第2章工程材料的性能1

第2章工程材料的性能（2學時）【學習目標】1、重點了解工程材料的常用力學性能；2、了解工程材料的物理、化學及工藝性能，并建立材料性能的技術經(jīng)濟概念。材料的性能一般分為工藝性能和使用性能兩類。所謂工藝性能是指機械零件在加工制造過程中，材料在特定的加工條件下表現(xiàn)出來的性能。材料工藝性能的好壞，決定了它在制造過程中加工成形的適應能力，如鑄造、焊接、鍛造、熱處理、切削加工等性能。所謂使用性能是指機械零件在使用條件下，材料表現(xiàn)出來的性能，它包括機械性能、物理性能、化學性能等。材料使用性能的好壞，決定了它的使用范圍與使用壽命。2.1材料的力學性能

金屬材料的力學性能是指金屬材料在不同的環(huán)境因素下（溫度、介質），承受外加載荷作用時所表現(xiàn)的性能，這種性能通常表現(xiàn)為變形和斷裂。因此，金屬材料的力學性能可以理解為金屬材料抵抗外加載荷引起的變形和斷裂的能力，也稱為金屬材料的機械性能。金屬材料的機械性能是零件設計和選材時的主要依據(jù)。2.1.1強度和塑性材料的強度與塑性是極為重要的力學性能指標。評價材料力學性能的指標是通過拉伸試驗測定的。將材料按GB/T228-2002要求制成標準拉伸試樣（見圖2.1.1）。在拉伸試驗機上，將拉伸過程中試樣所受的拉伸力稱為應力，試樣伸長量稱為應變，得到應力—應變曲線。

（視頻，金屬材料拉伸試驗）圖2.1.11—退火低碳鋼的應力-應變曲線2—拉伸試樣3—拉斷后的試樣金屬材料的強度與塑性指標一般是在材料試驗機上通過拉伸試驗測得液壓式萬能材料試驗機1)彈性變形階段曲線的Oe段近乎一條直線，表示受力不大時試樣處于彈性變形階段，即在應力不超過Re時，應力與應變呈正比關系，若卸除試驗力，試樣能完全恢復到原來的形狀和尺寸。這種變形叫彈性變形。2)屈服變形階段當拉伸力繼續(xù)增加超過Re后，試樣將產(chǎn)生不能恢復的永久變形，即塑性變形，并且在H點后曲線上出現(xiàn)鋸齒狀線段，這時應力不增加而試樣卻繼續(xù)拉長，稱為材料的屈服。屈服后試樣產(chǎn)生均勻的塑性變形。3)冷變形強化階段應力繼續(xù)增加，曲線又呈上升態(tài)勢，表示試樣恢復了抵抗拉伸力的能力。m點表示試樣抵抗拉伸力的最大能力，試樣產(chǎn)生不均勻的塑性變形，某處截面積開始減小，形成頸縮。4)縮頸與斷裂階段試樣承受拉伸力的能力迅速減小，到K點時，試樣在頸縮處斷裂。圖2.1.1

試件從拉伸到斷裂經(jīng)過的4個階段拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象1、強度強度是指材料在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。由于載荷的作用方式有拉伸、壓縮、彎曲、剪切等形式，所以強度也分為屈服強度、抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度等。各種強度間常有一定的聯(lián)系，使用中一般以屈服強度、抗拉強度作為最基本的強度指標。

（1）彈性極限即金屬材料不產(chǎn)生塑性變形時所能承受的最大應力。拉伸曲線e點對應的應力Re為彈性極限：

Re=Fe/S0

式中

Re——彈性極限（MPa）；

Fe——試樣產(chǎn)生完全彈性變形時的最大載荷（N）；S0——試樣原始橫截面積（mm2）。在彈性階段中，應力與應變成正比，呈線性關系，這種關系稱胡克定理。彈性模量E=R/ε，單位為MPa。彈性模量E標致材料抵抗變形的能力，即材料的剛度。彈性模量主要取決于材料本性，一些處理方法對它影響很小。材料剛度不等于零件剛度，零件剛度與其形狀和尺寸有關。（2）屈服強度在拉伸過程中力不增加（保持恒定），試樣仍能繼續(xù)拉長時的應力稱為材料的屈服強度。上屈服強度ReH是試樣產(chǎn)生屈服力首次下降前的最大應力；下屈服強度ReL是指屈服期間的最小應力。屈服強度是工程上最重要的力學性能指標之一，絕大多數(shù)零件在工作時都不準產(chǎn)生明顯的塑性變形，否則將直接影響機器的使用性能。對沒有明顯的屈服現(xiàn)象的材料，國家標準規(guī)定用試樣標距長度產(chǎn)生0.2%塑性變形時的應力值作為該材料的屈服強度，以R0.2表示，稱條件屈服強度。`屈服強度計算：

ReH=FeH/S0

ReL=FeL/S0式中ReH——屈服強度（MPa）；FeH——試樣開始產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的最大載荷（N）；FeL——試樣開始產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的最小載荷（N）；S0——試樣原始橫截面積，（mm2）。條件屈服強度計算：

高碳鋼、鑄鐵等脆性材料在拉伸圖中沒有明顯的水平階段（即屈服現(xiàn)象），也不產(chǎn)生頸縮，而直接被拉斷。為了衡量這些材料的屈服特性,規(guī)定產(chǎn)生永久殘余變形等于一定值(一般為原長度的0.2%)時的應力,稱為條件屈服強度或簡稱屈服強度，用符號R0.2表示。

