1、 第一章第一章 材料的性能材料的性能 本章主要内容及要求：本章主要内容及要求：u理解工程材料力学性能、物理性能、化学性理解工程材料力学性能、物理性能、化学性 能和工艺性能的意义；能和工艺性能的意义；u掌握主要的力学性能指标，熟悉有关术语、掌握主要的力学性能指标，熟悉有关术语、符号含义及应用场合，并了解其测定方法；符号含义及应用场合，并了解其测定方法；重点重点：强度、塑性、硬度、冲击韧性：强度、塑性、硬度、冲击韧性材料的性能材料的性能定义定义:材料在材料在使用使用和和加工加工过程中表现出来的特性。过程中表现出来的特性。分类分类:材料的性能材料的性能使用性能使用性能工艺性能工艺性能铸造性能铸造性能
2、锻造性能锻造性能焊接性能焊接性能切削加工性能切削加工性能热处理性能热处理性能疲劳性能疲劳性能物理化学性能物理化学性能力学性能力学性能强度强度 塑性塑性硬度硬度冲击韧性冲击韧性耐磨性耐磨性第一节第一节 材料的力学性能材料的力学性能u 材料在材料在静载荷静载荷下的力学性能下的力学性能 强度、塑性强度、塑性 硬度硬度u 材料在材料在冲击载荷冲击载荷下的力学性能下的力学性能 冲击韧性冲击韧性u 材料在材料在疲劳载荷疲劳载荷下的力学性能下的力学性能 疲劳强度疲劳强度定义定义：指材料在：指材料在外力外力的作用下所表现出来的特性。的作用下所表现出来的特性。一、强度和塑性一、强度和塑性u 强度强度(stren
3、gth)指材料在外力的作用下，指材料在外力的作用下，抵抗变形和破断的能力抵抗变形和破断的能力。u 测试方法测试方法 静载拉伸试验法静载拉伸试验法u 塑性塑性(plasticity)指在外力作用下，材料指在外力作用下，材料产生塑性变形而不破断的能力产生塑性变形而不破断的能力。静载拉伸试验静载拉伸试验拉伸试验过程拉伸试验过程力力 伸长曲线伸长曲线FesbkLFsF Fb bO屈服屈服弹性弹性变形变形缩颈缩颈断裂断裂开始开始塑性塑性变形变形FeskLO颈缩现象颈缩现象1 1.强度指标强度指标u屈服强度屈服强度 ：材料在材料在屈服时屈服时(发生微量发生微量 （屈服极限）（屈服极限）塑性变形）的应力值。
4、塑性变形）的应力值。s)MPa(0SFSSu 抗拉强度抗拉强度 ：材料在材料在断裂前所能承受的断裂前所能承受的最大应力值最大应力值。b)MPa(0SFbb（强度极限）强度极限）)MPa(0SFeeu弹性极限弹性极限 ：试样保持试样保持纯弹性变形纯弹性变形的的 最大应力值。最大应力值。e 力力伸长曲线伸长曲线FesbkLFsF Fb bO强度的物理意义强度的物理意义表征材料在每个变形阶段的表征材料在每个变形阶段的应力极限值应力极限值。应应力：力：应应变变：几种材料典型的几种材料典型的曲线曲线（a a）无塑性变形的脆性材料（如铸铁、陶瓷）无塑性变形的脆性材料（如铸铁、陶瓷）（b b）有明显屈服点的
5、塑性材料（如低碳钢）有明显屈服点的塑性材料（如低碳钢）（c c）没有明显屈服点的塑性材料（如退火铝合金、调质的合金钢）没有明显屈服点的塑性材料（如退火铝合金、调质的合金钢）s(a)(b)(c)条件屈服强度条件屈服强度u对对没有明显的屈服现象的材料没有明显的屈服现象的材料，用，用试样试样标距长度产生标距长度产生0.2%塑性变形时的应力塑性变形时的应力值值作为该材料的屈服强度，用作为该材料的屈服强度，用0.2 表示，表示，称为称为条件屈服强度条件屈服强度。u作图法确定作图法确定：取取0.2作平行于曲作平行于曲线直线段的直线线直线段的直线与曲线的交点与曲线的交点B的应力的应力值为条件屈服强度值为条件
