工程材料及熱處理(13-20149)-第一章性能及應(yīng)用

1、1234材料的性能材料的性能( (Performance/Property) )：指用來表征材料在給定外界條件下的行為參量。指用來表征材料在給定外界條件下的行為參量?；瘜W(xué)成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)化學(xué)成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)v材料的性能必須材料的性能必須量化表示量化表示v通常是依照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定通過不同的通常是依照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定通過不同的試驗(yàn)試驗(yàn)來測定來測定v實(shí)際工件的性能首先取決于材料的性能，但須考慮到實(shí)際工件的性能首先取決于材料的性能，但須考慮到工件的形狀尺寸、加工工藝過程和使用條件對其的影響。工件的形狀尺寸、加工工藝過程和使用條件對其的影響。第一節(jié)第一節(jié) 材料性能指標(biāo)材料性能指標(biāo)內(nèi)部依據(jù)內(nèi)部依據(jù)外部表現(xiàn)外部表現(xiàn)性性 能能

2、n使用性能使用性能：指材料制成零件和產(chǎn)品后在使用過程中能適指材料制成零件和產(chǎn)品后在使用過程中能適 應(yīng)或抵抗外界對它的作用而必須具備的能力應(yīng)或抵抗外界對它的作用而必須具備的能力n工藝性能工藝性能：指制造過程中材料適應(yīng)加工的能力指制造過程中材料適應(yīng)加工的能力第二節(jié)第二節(jié) 材料的使用性能材料的使用性能n定義：定義：材料在材料在外力作用下外力作用下表現(xiàn)出的行為。表現(xiàn)出的行為。n主要指標(biāo)：剛度、強(qiáng)度、主要指標(biāo)：剛度、強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞極限等。塑性、硬度、韌性、疲勞極限等。零件和工具在使用過程中所受的力稱為零件和工具在使用過程中所受的力稱為載荷載荷。（1 1）靜載荷）靜載荷 力的大小不變或變化緩

3、慢的載荷，如靜拉力、靜壓力等。（2 2）動載荷）動載荷 力的大小和方向隨時間而發(fā)生改變，如沖擊載荷、交變載荷等。加載方式：加載方式：拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等 物體受外力作用后所導(dǎo)致物體內(nèi)部之間的相互作用力稱為內(nèi)力，單位面積上的內(nèi)力，稱為應(yīng)力。 應(yīng)力的計算公式為AF 金屬在外力的作用下尺寸和形狀的變化稱為變形。（1 1）彈性變形）彈性變形 去除外力后，物體的變形能完全恢復(fù)。（2 2）塑性變形）塑性變形 去除外力后，物體的變形不能完全恢復(fù)，而產(chǎn)生永久變形。式中應(yīng)力（MPa）； F內(nèi)力（N）； A截面積（mm2）。電電腦腦伺伺服服控控制制材材料料實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)機(jī)機(jī) 圓形

4、拉伸試樣圓形拉伸試樣剛度、強(qiáng)度和塑性根據(jù)剛度、強(qiáng)度和塑性根據(jù)靜拉靜拉伸試驗(yàn)伸試驗(yàn)進(jìn)行測定。進(jìn)行測定。oe：彈性變形彈性變形e ees：屈服屈服ssb：塑性變形塑性變形 （強(qiáng)化）（強(qiáng)化）bk：縮頸縮頸bk： 斷裂斷裂一、剛度一、剛度（Rigidity） 材料受力時抵抗彈性變形彈性變形的能力。 指標(biāo)為彈性模量E和切變模量G。 ） ）（ （MPatgE 應(yīng)力應(yīng)力 = F/A0應(yīng)變應(yīng)變 = (l-l0)/l0u 要求剛度要求剛度大大的零件的零件 鋼鐵材料鋼鐵材料u 要求剛度要求剛度小小的零件的零件 軟彈簧材料軟彈簧材料(strength): 材料在力的作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。（1 1）屈服強(qiáng)度

