1、第1章 工程材料的性能第第1 1章章 工程材料的性能工程材料的性能 第1章 工程材料的性能1.2 工程材料的物理性能和化学性能工程材料的物理性能和化学性能21.1 工程材料的性能工程材料的性能11.3 工程材料的工艺性能工程材料的工艺性能3第1章 工程材料的性能1.1 1.1 工程材料的力学性能工程材料的力学性能图图1-1 1-1 拉伸试样与应力拉伸试样与应力应变曲线应变曲线11低碳钢应力低碳钢应力应变曲线；应变曲线；22拉伸试样；拉伸试样；33拉断后试样拉断后试样第1章 工程材料的性能 图图1-11-1所示，以拉力所示，以拉力F F除以试样的原始截面除以试样的原始截面S S0 0所得出的应力
2、作为纵坐标，所得出的应力作为纵坐标，以伸长量以伸长量L L除以试样的原始长度除以试样的原始长度L L0 0所得出的应变作为横坐标，得到应力所得出的应变作为横坐标，得到应力应应变曲线。变曲线。由图由图1-11-1可知，应力可知，应力应变曲线中应变曲线中OPOP段为一条斜直线，此时应力与应变段为一条斜直线，此时应力与应变呈比例关系，呈比例关系，P P点所对应的应力为保持这种比例关系的最大应力，称为比例极点所对应的应力为保持这种比例关系的最大应力，称为比例极限，用限，用R Rp p表示。当工程材料的塑性变形不明显时，工程上通常将产生表示。当工程材料的塑性变形不明显时，工程上通常将产生0.2%0.2%
3、的的残余变形时的应力作为条件屈服极限残余变形时的应力作为条件屈服极限R Rp0.2p0.2。应力。应力应变曲线中应变曲线中OAOA为弹性变形为弹性变形阶段，此时，卸掉载荷试样将恢复到原来的长度，阶段，此时，卸掉载荷试样将恢复到原来的长度，A A点所对应的应力为工程材点所对应的应力为工程材料承受最大弹性变形时的应力，称为弹性极限，用料承受最大弹性变形时的应力，称为弹性极限，用R RA A表示。表示。第1章 工程材料的性能 在弹性变形范围内，应力与应变的比值称为弹性模量，用在弹性变形范围内，应力与应变的比值称为弹性模量，用E E表表示。它主要取决于工程材料本身，是工程材料的固有性质之一，其示。它主
4、要取决于工程材料本身，是工程材料的固有性质之一，其大小随温度的升高而降低。大小随温度的升高而降低。第1章 工程材料的性能1.1.1 1.1.1 强度强度 强度是指在外力作用下，工程材料抵抗变形和断裂的能力。其强度是指在外力作用下，工程材料抵抗变形和断裂的能力。其按外力作用性质不同可分为屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯按外力作用性质不同可分为屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。当承受拉力时，强度特性指标主要强度、抗剪强度、抗扭强度等。当承受拉力时，强度特性指标主要表现为屈服强度和抗拉强度。表现为屈服强度和抗拉强度。第1章 工程材料的性能强度强度 屈服强度屈服强度抗拉强
5、度抗拉强度在金属材料呈现屈服现象在金属材料呈现屈服现象时，在试验期间发生塑性时，在试验期间发生塑性变形而力不增加的应力点变形而力不增加的应力点应区分为上屈服强度和下应区分为上屈服强度和下屈服强度。屈服强度。图图1-11-1中的中的C C点所对应的应力为抗点所对应的应力为抗拉强度拉强度RmRm。它是指试样被拉断前。它是指试样被拉断前所承受的最大应力，反映了工程所承受的最大应力，反映了工程材料抵抗断裂破坏的能力，也是材料抵抗断裂破坏的能力，也是零件设计和工程材料评价的重要零件设计和工程材料评价的重要指标之一。指标之一。屈服强度与抗拉强度的比值称为屈服强度与抗拉强度的比值称为屈强比，其值一般在屈强比