6、屈服强度0.2 0.2 与与 s 的意义相同！的意义相同！ABC2.0 0.2%2.0强强 度度 是是 零零 件件设计和选材的主要依据设计和选材的主要依据 当零件所受的工作应力：当零件所受的工作应力：e e时，材料只产生弹性变形；时，材料只产生弹性变形；e e S S（0.20.2）时，材料除发生弹性）时，材料除发生弹性变形外，还发生微量塑性变形；变形外，还发生微量塑性变形；S S(0.20.2)b b时，零件产生裂纹，最终断裂。时，零件产生裂纹，最终断裂。零件设计和选材的一般原则零件设计和选材的一般原则对工作条件不允许有微量塑性变形的零件，对工作条件不允许有微量塑性变形的零件，根据根据弹性极
7、限弹性极限e选材，如精密弹簧、炮筒。选材，如精密弹簧、炮筒。对工作条件不允许发生明显塑性变形的零件对工作条件不允许发生明显塑性变形的零件或构件，根据或构件，根据屈服强度值屈服强度值s(0.2)选材，大多选材，大多数机器可以预防事故发生。数机器可以预防事故发生。对无明显屈服现象的脆性材料，依据对无明显屈服现象的脆性材料，依据抗拉强抗拉强度度b选材。选材。2.2.塑性指标塑性指标u断面收缩率断面收缩率：指试样被拉断后，指试样被拉断后，横截面积的相对横截面积的相对 收缩量收缩量。010100%SSSu伸长率伸长率：又称：又称延伸率延伸率。指指试样拉断后的试样拉断后的相对伸长量相对伸长量。材料的力学性
8、能材料的力学性能提醒提醒：生产中，为了提高安全性，都要求零件具有一定生产中，为了提高安全性，都要求零件具有一定的塑性。的塑性。一般一般，伸长率达伸长率达5或或断面收缩率达断面收缩率达10的的材料材料，即可满足大多数零件的使用要求。，即可满足大多数零件的使用要求。说明说明：和和值值 材料的塑性材料的塑性 二、硬二、硬 度度u常用测试方法常用测试方法布氏硬度布氏硬度HBHB洛氏硬度洛氏硬度HRHR维氏硬度维氏硬度HVHV 静载压入法静载压入法u定义定义：指材料表面抵抗指材料表面抵抗局部塑性变形局部塑性变形的能的能 力，衡量材料的力，衡量材料的软硬软硬程度程度。是表征材料力学性能的综合参量。是表征材
9、料力学性能的综合参量。（一）布氏硬度（一）布氏硬度HB(Brinell-hardness)压头压头淬火钢球淬火钢球硬质合金球硬质合金球符号符号 HBS HBW范围范围HBS450450HBS650应用应用 退火和正火态钢、铸铁、退火和正火态钢、铸铁、有色金属等软材料的硬度。有色金属等软材料的硬度。布氏硬度值在布氏硬度值在 450650HBS的材料。的材料。备注：新国标统一采用备注：新国标统一采用HBW。布氏硬度试验原理布氏硬度试验原理v用一定直径的压头（球用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入体），以相应试验力压入待测表面，并保持规定时待测表面，并保持规定时间，卸载后，间，卸载后，测量材料
10、表测量材料表面压痕直径面压痕直径，以此计算出，以此计算出硬度值。硬度值。22(2dDDDPHB压头压头工件工件材料的力学性能材料的力学性能u 布氏硬度试验过程布氏硬度试验过程布氏硬度计布氏硬度计 布氏硬度值的布氏硬度值的 表示方法：表示方法：硬度值放在硬度值放在HBS或或HBW符号之前。符号之前。例如：例如：120HBS布氏硬度特点布氏硬度特点优点优点：缺点缺点：应用应用：压痕大，测量误差小，数据稳定，压痕大，测量误差小，数据稳定，重复性强重复性强。压痕面积较大，测量费时。压痕面积较大，测量费时。不适不适于测量于测量成品零件或薄件的硬度。成品零件或薄件的硬度。常用于常用于测量较软材料测量较软材
