第一章材料的使用性能

1、第一章材料的使用性能第一節(jié)力 學(xué) 性 能第二節(jié)物 理 性 能第三節(jié)化 學(xué) 性 能第一節(jié)力 學(xué) 性 能一、強(qiáng)度二、剛度三、彈性四、塑性五、硬度六、韌性七、疲勞性能八、耐磨性一、強(qiáng)度1.比例極限(p)在彈性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系完全符合胡克定律的極限應(yīng)力，即為比例極限p。2.彈性極限(e)彈性極限是指在完全卸載后不出現(xiàn)任何明顯的微量塑性變形的極限應(yīng)力值，當(dāng)應(yīng)力e時(shí)，應(yīng)變與應(yīng)力之間可能已喪失了嚴(yán)格的正比關(guān)系，但變形基本上可恢復(fù)而微量殘余變形極不明顯。3.屈服點(diǎn)和屈服強(qiáng)度(s、02)在外力作用下，材料產(chǎn)生屈服現(xiàn)象的極限應(yīng)力值即為屈服點(diǎn)s。4.抗拉強(qiáng)度(b)材料在受力過(guò)程中，所能承受的最大載荷Fb時(shí)所

2、對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值，即為抗拉強(qiáng)度。一、強(qiáng)度圖1-1拉伸試驗(yàn)曲線a)典型力-伸長(zhǎng)曲線b)應(yīng)力-應(yīng)變曲線二、剛度1.概念絕大多數(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。2.影響因素表1-1列舉了各類主要材料的室溫彈性模量E值(即材料剛度)。表1-1各類主要材料的室溫彈性模量E(單位：1MPa)三、彈性1.最大彈性應(yīng)變量ee是材料在外力作用下所能發(fā)生的最大可恢復(fù)應(yīng)變量，即彈性變形能力。2.彈性比功彈性比功是材料吸收變形功而不發(fā)生永久變形的能力，即彈性變形時(shí)吸收的最大彈性功。3.滯彈性(彈性滯后)理想的彈性材料在加載時(shí)立即產(chǎn)生彈性變形，卸載后立即恢復(fù)變形，兩者是完全同步的。圖

3、1-2應(yīng)力-應(yīng)變曲線a)彈性比功b)滯彈性行為四、塑性1.概念塑性是指材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力，即材料斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力，如在拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲等外力作用下所產(chǎn)生的伸縮、扭曲、彎曲等都可用來(lái)表示材料的塑性。四、塑性2.塑性指標(biāo)的應(yīng)用意義雖然材料的塑性指標(biāo)一般不直接用于機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算，但設(shè)計(jì)師往往要對(duì)所用材料提出一定的塑性要求，這是因?yàn)椋河捎诹慵豢杀苊獾卮嬖诮孛孢^(guò)渡、溝槽、油孔及表面粗糙不平滑的現(xiàn)象，受到載荷作用時(shí)這些部位往往出現(xiàn)應(yīng)力集中，故材料的塑性有保證通過(guò)此部位的局部塑性變形來(lái)起到削減應(yīng)力峰、緩和應(yīng)力集中的作用，從而防止零件出現(xiàn)未能預(yù)測(cè)的早期破壞；大多數(shù)材料(主

4、要是金屬材料)均具有形變強(qiáng)化能力，故而在遭受不可避免的偶然過(guò)載時(shí)，發(fā)生塑性變形和隨之而引起的形變強(qiáng)化可保證零件的安全以避免斷裂，即具有抵抗過(guò)載的能力；四、塑性若零件遭受意外過(guò)載或沖擊時(shí)，零件可以發(fā)生塑性變形過(guò)渡而不至于發(fā)生突然斷裂，即便最終要斷裂，但在此之前也要吸收大量的能量(即塑性變形功)，這一切對(duì)避免災(zāi)難性事故的發(fā)生至為重要；材料具有一定的塑性可保證某些成形工藝(如冷軋、冷彎、校直、冷鉚)和修復(fù)工藝(如汽車外殼受碰撞而凹陷)的順利進(jìn)行；塑性指標(biāo)還能反映材料的冶金質(zhì)量的好壞，故是材料生產(chǎn)與加工質(zhì)量的標(biāo)志之一。五、硬度1.布氏硬度依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(如GB231/T2002金屬布氏硬度試驗(yàn))，用一定

