材料性能及應(yīng)用意義

1、第一章 材料性能及應(yīng)用意義 材料的性能是一種參量，用于表征材料在給定的外界條件下所表現(xiàn)出來(lái)的行為。材料本身是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，它包含材料的化學(xué)成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此可以說(shuō)，材料的化學(xué)成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)是性能的內(nèi)部依據(jù)，而性能則是指確定成分和結(jié)構(gòu)的材料的外部表現(xiàn)。 這里的結(jié)構(gòu)是一個(gè)廣泛的概念，它包括原子結(jié)構(gòu)、結(jié)合鍵、原子排列方式（晶體、非晶體與晶體缺陷）以及組織（顯微組織與宏觀組織）等四個(gè)層次。第一節(jié) 材料性能依據(jù) 材料性能依據(jù) 由于材料的性能一般必須量化表示，因而它通常是依照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定通過(guò)不同的試驗(yàn)來(lái)測(cè)定表述的，這便是我們從材料手冊(cè)或設(shè)計(jì)資料上獲得的性能參數(shù)。實(shí)際工件的性能當(dāng)然首先取決于材料的性能，但須

2、考慮到工件的形狀尺寸、加工工藝過(guò)程和使用條件對(duì)其重要的影響。 材料科學(xué)與工程是依據(jù)“工藝結(jié)構(gòu)性能”這條思路去控制或改造材料的性能，即工藝決定結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)決定性能。在此，“結(jié)構(gòu)”是慣用的“成分、結(jié)構(gòu)”的簡(jiǎn)稱(chēng)：“工藝”則主要是指材料的制備和加工工藝，但也應(yīng)考慮材料在使用過(guò)程中結(jié)構(gòu)的可能變化以及由此而對(duì)性能產(chǎn)生的影響。第二節(jié) 材料的使用性能 力學(xué)性能是指材料在載荷（外力）作用下所表現(xiàn)出的行為。通過(guò)不同的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)測(cè)定的相關(guān)參量的臨界值或規(guī)定值，即可作為力學(xué)性能指標(biāo)。一、 力 學(xué) 性 能 材料的變形與斷裂是其受到外力作用時(shí)所表現(xiàn)出的普遍力學(xué)行為，試驗(yàn)測(cè)定的力學(xué)性能指標(biāo)也很多。常用的力學(xué)性能有:（一）強(qiáng)度（

3、二）塑性（三）剛度（四）彈性（五）硬度（六）韌性（七）疲勞性能（八）耐磨性 固體材料中，由原子、離子、電子及它們之間的相互作用所反映出現(xiàn)的物理性能，不僅對(duì)工程材料的選用有著重要的意義，而且也會(huì)對(duì)材料的加工工藝產(chǎn)生一定的影響。這里簡(jiǎn)單介紹工程上常用物理性能的一般概念。二、 物 理 性 能 物 理 性 能 單位體積的物質(zhì)質(zhì)量稱(chēng)為密度（單位g/cm3或t/m3）。一般而言，金屬材料具有較高的密度（如鋼鐵密度為7.8t/m3），陶瓷材料次之，高分子材料最低。金屬材料中，密度在4.5t/m3之下的稱(chēng)為輕金屬，其中鋁（2.7t/m3）為典型代表。（一）密 度 物 理 性 能 1.熔點(diǎn) 熔點(diǎn)反映了材料由固態(tài)

4、變?yōu)橐簯B(tài)的特征溫度。 2.熱容 材料熱容定義為溫度每升高1K所需的熱量，記作C，單位J/K；比熱容（簡(jiǎn)稱(chēng)比熱，記作c）則是指單位質(zhì)量物質(zhì)的熱容。（二）熱學(xué)性能 物 理 性 能 3.熱膨脹 因溫度的升降而引起材料體積膨脹或收縮的現(xiàn)象稱(chēng)之為熱脹冷縮。絕大多數(shù)固體材料都有此特性。 4.熱傳導(dǎo)熱能由高溫區(qū)向低溫區(qū)傳輸?shù)默F(xiàn)象即稱(chēng)為熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）。表征材料熱傳導(dǎo)性能的指標(biāo)有導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）（單位為W/（mK）和傳熱系數(shù)k（單位為（W/（m2K）。（二）熱學(xué)性能 物 理 性 能 1.電阻率 電阻率（單位為m）是最基本的電學(xué)性能參數(shù)，它衡量了材料的導(dǎo)電能力（也可用電導(dǎo)率表示）。（三）電學(xué)性能 物 理 性 能

