢的拉伸图全面而具体的反映了整个变形过程。采用退火低碳钢（标准拉伸试样）作为材料。拉伸试验试样试验前，将被测材料制成一定形状和尺寸的标准拉伸试样。长试样：l0=10d0短试样：l0=5d0l0为标距长度，d0为直径，规定d0=10mm。拉伸试验装置钢筋高速拉伸试验机拉伸试验装置电子拉伸试验机拉伸试验装置各向异性材料拉伸试验机拉伸试验曲线图FO∆Lpesbk应力𝜎=𝐹试样横截面积𝑆σOεpesbkOe•弹性变形阶段•Op段符合虎克定律es•弹性-塑性变形阶段•es段出现平台或锯齿s点产生屈服现象sb•形变强化阶段•试样发生均匀塑性变形bk•b点开始产生不均匀的集中塑性变形（颈缩）•k点时局部变形（颈缩）断裂应变𝘀=∆𝐿试样原始长度𝐿强度强度是指材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。若将断裂看成变形的极限，则可将强度称为变形的抵抗能力。强度比例强度抗拉强度屈服强度弹性强度强度比例强度σp：在弹性变形阶段，应力和应变关系完全符合虎克定律，极限应力即为比例强度，亦称比例极限。弹性强度σe：在完全卸载后不出现任何明显的微量塑性变形的极限应力值即为弹性强度，亦称弹性极限。屈服强度σs：在外力作用下，材料产生屈服现象时的应力值即为屈服强度，亦称屈服极限。抗拉强度σb：在受力过程中，材料所能承受的最大载荷Fb处对应的应力值即为抗拉强度，亦称抗拉极限。刚度刚度：指材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力，反应材料对弹性变形的抵抗能力，或称刚性指标。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。在𝜎−𝘀曲线上的弹性变形阶段，应力和应变关系完全符合虎克定律，即𝜎=𝐸𝘀则𝐸=𝜎𝜀把比例常数即应力与应变的比值𝐸称为材料的弹性模量，在数值上也等于该直线的斜率即tan𝛼。可见𝐸值越大，材料越不容易产生弹性变形，因此用弹性模量𝐸表示材料的刚度。塑性塑性：指材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力，即材料断裂前塑性变形的能力。塑性常用试样拉断后的伸长率𝛿和截面收缩率𝜓来表示。试样拉断后的总伸长量与原来标距长度比值的百分数称为伸长率，即𝛿=𝐿1−𝐿𝐿×100%试样受拉伸拉断后，其截面面积的缩减量与原截面面积比值的百分数称为截面收缩率，即𝜓=𝐴−𝐴1𝐴×100%塑性越强，𝛿值越大，𝜓值越大；塑性越弱，𝛿值越小，𝜓值越小；硬度硬度：是材料局部表面抵抗比它更硬的物体压入时所引起的塑性变形的能力。硬度是反应材料软硬程度的一种性能指标。它既可理解为是材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力，也可表述为材料抵抗残余变形和反破坏的能力。硬度不是一个简单的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。硬度试验方法静压法划痕法回跳法显微硬度高温硬度布氏硬度洛氏硬度压入法维氏硬度布氏硬度用直径为D（一般为10mm）的钢球或硬质合金球压头，以相应的试验载荷F（一般为3000kg）压入试样表面，保持规定的时间，卸载后测量试样表面的压痕直径d，计算出压痕球冠形表面积，进而得到所承受的平均应力值，即为布氏硬度值，符号为HB，单位为千克力/mm2（N/mm2）。具体试验时，硬度值可据实测的d按已知的F、D值查表求得。布氏硬度用淬火钢球作压头测得的硬度用符号HBS表示，适合于测量布氏硬度值小于450的材料，如HBS230。用硬质合金球作压头测得的硬度用符号HBW表示，适合于测量布氏硬度值450-650的材料，如HBW550。布氏硬度试验的优点是因压痕面积大，测量结果误差小，且与强度之间有较好的对应关系，故有代表性和重复性。但同时也因压痕面积大而不适宜于成品零件及薄而小零件的检验。