6、，其值一般在0.650.650.750.75内。屈强比越小，工程材料内。屈强比越小，工程材料的可靠性越高；屈强比越大，工的可靠性越高；屈强比越大，工程材料的强度利用率越高，但可程材料的强度利用率越高，但可靠性降低。靠性降低。第1章 工程材料的性能 塑性是指工程材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。塑性是指工程材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。工程材料塑性好坏可通过拉伸试验来测定，工程材料的塑性指标一般工程材料塑性好坏可通过拉伸试验来测定，工程材料的塑性指标一般用伸长率和断面收缩率来评定，即用伸长率和断面收缩率来评定，即%100-00uLLLA%100-0u0SSSZ 式中，式中
7、，A A为断后伸长率；为断后伸长率；L Lu u为试样拉断后最终标距长度（为试样拉断后最终标距长度（mmmm）；）；L L0 0为试样为试样原始标距长度（原始标距长度（mmmm）；）；Z Z为断面收缩率；为断面收缩率；S S0 0为试样原始截面积（为试样原始截面积（mmmm2 2）；）；S Su u为试为试样拉断后最终截面积（样拉断后最终截面积（mmmm2 2）。）。1.1.2 1.1.2 塑性塑性第1章 工程材料的性能 硬度是工程材料抵抗其他物体压入其表面的性能。工程硬度是工程材料抵抗其他物体压入其表面的性能。工程材料硬度越高，其他物体压入其表面越困难。硬度是工程材材料硬度越高，其他物体压入
8、其表面越困难。硬度是工程材料的重要力学性能指标之一。工程上常用的硬度有料的重要力学性能指标之一。工程上常用的硬度有布氏硬度、布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度洛氏硬度和维氏硬度。1.1.3 1.1.3 硬度硬度第1章 工程材料的性能 1.1.布氏硬度布氏硬度 布氏硬度试验是在直径布氏硬度试验是在直径为为D D的钢珠上施加一定载荷的钢珠上施加一定载荷F F，使其压入工程材料表层，载使其压入工程材料表层，载荷保持规定的时间后卸载，荷保持规定的时间后卸载，得到一直径为得到一直径为d d的压痕，如的压痕，如图图1-21-2所示。载荷除以压痕所示。载荷除以压痕面积的值称为布氏硬度，用面积的值称为布氏硬度，用H
9、BHB表示。表示。图图1-2 1-2 布氏硬度试验原理图布氏硬度试验原理图第1章 工程材料的性能 2.洛氏硬度洛氏硬度 用锥顶角用锥顶角120的金刚石圆锥体或淬火钢球作为压头，在一定试验力的的金刚石圆锥体或淬火钢球作为压头，在一定试验力的作用下，将压头压入试样表面，经规定的保持时间后，卸除主试验力，根据作用下，将压头压入试样表面，经规定的保持时间后，卸除主试验力，根据残余压痕深度计算被测工程材料的硬度，如图残余压痕深度计算被测工程材料的硬度，如图1-3所示。所示。图图1-3 1-3 洛氏硬度试验原理图洛氏硬度试验原理图第1章 工程材料的性能 3.维氏硬度维氏硬度 维氏硬度试验是用两维氏硬度试验
10、是用两面夹角为面夹角为136的金刚石四的金刚石四棱锥体作为压头，在一定棱锥体作为压头，在一定载荷下，经规定的保持时载荷下，经规定的保持时间后卸载，得到一个正四间后卸载，得到一个正四方锥形压痕，如图方锥形压痕，如图1-4所示。所示。卸载后以压痕面积作为维卸载后以压痕面积作为维氏硬度，用氏硬度，用HV表示。表示。图图1-4 1-4 维氏硬度试验原理图维氏硬度试验原理图第1章 工程材料的性能 冲击韧性是工程材料在冲击载荷作用下表现出来的力学性能指标。工程冲击韧性是工程材料在冲击载荷作用下表现出来的力学性能指标。工程上常用摆锤冲击试验机来测定冲击韧性，如图上常用摆锤冲击试验机来测定冲击韧性，如图1-5