11、料，如灰铸铁、，如灰铸铁、有色金属、退火正火钢材的硬度。有色金属、退火正火钢材的硬度。v实验原理实验原理：用锥顶角为用锥顶角为120的的金刚石圆锥金刚石圆锥或直径或直径1.588mm的的淬火钢球淬火钢球，以相应试验力（预载，以相应试验力（预载荷主载荷）压入待测表面，保荷主载荷）压入待测表面，保持规定时间持规定时间,卸载后（卸除主载卸载后（卸除主载荷），测量的残余压痕深度增量，荷），测量的残余压痕深度增量，计算出硬度值。计算出硬度值。实验过程实验过程（二）洛氏硬度（二）洛氏硬度HR (Rockwll hardness)洛氏硬度值的表示洛氏硬度值的表示u 7085HRAu 25100HRBu 20
12、70HRC例如：例如：50HRC 40HRC vHRA、HRB、HRC分别测得的硬度，分别测得的硬度，不不可直接比较大小可直接比较大小。洛氏硬度特点及应用洛氏硬度特点及应用优点优点：操作简单，方便，压痕小，测量范围大，操作简单，方便，压痕小，测量范围大，可用于可用于测量较薄件和成品件测量较薄件和成品件。缺点缺点：精度较低，不同标度的硬度值不能比较，精度较低，不同标度的硬度值不能比较，不适于不适于测量组织不均匀材料测量组织不均匀材料。HRA:硬质合金、表面淬火层或渗碳层；硬质合金、表面淬火层或渗碳层；HRB:有色金属、铸铁、退火和正火态钢等有色金属、铸铁、退火和正火态钢等；HRC:调质态钢、淬火
13、态钢等调质态钢、淬火态钢等。应用应用：（见表）：（见表）课 堂 练 习 入库钢材入库钢材、淬火车刀淬火车刀、调质处理的主轴调质处理的主轴、（HBS或或HRB）（HRC)（HRC）有色金属、灰口铸铁有色金属、灰口铸铁，各用什么方法测量，各用什么方法测量 （HBS或或HRB）其硬度其硬度，写出硬度符号。，写出硬度符号。三、冲击韧性三、冲击韧性（韧度，韧度，toughness）u 定义：定义：在在冲击载荷冲击载荷作用下，材料抵抗破断的能力。作用下，材料抵抗破断的能力。u 测定方法：测定方法：一次摆锤冲击试验法一次摆锤冲击试验法u 衡量指标：衡量指标：冲击韧性冲击韧性aku 物理意义物理意义:试样在冲
14、断时，单位横截面积上所消试样在冲断时，单位横截面积上所消 耗的冲击功耗的冲击功AK，单位为，单位为J/cm2 aK值越大值越大，表示材料的冲击韧性越好，表示材料的冲击韧性越好。材料的性能材料的性能 一次摆锤冲击试验一次摆锤冲击试验冲击韧性：冲击韧性：)/(20cmJsAakk冲击功：冲击功：)(hHmgAk应应 用用l评价材料冶金质量和锻造及热处理的缺陷；评价材料冶金质量和锻造及热处理的缺陷；l与屈服强度结合用于一般零件抗断裂设计；与屈服强度结合用于一般零件抗断裂设计；l测量金属材料的冷脆转变温度。测量金属材料的冷脆转变温度。T，ak急剧急剧，韧性，韧性脆性。脆性。v冷脆转变温度越低冷脆转变温
15、度越低，材料的低，材料的低温冲击韧性愈好温冲击韧性愈好。vaK 值一般不直接用于计算。值一般不直接用于计算。原因原因：不同材料的不同材料的aK值可以是相同的。值可以是相同的。u Titanic沉没原因：沉没原因：与船体材料的质量直接有关。与船体材料的质量直接有关。冰山撞击船体产生断裂！冰山撞击船体产生断裂！材料的使用温度应高于其冷脆转变温度材料的使用温度应高于其冷脆转变温度。l Titanic 号钢板（左图）和号钢板（左图）和现代船用钢板（右图）的冲击试验结果：现代船用钢板（右图）的冲击试验结果：Titanic现代船用钢板现代船用钢板 主要力学性能指标的应用主要力学性能指标的应用l弹性指标弹性