5、（）屈服強(qiáng)度（ss） 材料發(fā)生明顯塑性變形時的最低應(yīng)力值。材料發(fā)生明顯塑性變形時的最低應(yīng)力值。 0sAFs 主要指標(biāo)為屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。0bbAF（2 2）抗拉強(qiáng)度（）抗拉強(qiáng)度（bb） 最大拉伸力時的應(yīng)力。最大拉伸力時的應(yīng)力。 工程上把屈服點(diǎn)與抗拉強(qiáng)度的比值（工程上把屈服點(diǎn)與抗拉強(qiáng)度的比值（ss/ /bb）稱為）稱為屈強(qiáng)比屈強(qiáng)比，一般材料的屈強(qiáng)比以一般材料的屈強(qiáng)比以0.750.75為宜。為宜。%100001LLL三、塑性三、塑性（Plasticity）材料受力破壞前可承受材料受力破壞前可承受最大塑性變形最大塑性變形的能力。的能力。%100010AAA 斷后伸長率斷后伸長率和斷面收縮率和斷面收

6、縮率的的數(shù)值越大數(shù)值越大，表，表明材料的明材料的塑性越好塑性越好。 材料的塑性是決定其能否進(jìn)行材料的塑性是決定其能否進(jìn)行塑性加工塑性加工的必要的必要條件，塑性良好的金屬可進(jìn)行各種塑性加工，同時條件，塑性良好的金屬可進(jìn)行各種塑性加工，同時使用安全性也較好。使用安全性也較好。指標(biāo)為：指標(biāo)為：（Hardness） 壓入法測量硬度常用的方法有：壓入法測量硬度常用的方法有： 壓入法壓入法 彈性回跳法彈性回跳法 劃痕法劃痕法 材料的軟硬程度，表征抵抗局部變形或破壞的能力。肖氏肖氏莫氏莫氏布氏、洛氏、維氏布氏、洛氏、維氏布氏硬度計布氏硬度計(HBS/HBW)(HBS/HBW) 數(shù)值一般不需計算，而用帶有刻度

7、盤的數(shù)值一般不需計算，而用帶有刻度盤的放大鏡測量出放大鏡測量出壓痕的直徑壓痕的直徑，直接，直接由表查得由表查得硬硬度值大小，一般只標(biāo)大小而度值大小，一般只標(biāo)大小而不標(biāo)單位不標(biāo)單位。HBSHBSHBWHBW 表示用表示用淬火鋼球淬火鋼球壓頭測壓頭測量的布氏硬度值，用于測量量的布氏硬度值，用于測量硬度值小于硬度值小于450HBS450HBS的材料。的材料。 表示用表示用硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金壓頭測壓頭測量的布氏硬度值，用于測量量的布氏硬度值，用于測量硬度值為硬度值為450450650HBW650HBW的材料。的材料。布氏硬度常用于測定布氏硬度常用于測定鑄鐵、非鐵合金及退火、正火和調(diào)質(zhì)鋼鑄鐵、非鐵合金及退

8、火、正火和調(diào)質(zhì)鋼的硬度。的硬度。 測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，與強(qiáng)度有較好的對應(yīng)關(guān)系。測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，與強(qiáng)度有較好的對應(yīng)關(guān)系。壓痕大，不能用于太薄件、成品件，硬度范圍有限。壓痕大，不能用于太薄件、成品件，硬度范圍有限。 (HR)金剛石圓錐體壓頭金剛石圓錐體壓頭( (錐角錐角120120) ) 直徑為直徑為1.588mm1.588mm的淬火鋼球的淬火鋼球洛氏硬度計洛氏硬度計H鋼球壓頭與金剛石鋼球壓頭與金剛石壓頭壓頭洛氏硬度壓痕洛氏硬度壓痕壓痕深度壓痕深度h hl HRAHRA用于測量用于測量表面層或高硬度表面層或高硬度材料，如硬質(zhì)合金；材料，如硬質(zhì)合金；l HRBHRB適用于適用于硬度較低硬度較

