第一章金属材料的力学性能

第一章工程材料的分类与性能1.1工程材料的分类一、按来源分为天然材料和人工材料二、接用途分为结构材料和功能材料结构材料以力学性能为主，主要用于机械工程和建筑行业中。功能材料以特殊的物理、化学性能为主，具有声、光、电、磁和热等功能和效应的材料。声——隔音材料光——光纤三、按化学性质分为电——半导体材料，如二极管、晶体管等用于集成电路和通讯设备中磁——磁性材料，磁性是物质普遍存在的属性。通过磁光、磁电或磁热效应应用于各类功能器件的材料。主要用于信磁性材料：只可以息记录和存储。是计算机外围设备的关键材料，也是软件和信息库的基础，用作磁记录介质。如，磁带、磁卡、磁盘等。四、工程材料的常见分类1、金属材料（钢铁、非铁金属材料及其合金）2、高聚物材料（塑料、橡胶、合成纤维、涂料等）3、无机非金属材料（水泥、玻璃、陶瓷材料、耐火材料）4、复合材料（金属基、陶瓷基、树脂基、金属间化合物基）复合材料——由两种或两种以上、具有明显界面和特殊性能的人工合成的多相固体材料。组成包括基体和增强相。例如，玻璃钢（基体：树脂+增强相：玻璃纤维），具有高的比强度，密度小，耐热，耐绝缘。主要用于轴承，轴承架，齿轮，车身。五.工程材料的性能使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。1.2材料的力学性能材料的力学性能主要有：强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳极限和断裂韧度。（一）强度的概念（二）强度的测定——拉伸实验（三）强度指标一、强度返回上一页下一页回主页（一）强度的概念1.定义指金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力。载荷的类型通常分为：静载荷、动载荷和变载荷。弹性变形：卸去载荷后，试样能恢复到原状的变形。塑性变形：卸去载荷后，试样不能恢复到原状的变形。2.应用强度是机械零件（或工程构件）在设计、加工、使用过程中的主要性能指标，特别是选材和设计的主要依据。返回上一页下一页回主页（二）强度的测定——拉伸实验1.拉伸试样（GB6397-86）和拉伸试验机2.力—伸长曲线（以低碳钢试样为例）3.脆性材料的拉伸曲线返回上一页下一页回主页1.拉伸试样（GB6397-86）长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0返回上一页下一页回主页拉伸试验机2.力——伸长曲线弹性变形阶段屈服阶段颈缩现象拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。强化阶段返回上一页下一页回主页拉伸试样的颈缩现象ΔLF03.脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。返回上一页下一页回主页低碳钢的拉伸曲线脆性材料的拉伸曲线（三）强度指标2.屈服点在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续伸长时的应力，用符号σs表示。返回上一页下一页回主页1.弹性极限材料产生完全变形时所承受的最大应力值，用符号σe表示。FsA0σs=计算公式脆性材料（如高碳钢或经过热处理后的钢）的屈服点（规定残余伸长应力）：试样卸除载荷后，其标距部分的残余伸长率达到试样标距长度的0.2%时的应力，用符号σ0.2表示。返回上一页下一页回主页F0.2A0σ0.2=应用：σs和σ0.2常作为零件选材和设计的依据。3.抗拉强度材料在断裂前所能承受的最大应力，用符号σb表示。σb=FbA0计算公式应用：脆性材料制作机械零件和工程构件时的选材和设计的依据。返回上一页下一页回主页（二）衡量指标二、塑性金属材料断裂前发生永久变形的能力。塑性的测定——拉伸实验断面收缩率：断后伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。返回上一页下一页回主页（一）定义断后伸长率（δ）l1-l0l0×100%δ=l1——试样拉断后的标距,mm;l0——试样的原始标距,mm。返回上一页下一页回主页断面收缩率（Ψ）S0-S1S0Ψ=×100%S0——试样原始横截面积,mm2；S1——颈缩处的横截面积,mm2。返回上一页下一页回主页三、硬度返回上一页下一页回主页（一）定义材料抵抗表面局部塑性变形的能力。（二）分类按照压力法，有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度等。(1)原理布氏硬度=FA凹=2FπD[D-（D²-d²）½]１．布氏硬度返回上一页下一页回主页（2）应用测量比较软的材料。测量范围HBS450、HBW650的金属材料。返回上一页下一页回主页压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。（3）优缺点布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。材料的b与HB之间的经验关系：对于低碳钢:b(MPa)≈3.6HB对于高碳钢:b(MPa)≈3.4HB对于铸铁：b(MPa)≈1HB或0.6(HB-40)返回上一页下一页回主页（1）原理2.洛氏硬度返回上一页下一页回主页加初载荷加主载荷卸除主载荷读硬度值洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计（2）应用范围20~671500N120°金刚石圆锥体HRC25~1001000N1.588mm钢球HRB70~85600N120°金刚石圆锥体HRA返回上一页下一页回主页常用洛氏硬度标度的试验范围优点：操作简便、迅速，效率高，可直接测量成品件及高硬度的材料。（3）优缺点缺点：压痕小，测量不准确，需多次测量。返回上一页下一页回主页3.维氏硬度维氏硬度试验原理维氏硬度计维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。根据施加的载荷范围不同，规定了三种维氏硬度的测定方法—维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点，既可测量由极软到极硬的材料的硬度，又能互相比较。既可测量大块材料、表面硬化层的硬度，又可测量金相组织中不同相的硬度。四、冲击韧度金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。（三）冲击试验原理及方法（一）定义（二）冲击试样返回上一页下一页回主页计算公式Ak=GH1-GH2=G（H1-H2）试验原理：试样被冲断过程中吸收的能量即冲击吸收功（Ak）等于摆锤冲击试样前后的势能差。返回上一页下一页回主页试验过程如图所示。冲击韧度（ak）：冲击吸收功除以试样缺口处截面积。建造中的Titanic号Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果五、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）六、断裂韧性北极星导弹1943年美国T-2油轮发生断裂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，单位为第三节材料的其他性能一、物理性能1.密度和熔点密度：单位体积内材料的质量。熔点：材料的熔化温度。金属都有固定的熔点，非金属材料如高分子材料没有固定的熔点。2.电学性能导电性R＝ρL／S电阻率：ρ电导率：1/ρ超导体：ρ——0导体：ρ=10-8-10-5半导体：ρ=10-5-107绝缘体：ρ=107-10223.热学性能材料的热学性能与原子和自由电子的能量交换密切相关。热膨胀――原子（或分子）受热后平均振幅增加（1）体积膨胀系数β（2）线膨胀系数α结合键越强则原子间作用力越大，原子离开平衡位置所需的能量越高，则膨胀系数越小。热传导――自由电子的运动和晶格振动。导热系数λ：单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量：热容――材料在温度升高10C时所吸收的热量叫做热容。一克物质的热容也叫比热。4.磁性（1）物质接磁性分类：抗磁性物质顺磁性物质铁磁性物质（2）磁化率磁化强度M＝X·HX：磁化率（或磁化系数）（3）导磁率B＝μ·H（μ：介质导磁率）（4）磁弹回线和矫顽力二、材料的化学性能（1）金属腐蚀的基本过程化学腐蚀、电化学腐蚀（2）防止金属腐蚀的途径1）提高耐腐蚀性2）覆盖法3）改善环境4）阴极保护法１.耐蚀性２.抗氧化性三、工艺性能1、铸造性能2、锻造性能3、焊接性能4、切削加工性能