16、指标：设计弹性零件时，需考虑弹性极设计弹性零件时，需考虑弹性极 限，限，如各类弹簧和弹性元件等。如各类弹簧和弹性元件等。l屈服强度和塑性屈服强度和塑性：一般零件的抗断裂设计。一般零件的抗断裂设计。l硬度硬度：设计耐磨零件时，必须考虑的性能指标，设计耐磨零件时，必须考虑的性能指标，如滚动轴承等。如滚动轴承等。l冲击韧性冲击韧性：零件工作中，承受冲击载荷，如汽零件工作中，承受冲击载荷，如汽车齿轮、弹簧、冲压模具等。车齿轮、弹簧、冲压模具等。第二节第二节 材料的工艺性能材料的工艺性能u铸造性能：铸造性能：衡量指标是合金的流动性、收缩性、偏析等衡量指标是合金的流动性、收缩性、偏析等u锻压性能：衡量锻压
17、性能：衡量指标是塑性和变形抗力指标是塑性和变形抗力u焊接性能：焊接性能：对低合金结构钢可以用碳当量来衡量对低合金结构钢可以用碳当量来衡量u切削加工性能：工件切削加工性能：工件材料的可加工性材料的可加工性u热处理性能：热处理性能：主要考虑淬透性主要考虑淬透性,即钢接受淬火的能力即钢接受淬火的能力本本 章章 小小 结结1.1.强度、塑性、硬度、韧性指标符号强度、塑性、硬度、韧性指标符号及含义。及含义。2.2.零件设计时，常用的强度指标零件设计时，常用的强度指标3.3.各种硬度测量方法和适用范围各种硬度测量方法和适用范围一、填一、填 空空1.机械设计时，常用机械设计时，常用 和和 两种强度指标。两种
18、强度指标。2.屈强比是指屈强比是指 与与 之比。之比。3.金属材料常用的力学性能指标有：抗拉强度，用金属材料常用的力学性能指标有：抗拉强度，用 表示；屈服强表示；屈服强度，用度，用 表示；硬度，常用表示；硬度，常用 和和 ；常用塑性指标；常用塑性指标有有 和和 ；冲击韧性，用；冲击韧性，用 表示。表示。二、判断题二、判断题1.材料硬度越低，其切削加工性能就越好。材料硬度越低，其切削加工性能就越好。2.材料的弹性越好，其塑性也愈好。材料的弹性越好，其塑性也愈好。3.硬度是表征金属材料力学性能的一个综合参量，因此零件图纸上常对硬度是表征金属材料力学性能的一个综合参量，因此零件图纸上常对硬度指标提出
19、要求。硬度指标提出要求。4.材料的使用温度应高于其冷脆转变温度。材料的使用温度应高于其冷脆转变温度。课堂练习课堂练习 三、选择题三、选择题1.1.在低碳钢拉伸应力在低碳钢拉伸应力应变曲线上对应的最大应力值称为应变曲线上对应的最大应力值称为（）。A A.弹性极限弹性极限 B.B.屈服强度屈服强度 C.C.抗拉强度抗拉强度 D.D.断裂强度断裂强度2.2.材料开始发生塑性变形的应力值称为材料的材料开始发生塑性变形的应力值称为材料的（）。A A.弹性极限弹性极限 B.B.屈服强度屈服强度 C.C.抗拉强度抗拉强度 D.D.断裂强度断裂强度3.3.测量硬度较高的钢件（如淬火钢件）的硬度时，一般应采用（测量硬度较高的钢件（如淬火钢件）的硬度时，一般应采用（）。）。A.HBS B.HRB C.HRC 4.4.一般，钢材易于进行切削加工的硬度范围为（一般，钢材易于进行切削加工的硬度范围为（）。）。A.250HBS C.(180250)HBS D.（6070）HRC5.5.下列硬度表示方法正确的是（下列硬度表示方法正确的是（）。A.200HRC B.60HRC C.HRC180 D.HBS250 E.220HBS