9、低的材料的材料, ,如有色金屬，退火、正火鋼等如有色金屬，退火、正火鋼等；u HRCHRC主要用于測量主要用于測量中等硬度中等硬度材料，如材料，如淬火鋼淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等。、調(diào)質(zhì)鋼等。洛氏硬度有洛氏硬度有3種規(guī)范：種規(guī)范：具體實(shí)驗(yàn)條件及應(yīng)用范圍參見表具體實(shí)驗(yàn)條件及應(yīng)用范圍參見表1-2l 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：操作簡便，直接讀數(shù)，壓痕小，操作簡便，直接讀數(shù)，壓痕小，應(yīng)用范圍最廣應(yīng)用范圍最廣。l 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：需在試樣不同部位測定，取需在試樣不同部位測定，取平均值平均值。維氏硬度計(HV)頂角為頂角為136的金剛石正四棱錐壓頭的金剛石正四棱錐壓頭壓痕兩條對角線的平均長度壓痕兩條對角線的平均長度dl 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：

10、壓痕淺，輪廓清晰，數(shù)值準(zhǔn)確，硬度范圍廣，廣泛壓痕淺，輪廓清晰，數(shù)值準(zhǔn)確，硬度范圍廣，廣泛 應(yīng)用于應(yīng)用于測量金屬鍍層、薄片材料、化學(xué)熱處理后的測量金屬鍍層、薄片材料、化學(xué)熱處理后的 表面硬度和表面硬度和顯微硬度顯微硬度。l 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：不適合成批生產(chǎn)的檢驗(yàn)，測量效率低于洛氏硬度。不適合成批生產(chǎn)的檢驗(yàn)，測量效率低于洛氏硬度。維氏硬度值不需要計算，一般是維氏硬度值不需要計算，一般是根據(jù)根據(jù)d d查表查表得出。得出。顯微維氏硬度計顯微維氏硬度計（Ductility） 零部件在服役過程中不僅受到靜載荷或零部件在服役過程中不僅受到靜載荷或交變載荷交變載荷作用，還受到不同程度的作用，還受到不同程度的沖擊載荷

11、沖擊載荷作用。作用。 故設(shè)計零件時，不僅要滿足在靜載荷作用下的強(qiáng)故設(shè)計零件時，不僅要滿足在靜載荷作用下的強(qiáng)度、剛度、塑性等指標(biāo)，還需考慮材料的韌性。度、剛度、塑性等指標(biāo)，還需考慮材料的韌性。u 主要指標(biāo)為主要指標(biāo)為沖擊韌度沖擊韌度 試樣在一次沖擊試驗(yàn)力作用下，斷裂時所吸收的功稱為沖擊吸收功，用AK表示，單位為J。)(hHmgmghmgHAK擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)AAaKK 沖擊試樣缺口底部單位橫截面積上的沖擊吸收功，用aK表示，單位為J/cm2。l 一般金屬材料的一般金屬材料的韌性隨溫度的下降而降低韌性隨溫度的下降而降低，即在高，即在高溫下表現(xiàn)出較好的韌性，而在低溫下則顯得較脆。溫下表現(xiàn)

12、出較好的韌性，而在低溫下則顯得較脆。l 在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱韌韌脆轉(zhuǎn)變脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變韌脆轉(zhuǎn)變溫度溫度。材料的使用溫度應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。材料的使用溫度應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。沖擊韌度沖擊韌度akTitanicTitanic號鋼板和近代船用鋼板的沖擊試驗(yàn)結(jié)果比較號鋼板和近代船用鋼板的沖擊試驗(yàn)結(jié)果比較Titanic近代船用鋼板近代船用鋼板1.疲勞現(xiàn)象 材料在材料在交變載荷交變載荷作用下，盡管零件所受的作用下，盡管零件所受的應(yīng)力低于屈服點(diǎn)應(yīng)力低于屈服點(diǎn), ,但經(jīng)過較長時間的工作后但經(jīng)過較長

13、時間的工作后, ,在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累積損在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂，這種現(xiàn)象傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂，這種現(xiàn)象稱為稱為疲勞疲勞。2.疲勞極限-1 材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時的最大應(yīng)力稱材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時的最大應(yīng)力稱為疲勞極限。用為疲勞極限。用 -1-1表示。表示。 疲勞極限疲勞極限-1-1與材料的抗拉強(qiáng)度與材料的抗拉強(qiáng)度b b存在一定的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，存在一定的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，隨隨抗拉強(qiáng)度的升高而升高抗拉強(qiáng)度的升高而升高，為了減少試驗(yàn)，為了減少試驗(yàn)，-1-1可用可用b b近似計算。近似計算。