11、1-5所示。所示。图图1-5 1-5 冲击韧性试验原理图冲击韧性试验原理图11摆锤；摆锤；22试样；试样；33支座；支座；44底座；底座；55机身；机身；66刻度盘；刻度盘；77指针指针1.1.4 1.1.4 冲击韧性冲击韧性第1章 工程材料的性能冲击韧度是指冲断试样时，在缺口处单位面积上所消耗的冲击吸收功，即冲击韧度是指冲断试样时，在缺口处单位面积上所消耗的冲击吸收功，即kk0AaS a ak k为冲击韧度（为冲击韧度（J/cmJ/cm2 2）；）；A Ak k为摆锤对试样所做的功（为摆锤对试样所做的功（J J）；）；S S0 0为试样缺为试样缺口处横截面积（口处横截面积（cmcm2 2）第
12、1章 工程材料的性能 试样承受的交变应力试样承受的交变应力S S与断裂前应力循环次数与断裂前应力循环次数N Nf f之间的关系曲线，称为疲之间的关系曲线，称为疲劳曲线。如图劳曲线。如图1-61-6所示，当所示，当S S低于某一值时，曲线与横坐标平行，表示工程材低于某一值时，曲线与横坐标平行，表示工程材料可经无限次循环而不断裂，这一应力称为疲劳强度，用料可经无限次循环而不断裂，这一应力称为疲劳强度，用S Smaxmax表示。表示。图图1-6 1-6 疲劳曲线疲劳曲线1.1.5 1.1.5 疲劳强度疲劳强度第1章 工程材料的性能1.2 1.2 工程材料的物理性能和化学性能工程材料的物理性能和化学性
13、能 1.2.1 1.2.1 物理性能物理性能 工程材料的物理性能主要包括密度、熔点、热膨胀性、导热性、工程材料的物理性能主要包括密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。由于机器零件的用途不同，对物理性能的要求也导电性和磁性等。由于机器零件的用途不同，对物理性能的要求也不同。不同。第1章 工程材料的性能 工程材料的化学性能主要是指工程材料在一定的外界环境（常温工程材料的化学性能主要是指工程材料在一定的外界环境（常温和高温环境）下使用时，抵抗各种活性介质侵蚀的能力。它包括抗氧和高温环境）下使用时，抵抗各种活性介质侵蚀的能力。它包括抗氧化性、耐蚀性等。对于在腐蚀介质中或在高温下工作的零件，比其
14、在化性、耐蚀性等。对于在腐蚀介质中或在高温下工作的零件，比其在大气和常温下的腐蚀更为强烈。大气和常温下的腐蚀更为强烈。1.2.2 1.2.2 化学性能化学性能第1章 工程材料的性能 工程材料的工艺性能是指工程材料对各种加工工艺手段所表工程材料的工艺性能是指工程材料对各种加工工艺手段所表现出的难易程度。其按工艺方法的不同可分为铸造性能、锻造性现出的难易程度。其按工艺方法的不同可分为铸造性能、锻造性能、焊接性能和切削性能等。能、焊接性能和切削性能等。1.3 1.3 工程材料的工艺性能工程材料的工艺性能第1章 工程材料的性能 在设计零件和选择工艺方法时，都要考虑工程材料的工艺性能。在设计零件和选择工艺方法时，都要考虑工程材料的工艺性能。例如，灰铸铁的铸造性能和切削性能优良可广泛应用于制造铸件，例如，灰铸铁的铸造性能和切削性能优良可广泛应用于制造铸件，但其成形加工性和焊接性差，很难进行锻造和焊接；工程材料的硬但其成形加工性和焊接性差，很难进行锻造和焊接；工程材料的硬度对切削性能有很大的影响，不适于切削硬度太高和太低的工程材度对切削性能有很大的影响，不适于切削硬度太高和太低的工程材料；低碳钢的焊接性和成形加工性能优良；而高碳钢的焊接性和切料；低碳钢的焊接性和成形加工性能优良；而高碳钢的焊接性和切削加工性能却很差。削加工性能却很差。第1章 工程材料的性能