5、 2.電阻溫度系數(shù) 材料的導(dǎo)電能力隨溫度的變化而變化。一般金屬材料的電阻率隨溫度升高而增加，即具有正電阻溫度系數(shù)；某些金屬材料（如Sn、Zn、Hg等）在接近熱力學(xué)溫度0K附近時(shí)的某一臨界溫度Tc時(shí)，電阻突然消失，此即為超導(dǎo)電現(xiàn)象。（三）電學(xué)性能 物 理 性 能 3.介電性 能把帶電導(dǎo)體分開(kāi)并能長(zhǎng)期經(jīng)受電場(chǎng)作用的絕緣材料稱(chēng)為介電材料，表征介電性的參數(shù)有介電常數(shù)、介電強(qiáng)度、介質(zhì)損耗等。（三）電學(xué)性能 物 理 性 能 1.磁導(dǎo)率 磁導(dǎo)率（單位為H/m）表示材料在單位磁場(chǎng)強(qiáng)度的外磁場(chǎng)作用下材料內(nèi)部的磁通量密度。相對(duì)磁導(dǎo)率r則是指材料磁導(dǎo)率與真空磁導(dǎo)率0之比。（四）磁學(xué)性能 物 理 性 能 2.飽和磁化

6、強(qiáng)度Ms和磁矯頑力Hc 鐵磁性材料所能達(dá)到的最大磁化強(qiáng)度叫做飽和磁化強(qiáng)度，Ms越大，鐵磁性越強(qiáng)。鐵磁性材料經(jīng)飽和磁化后，除去外磁場(chǎng)，仍能保留一定程度的磁化即剩磁現(xiàn)象，要使剩磁為零（即退磁），則須加上一反向磁場(chǎng)Hc，此即磁矯頑力。（三）電學(xué)性能三、 化 學(xué) 性 能 材料在生產(chǎn)、加工和使用時(shí)，均會(huì)與環(huán)境介質(zhì)（如大氣，海水，各種酸、堿、鹽溶液，高溫等）發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)變化，從而使其性能惡化或功能喪失，其中腐蝕問(wèn)題最為普遍、重要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在發(fā)達(dá)國(guó)家因腐蝕而造成的直接與間接經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)國(guó)民收入的5%以上?；?學(xué) 性 能 腐蝕是指材料表面與周?chē)橘|(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)反應(yīng)或物理溶解而引起的表面損傷現(xiàn)象。由這

7、三種作用引起的腐蝕相應(yīng)地稱(chēng)為化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕和物理腐蝕，其中物理腐蝕（如鋼鐵在液態(tài)鋅中的溶解）因在工程上較少見(jiàn)，不太重要。故這里主要介紹化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕的概念與防腐蝕措施。 化 學(xué) 性 能 化學(xué)腐蝕是指材料與周?chē)橘|(zhì)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但反應(yīng)過(guò)程中不產(chǎn)生電流的腐蝕過(guò)程，如金屬材料在干燥氣體中和非電解質(zhì)溶液中的腐蝕，陶瓷材料在某些介質(zhì)中的腐蝕等。（一）化學(xué)腐蝕 化 學(xué) 性 能 電化學(xué)腐蝕是指材料與電解質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，并伴有電流產(chǎn)生的腐蝕過(guò)程。陶瓷材料和高分子材料一般是絕緣體，故通常不發(fā)生電化學(xué)腐蝕，而金屬材料的電化學(xué)腐蝕則極其普遍，是腐蝕研究的主要對(duì)象。（二）電化腐蝕 化 學(xué) 性 能 提

8、高耐化學(xué)腐蝕性（主要指抗氧化性）的措施有： 選擇抗氧化材料，如耐熱鋼、耐熱鑄鐵、耐熱合金、陶瓷材料等；進(jìn)行表面處理，如表面鍍層、表面涂層（熱噴涂鋁、陶瓷等）。（三）提高零件耐蝕性的主要措施 化 學(xué) 性 能 提高耐電化學(xué)腐蝕的措施有： 選擇耐蝕材料，如不銹鋼、銅合金、陶瓷材料、高分子材料等；進(jìn)行表面處理，如鍍層（Ni、Cr）、熱噴涂陶瓷、噴涂塑料與涂料等；電化學(xué)保護(hù)，如犧牲陽(yáng)極保護(hù)法；加緩蝕劑以降低電解質(zhì)的電解能力，如在含氧水中加入少量重鉻酸鉀等。（三）提高零件耐蝕性的主要措施第三節(jié) 材料的工藝性能 將熔煉好的液態(tài)金屬澆注到與零件形狀相適應(yīng)的鑄型空腔中，冷卻后獲得鑄件的方法稱(chēng)為鑄造。鑄造性能通常