布氏硬度（HB）一般用于材料较软的时候，如铸铁、有色金属及退火、正火和调质处理的钢材。洛氏硬度采用一定规格的压头，在一定载荷作用下压入试样表面，然后测定压痕的深度（以0.002mm作为一个硬度单位）来计算并表示的硬度值称为洛氏硬度，符号为HR。洛氏硬度当使用顶角为120°的金刚石圆锥压头、总载荷为588.4N时，表示为HRA，测量范围为HRA20~88，适用于测量高硬度表面、硬质合金等。当使用直径为1.5875mm的淬火钢球、总载荷为980.7N时，表示为HRB，测量范围为HRB20~100，适用于测量软钢、灰铸铁、有色金属等。当使用顶角为120°的金刚石圆锥压头、总载荷为1471N时，表示为HRC，测量范围为HRC20~70，适用于测量淬火回火钢。洛氏硬度应用最广泛，一般生产中HRC用得最多。洛氏硬度值越小说明试样硬度越大。维氏硬度用一个相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石压头，以相应的试验载荷（不大于120kg）压入试样表面，经保持规定的时间，卸载后在试样表面压出一个倒置的正四棱锥压痕，测量压痕两对角线长度，求其算术平均值，计算试样表面的压痕表面积，进而得到所承受的平均应力值，即为维氏硬度值，符号为HV。维氏硬度适用范围宽（HV5~1000），可以测从极软到极硬材料的硬度，尤其适用于极薄工件及表面薄硬层的硬度测量（如化学热处理的渗碳层、渗氮层等），其结果精确可靠。缺点是测量较麻烦，工作效率不如洛氏硬度高。维氏硬度韧性韧性：指材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力，也表示材料抵抗冲击载荷的能力，是材料强度和塑性的综合表现。韧性不足可用其反义词脆性来表达，韧性不足即说明不需要大的力或能量就可使材料发生断裂。冲击韧性：材料抵抗冲击载荷作用而不被断裂破坏的能力。评定材料韧性一般用冲击韧性。为了确定材料的冲击韧性值，常用一次摆锤冲击试验，用标准试样断裂后单位截面积所吸收的功来表示，即将冲击吸收功𝐾除以试样缺口处的横截面积𝑆的值，符号为𝑎𝐾，单位为J/cm2。𝑎𝐾=𝐾𝑆韧性摆锤式冲击试验原理图韧性摆锤式冲击试验机韧性特别注意：冲击韧度值是在大能量一次冲断试样条件下测得的性能指标。但实际生产中许多机械零件很少是受到大能量一次冲击而断裂，多数是在工作时承受小能量多次冲击后才断裂。材料在多次冲击下的破坏过程是裂纹产生和扩展的过程，是每次冲击损伤积累发展的结果，它与一次冲击有着本质的区别。疲劳极限疲劳：材料在交变载荷下经长时间工作，在小于其屈服强度甚至小于比例弹性强度的情况下，无显著外观变形而发生断裂的现象。大量工程实践与试验结果表明，构件疲劳与在静应力作用下的破坏决然不同，有以下四个明显特征：破坏时的名义应力值远小于材料的静强度指标。构件需要经历一定次数的应力循环后才发生破坏，即破坏有一个过程。破坏是脆性断裂，没有明显的塑性变形。既使塑性很好的材料，也是如此。构件的同一破坏断面，明显划分成光亮区域与颗粒状的粗糙区域。疲劳极限疲劳时应力远低于静载下材料的屈服强度或强度极限，因而屈服强度或强度极限已不能作为交变应力下的强度指标，需重新测定金属的疲劳强度指标。疲劳试验表明，在同一循环特征的交变应力下，循环次数随交变应力最大值的减小而增大，当减小到某一数值时，循环次数趋于无限大。材料经历无限次应力循环而不疲劳时的交变应力的最大应力，称为材料的疲劳极限（疲劳强度），或称持久极限，符号为σ-1。同一种材料的疲劳强度值的大小，因交变载荷的大小和交变频次不同而不一样。常用金属材料金属材料是目前应用最为广泛的工程材料，尤其是钢、铸铁、有色金属及其合金中的铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金应用更为广泛。本节以自学为主，要求掌握钢、铸铁和几种有色金属及其合金的分类与牌号的含义，并了解它们的性能及应用范围。