5、直徑D的鋼球或硬質(zhì)合金球(即壓頭)，以相應(yīng)的試驗(yàn)力F壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間，卸載后測(cè)量試樣表面的壓痕直徑d，計(jì)算出壓痕球冠形表面積，進(jìn)而得到所承受的平均應(yīng)力值，即為布氏硬度值，記作HB。2.洛氏硬度洛氏硬度的測(cè)試原理、方法與條件見相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。3.其他硬度布氏硬度和洛氏硬度是兩種主要的硬度指標(biāo)，其中又以洛氏硬度應(yīng)用最廣。表1-2常用洛氏硬度標(biāo)尺的試驗(yàn)條件與應(yīng)用范圍六、韌性(一)沖擊韌度(二)斷裂韌度(一)沖擊韌度圖1-3三類不同冷脆傾向的材料1面心立方金屬2中低強(qiáng)度體心立方金屬3高強(qiáng)度材料(一)沖擊韌度圖1-4不同材料多沖抗力1高強(qiáng)度低韌性材料2低強(qiáng)度高韌性材料(二)斷裂韌度表1-3常見工程

6、材料的斷裂韌度值(單位：MN)七、疲勞性能1.疲勞基本概念許多零件如彈簧、齒輪、曲軸、連桿等都是在交變載荷(應(yīng)力)作用下工作的。2.疲勞基本過(guò)程從疲勞斷口上一般均能發(fā)現(xiàn)三個(gè)典型區(qū)域，即裂紋萌生區(qū)(裂紋源)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)，如圖1-5所示。3.疲勞抗力指標(biāo)為了防止疲勞斷裂，必須正確理解和確定疲勞抗力指標(biāo)，而疲勞類型不同則其疲勞抗力指標(biāo)也不一樣。4.影響疲勞極限的因素疲勞極限是一個(gè)組織結(jié)構(gòu)(內(nèi)因)極敏感的參數(shù)，并受到各種使用條件的影響。圖1-5疲勞斷口示意圖1裂紋源2裂紋擴(kuò)展區(qū)3最后斷裂區(qū)表1-4部分工程材料疲勞極限(MPa)八、耐磨性1.磨損的主要類型與機(jī)理依照分類標(biāo)準(zhǔn)的不同，磨損的類型

7、很多，最常用的是按磨損機(jī)理不同進(jìn)行分類，即粘著磨損、磨粒磨損和接觸疲勞磨損等。.提高材料耐磨性的途徑材料抵抗磨損的能力稱為耐磨性，可用磨損量或相對(duì)磨損性來(lái)表示，可通過(guò)磨損試驗(yàn)來(lái)測(cè)定(如GB/T 124441990金屬磨損試驗(yàn)方法)。第二節(jié)物 理 性 能一、密度二、熱學(xué)性能三、電學(xué)性能四、磁學(xué)性能一、密度二、熱學(xué)性能.熔點(diǎn)熔點(diǎn)Tm反映了材料由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的特征溫度，材料的熔點(diǎn)與其結(jié)合鍵類型及強(qiáng)弱有關(guān)。.熱容材料熱容定義為溫度每升高1K所需的能量，記作C，單位J/K；比熱容記作c，則是指單位質(zhì)量物質(zhì)的熱容。.熱膨脹性因溫度變化而引起材料體積膨脹或收縮的現(xiàn)象稱之為熱脹冷縮，絕大多數(shù)固體材料都有此特性

8、。.導(dǎo)熱性熱能由高溫區(qū)向低溫區(qū)傳輸?shù)哪芰捶Q為材料的導(dǎo)熱性。三、電學(xué)性能.電阻率電阻率用于衡量材料的導(dǎo)電能力(也可用電導(dǎo)率表示)。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。.介電性能把帶電導(dǎo)體分開并能長(zhǎng)期經(jīng)受電場(chǎng)作用的絕緣材料稱為介電材料。四、磁學(xué)性能1.磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率(單位：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。.飽和磁化強(qiáng)度Ms和磁矯頑力c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，記作Ms。第三節(jié)化 學(xué) 性 能一、化學(xué)腐蝕二、電化學(xué)腐蝕三、提高零件耐蝕性的主要措施第三節(jié)化 學(xué) 性 能表1-5某些化學(xué)腐蝕示例一、化學(xué)腐蝕二、電化學(xué)腐蝕表1-6主要金屬的標(biāo)準(zhǔn)電極電位三、提高零件耐蝕性的主要措施()提高零件耐化學(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，如發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥采用4Cr9Si2耐熱鋼制造；表面處理如表面鍍層、表面涂層(熱噴涂鋁、陶瓷等)，如工業(yè)加熱爐的爐底輥采用噴涂ZrO2陶瓷涂層，可耐900以上的高溫氧化。(2)提高耐電化學(xué)腐