14、 鋼鐵材料的疲勞曲線示意圖3.提高疲勞強(qiáng)度途徑 通過通過改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，進(jìn)行表面強(qiáng)改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，進(jìn)行表面強(qiáng)化和形變熱處理化和形變熱處理等方法可提高零件的疲勞強(qiáng)度。等方法可提高零件的疲勞強(qiáng)度。第三節(jié)第三節(jié) 材料的工藝性能材料的工藝性能車、鉗、銑、刨、磨車、鉗、銑、刨、磨材料的切削材料的切削鑄造、拉、拔、擠、壓、鍛鑄造、拉、拔、擠、壓、鍛材料的成型材料的成型合金化、熱處理合金化、熱處理材料的改性材料的改性焊接、粘接焊接、粘接材料的聯(lián)接材料的聯(lián)接 工程材料的工藝性能主要有鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、切削加工性能、熱處理性能。金屬材料的物理性能與化學(xué)性能金屬材料

15、的物理性能與化學(xué)性能 物理性能是指材料固有的屬性，包括密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性、磁性等。指在同一溫度下單位體積物質(zhì)的質(zhì)量，其表達(dá)式為Vm/式中 物質(zhì)的密度（g/cm3 或t/m3 ）； m物質(zhì)的質(zhì)量（g或t）； V物質(zhì)的體積（cm3或m3 ）。 根據(jù)根據(jù)相對密度相對密度（與水密度之比）大小，可將金屬分為（與水密度之比）大小，可將金屬分為輕金屬輕金屬（相對密度（相對密度4.54.5）和重金屬和重金屬（相對密度（相對密度4.54.5）。）。 材料的密度，直接關(guān)系到由它所制成的設(shè)備的自重與效能。材料的密度，直接關(guān)系到由它所制成的設(shè)備的自重與效能。在汽車零部件中的應(yīng)用比例越來越大；在汽車零

16、部件中的應(yīng)用比例越來越大；在航空工業(yè)在航空工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。中得到廣泛應(yīng)用。 熔點(diǎn)是材料從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度。熔點(diǎn)是材料從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度。 金屬等晶體材料一般具有固定的熔點(diǎn)，而高分子材料等非晶體材料一般沒有固定的熔點(diǎn)。 工業(yè)上一般把熔點(diǎn)低于700的金屬或合金稱為易熔金屬，把熔點(diǎn)高于700的金屬或合金稱為難熔金屬。鎢、鉬等金屬具有高的熔點(diǎn) 描述材料電性能的物理量有電阻率和電導(dǎo)率。材料的電阻率越小，導(dǎo)電性能越好。銀的導(dǎo)電性最好，銅、鋁次之 材料傳導(dǎo)電流的能力。材料傳導(dǎo)電流的能力。輸電導(dǎo)體輸電導(dǎo)體純銅、純鋁純銅、純鋁加熱元件加熱元件導(dǎo)電性差的材料（導(dǎo)電性差的材料（Fe-CrFe-Cr、碳硅棒）、碳硅棒）1.2 1.2 金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能（1）熱導(dǎo)率 用熱導(dǎo)率表示金屬導(dǎo)熱性能，含義是在單位厚度金屬、溫差為1時，每秒鐘從單位截面通過的熱量。金屬越純，導(dǎo)熱性越好。（2）熱膨脹性 材料隨溫度的改變而出現(xiàn)體積變化的現(xiàn)象。用線膨脹系數(shù)來表示熱膨脹性，含義是溫度上升1時，單位長度的伸長量。 磁性能可分為非鐵磁性物質(zhì)和鐵磁性物質(zhì)。 目前應(yīng)用的磁性材料有兩類：金屬和陶瓷銀、銅的導(dǎo)熱性最好，鋁次之Al、CuFe、Ni、Co 材料傳導(dǎo)熱量的能力。材料傳導(dǎo)熱量的能力。溫差較大場合必須考慮 材料在磁場中能被磁化或?qū)?/p>