钢钢主要是由铁元素（Fe）和碳元素（C）组成的合金。合金：指由一种金属元素与一种或几种金属元素或非金属元素组成的具有金属特性的物质。组成合金的最基本的、独立的单元为组元，简称元，合金中的组元可以是化学元素，也可以是化合物。钢的分类按化学成分不同分碳素钢低碳钢（含碳量小于0.25%）中碳钢（含碳量0.25%~0.6%）高碳钢（含碳量大于0.6%）合金钢低合金钢（合金元素含量小于5%）中合金钢（合金元素含量5%~10%）高合金钢（合金元素含量大于10%）钢的分类按质量等级分普通钢优质钢高级优质钢按主要用途分结构钢工具钢特殊性能钢专业用钢结构钢结构钢是品种最多、用途最广、使用量最大的一类钢，按其主要用途一般分为工程结构用钢和机械制造用钢（机械结构用钢）两大类。工程结构用钢：主要用于各种工程结构和机械产品中要求不高的结构零件，它们大多是普通质量钢，其冶炼较简单、成本低廉、工艺性能优良，可满足工程结构用钢量大的需要。机械制造用钢：主要用于制造各种机械零件，它们通常是优质钢或高级优质钢，性能要求一般比工程结构用钢高，通常须经热处理后使用。此类钢按其主要用途、热处理和性能特点不同，可分为表面硬化钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢和超高强度钢等。碳素结构钢普通碳素结构钢：碳含量较低，一般为0.06%~0.38%，对性能要求及硫、磷和其他残余元素含量的限制较宽。普通碳素结构钢主要保证力学性能，所以其牌号首先体现了力学性能。Q+屈服点数值+质量等级符号+脱氧方法符号Q195（215、235、255、275）A（B、C、D）F（b）如：Q235A、Q255AF优质碳素结构钢：因主要用于机械制造，必须同时保证化学成分和力学性能。牌号用两位数字表示，这两位数字表示钢中碳的平均质量分数为万分之几。45：表示平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。如：10、15F、20、35F、45、60F、75合金结构钢低合金结构钢：是在普通碳素结构钢的基础上添加合金元素而得到的，合金元素总量不超过5%，添加的合金元素主要是锰Mn，辅加合金元素为钒V、钛Ti、铝Al等。牌号体现了力学性能，屈服强度一般在300MPa以上。如：Q420合金结构钢：主要用于制造各种机械零件，其质量等级都属于特殊质量等级，大多数经热处理后才能使用。牌号：含碳量+合金元素的种类（元素）+合金元素含量首位数字表示碳的平均质量分数。对于结构钢，以万分数计，对于工具钢，以千分数计。合金元素的平均质量分数小于1.5%时含量不标，大于1.5%时取含量百分数的整数。如：合金弹簧钢60Si2Mn、滚动轴承钢GCr15SiMn工具钢工具钢是用于制造刃具、模具、量具等各类工具的钢种。碳素工具钢合金工具钢按化学成份分按使用性质和主要用途分类刃具钢量具钢模具钢碳素工具钢碳素工具钢是高碳钢牌号：T+数字T：碳字汉语拼音的第一个字母数字：碳的平均质量分数为千分之几如：T8碳素工具钢虽然价格低廉、加工容易，但综合力学性能不高，因此多用于手动工具或低速机用工具。合金工具钢合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入适量的合金元素的钢种。当碳含量小余1.0%时，合金工具钢的牌号前的数字（一位数）表示碳的平均质量分数为千分之几。当碳含量大于1.0%时，牌号前不标数字。后面的元素符号及数字表示合金元素的平均质量分数。不锈钢不锈钢牌号与合金钢基本相同。当碳的质量分数小于0.08%时，在牌号前冠以“0”。当碳的质量分数小于0.03%时，在牌号前冠以“00”。不锈钢是在碳素钢的基础上加入一些耐腐蚀的合金元素形成的，含碳量较低，加入的合金元素主要是铬Cr和镍Ni。如1Cr17Ni2、0Cr18Ni12MoTi。铸铁灰口铸铁灰铸铁牌号HT（灰铁）+最低抗拉强度（数值）六种灰铸铁：HT100、