9、包括流動(dòng)性、收縮、疏松、成分偏析、吸氣性、鑄造應(yīng)力及冷熱裂紋傾向等。一、 鑄 造 性 能二、 鍛 造 性 能 鍛造性能又稱(chēng)塑性加工性能，它是指利用材料的可塑性，借助外力的作用產(chǎn)生變形從而獲得所需形狀、尺寸和一定組織性能的零件，通常用材料的塑性（塑性變形能力）和強(qiáng)度（塑性變形抗力）及形變強(qiáng)化能力來(lái)綜合衡量。金屬材料一般具有良好的塑性，故可通過(guò)各種塑性加工方法制成所需形狀、尺寸的零件，這是金屬材料應(yīng)用最廣泛的重要原因。三、 焊 接 性 能 焊接是材料的連接成形方法之一，廣泛地用于連接金屬材料。材料的焊接性能是指被焊材料在一定的焊接條件下獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度，它包括兩個(gè)主要方面：其一是焊接接頭

10、產(chǎn)生缺陷的傾向性（如各種焊接裂紋、氣孔等），其二是焊接接頭的使用可靠性（如強(qiáng)度、韌性等）。四、 切削加工性能 材料進(jìn)行各種切削加工（如車(chē)、銑、刨、鉆、鏜等）時(shí)的難易程度稱(chēng)為切削加工性能。切削是一種復(fù)雜的表面層現(xiàn)象，牽涉到摩擦及高速?gòu)椥宰冃?、塑性變形和斷裂等過(guò)程，因此切削的難易程度與許多因素有關(guān)。評(píng)定材料的切削加工性能也是比較復(fù)雜的，一般用材料被切削的難易程度、切削后表面粗糙度和刀具壽命等幾方面來(lái)衡量。五、 熱處理性能 熱處理是改變材料性能的主要手段。在熱處理過(guò)程中，材料的成分、組織、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化從而引起了成分結(jié)構(gòu)敏感性參數(shù)的改變。熱處理性能則是指材料熱處理的難易程度和產(chǎn)生熱處理缺陷的傾向，其衡

11、量的指標(biāo)或參數(shù)很多，如淬透性、淬硬性、耐回火性、回火脆性、氧化與脫碳傾向及熱處理變形與開(kāi)裂傾向等，本課程將重點(diǎn)對(duì)此討論。第四節(jié) 材料的環(huán)境性能 材料一般都在大氣、土壤和水等環(huán)境介質(zhì)或自然介質(zhì)中使用，即工況環(huán)境和自然環(huán)境。材料在與環(huán)境介質(zhì)的交互作用過(guò)程中，發(fā)生能量或物質(zhì)交換而失效，如金屬材料的腐蝕、高分子材料的老化等。材料的環(huán)境適應(yīng)性即是指材料適應(yīng)其環(huán)境而抵抗失效的能力，使環(huán)境因素對(duì)材料力學(xué)性能、物力性能、化學(xué)性能及至工藝性能的影響行為的表征。一、 材料的環(huán)境適應(yīng)性二、 材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性 材料工業(yè)是社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，然而在材料的制備、生產(chǎn)、使用及廢棄的過(guò)程中，消耗大量的能源與資源，同時(shí)也造成

12、了環(huán)境的惡化。環(huán)境協(xié)調(diào)性是指材料工程的全過(guò)程中，資源、能源消耗少，環(huán)境污染小，再生循環(huán)利用率高等特性。同時(shí)具備較好的功能性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境協(xié)調(diào)性的材料即為環(huán)境材料，它是人類(lèi)主動(dòng)考慮材料對(duì)環(huán)境的影響而開(kāi)發(fā)的材料，充分體現(xiàn)了人類(lèi)、社會(huì)、自然三者相互和諧發(fā)展的新理念，是材料產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路，更是社會(huì)與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵與基礎(chǔ)，符合科學(xué)發(fā)展觀戰(zhàn)略。第一章第一章 結(jié)束結(jié)束! !（一）強(qiáng)度 廣義的強(qiáng)度是指材料在外力作用下對(duì)變形與斷裂的抵抗能力，若將斷裂看成變形的極限，則可將強(qiáng)度簡(jiǎn)稱(chēng)為變形的抵抗能力，通常強(qiáng)度是依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB63971986）的規(guī)定進(jìn)行靜拉伸試驗(yàn)得的。（二）塑性 塑性是指材料在外

13、力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力，即材料斷裂前的塑性變形的能力，如在拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲等外力作用下所產(chǎn)生的伸長(zhǎng)、縮短、扭曲、彎曲等都可用來(lái)表示材料的塑性。但材料的塑性一般是在靜拉伸試驗(yàn)中測(cè)定的，常用試樣拉斷后的伸長(zhǎng)程度（伸長(zhǎng)率）和斷面的收縮程度（斷面收縮率）來(lái)表示。由于伸長(zhǎng)率測(cè)定較方便，故工程上應(yīng)用較廣。但考慮到材料塑性變形時(shí)可能有縮頸行為，故斷面收縮率能較真實(shí)地反映材料的塑性好壞。（三）剛度 絕大多數(shù)機(jī)器零件在工作時(shí)基本上都是處于彈性變形階段，即均會(huì)發(fā)生一定量的彈性變形。但若彈性變形量過(guò)大，則工件也不能正常工作，由此引出了材料對(duì)彈性變形的抵抗能力剛度（或剛性）指標(biāo)。如果說(shuō)強(qiáng)度保證了材料

14、不發(fā)生過(guò)量塑性變形甚至斷裂的話，剛度則保證了材料不發(fā)生過(guò)量彈性變形。從這個(gè)角度來(lái)看，剛度和強(qiáng)度具有相同的技術(shù)意義而同等地重要，因而機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)既包括強(qiáng)度設(shè)計(jì)又包括剛度設(shè)計(jì)。（四）彈性 材料的彈性是用來(lái)描述在外力作用下材料發(fā)生彈性行為的綜合性能指標(biāo)。前已述及的比例極限p、彈性極限e和彈性模量 E 等在一定的程度上均可用來(lái)說(shuō)明材料的彈性性能。但作為彈性元件（如各種彈簧、音叉等）的材料，最直接的彈性性能指標(biāo)尚有以下幾個(gè)必須予以考慮（如圖1-2所示）。（四）彈性 圖1-2 彈性比功與滯彈性行為a）彈性比功 b）滯彈性行為（五）硬度 硬度是反映材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)，它表示材料表面局部區(qū)域內(nèi)抵抗變形或

15、破裂的能力，是表征材料性能的一個(gè)綜合參量。測(cè)定硬度的試驗(yàn)方法有十多種，但基本上均可分為壓入法和刻劃法兩大類(lèi)，其中壓入法較為常用。（六）韌性 前已述及，材料的強(qiáng)度是變形和斷裂的抗力，而塑性是斷裂前的變形能力。材料的韌性則是指材料在塑性變形和斷裂的全過(guò)程中吸收能量的能力，它是材料強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)。韌性不足可用其反義詞脆性來(lái)表達(dá)，韌性不足即說(shuō)明不需要大的力或能量就可使材料發(fā)生斷裂。材料的韌性高低決定了材料的斷裂類(lèi)型韌性斷裂和脆性斷裂。低韌性的材料易于發(fā)生脆性斷裂而危害性極大，如壓力容器和大型鍋爐的爆炸、船舶脆斷沉沒(méi)、電站設(shè)備轉(zhuǎn)子與葉片的飛斷等。評(píng)定材料韌性的力學(xué)性能指標(biāo)主要有沖擊韌度和斷裂韌度。（七）疲勞性能 許多零件如彈簧、齒輪、曲軸、連桿等都是在交變載荷（應(yīng)力）作用下工作的。交變載荷是指載荷大小、方向隨時(shí)間發(fā)生周期性的循環(huán)變化，故又稱(chēng)循環(huán)載荷。描述它的參數(shù)有：最大應(yīng)力max，最小應(yīng)力min，應(yīng)力幅a=（max-min）/2，應(yīng)力比r=min/max等。零件在這種交變載荷下經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間