計算公式:F0.2S0R0.2=

抗拉強度應用：制作機械零件和工程構件時的選材和設計的主要依據(jù)。（3）抗拉強度（強度極限）材料在斷裂前所承受的最大應力Fm值稱為抗拉強度，用Rm

表示，單位MPa

。計算公式:Rm=Fm/So式中Fm——試樣在拉伸過程中所能承受的最大拉力（N）；

S0——試樣原始橫截面積，（mm2）。MPa與Pa的換算我國法定壓力單位為帕斯卡（簡稱帕），符號為Pa。由于Pa太小，工程上常用其倍數(shù)單位MPa（兆帕）來表示。

1兆帕(MPa)＝1000000帕(Pa)。Mpa,也是壓強單位，讀作兆帕，也就是百萬（M）帕斯卡（Pa）。1MPa=1000000Pa=1N／mm2=（1／9.8=0.102）Kgf/mm2。2、塑性

即斷裂前材料發(fā)生不可逆永久變形的能力，稱塑性。塑性是金屬材料的主要力學性能指標。衡量塑性的依據(jù)是伸長率和斷面收縮率。伸長率斷面收縮率壓縮率塑性（1）伸長率

即試樣拉斷后標距與原始標距的百分比。

A=(LU-L0)/L0×100%式中A——伸長率（%）；

LU——試樣拉斷后標距（mm)；

L0

——試樣原始標距（mm)。（2）斷面收縮率

即試樣拉斷后，縮頸處最小橫截面積與原始橫截面積的百分比。

Z=（S0-SU）/S0×100%式中

Z——斷面收縮率（%）；

SO——試樣的原始截面積（mm2）SU——試樣拉斷后縮頸處的最小橫截面積（mm2)材料的塑性指標對機械零件的加工和使用具有重要意義。金屬材料的延伸率和斷面收縮率數(shù)值越大，表示材料的塑性越好。

2.1.2硬度（Hardnss、代號H）

硬度是材料抵抗硬的物體壓入其內(nèi)的能力,是材料性能的一個綜合物理量。表示材料在一個小的體積范圍內(nèi)抵抗彈性變形、塑性變形或破斷的能力。在產(chǎn)品設計圖樣的技術條件中，硬度是一頂主要技術指標。金屬材料的硬度指標可用硬度儀來測試，常用的硬度指標有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等。

1.布氏硬度（HB）布氏硬度標準,1905年由瑞典科學家布林南爾首先提出，用直徑D的淬火鋼球或硬質合金球,在一定壓力P下,將鋼球垂直地壓入金屬表面,并保持壓力到規(guī)定的時間后卸荷,測量壓痕直徑,然后按公式求出硬度值，單位是公斤力/平方毫米。目前，布氏硬度主要用于鑄鐵、非金屬以及經(jīng)退火、正火、和調(diào)質處理的鋼材等硬度的測定。布氏硬度（HB）=載荷與壓痕面積之比。單位為Kgf/mm2（N/mm2),1kgf/9.806N=0.102.

HB=F/S(N/mm2)F—載荷，N(kgf)S-壓痕面積.標注時，單位一般不寫。布氏硬度試驗原理圖布氏硬度試驗的F/D2值的選擇（截荷與壓頭直徑面積的比值）GB/231—2002中規(guī)定了30、15、10、5、2.5、2、1共七種比值，以滿足不同硬度的材料測試需要。材料布氏硬度0.102F/D2備注鋼及鑄鐵＜140≥1401030條件允許時，應盡量選用10mm壓頭和無括號的F/D2值。F單位：ND單位：mm銅及其合金＜3535～130＞13051030輕金屬及其合金＜3535～80＞80251010鉛、錫

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布氏硬度試驗規(guī)范計算公式：

壓頭是直徑為D的鋼球或硬質合金球。

HBS——壓頭為鋼球，用于測量<450HBSHBW——壓頭為硬質合金,用于測量>450HBW（<650HBW）布氏硬度標注

符號HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，除了采用鋼球直徑D為10mm,試驗力為3000kgf,保持時間為10s試驗條件外，在其它試驗條件下，符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。如:150HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為150。一般在工程文件上可標出布氏硬度值的大小和符號，如230HBS或230HB。2、洛氏硬度（Rockwellhardness）：

洛氏硬度試驗法是由美國科學家洛克威爾（S.P.Rockwell）在1921年提出來的。使用洛氏硬度計所測定的金屬材料的硬度值沒有單位，只用代號“HR”表示。洛氏硬度試驗是用一個錐角為120°的金剛石錐體或直徑為1.588mm（1/16″）的淬火鋼球，在規(guī)定的載荷作用下壓入被測金屬表面，由壓頭在金屬表面所形成的壓痕深度來確定其硬度值。洛氏硬度試驗簡便、迅速，廣泛應用于生產(chǎn)制造、科學研究的各個領域。洛氏硬度計00112332F0F1F2h1-1初載10kgF02-2總載150kgF13-3卸載140kgF2最后測得：殘余壓痕深度增量eHR=k-e/0.002e=h2-h0

試驗方法洛氏硬度試驗是用標準型壓頭,先后兩次對被試材料表面施加試驗力（初試驗力F0與總試驗力F0+F1），在試驗力的作用下壓頭壓入試樣表面。在總試驗力保持一定時間后，卸除主試驗力F1，保留初始試驗力F0的情況下測量壓入深度，以總試驗力下壓入深度與在初試驗力下的壓入深度之差h（即所謂的殘余壓入深度）來表示硬度的高低，殘余壓入深度值越大，硬度值越低，反之亦然。洛氏硬度試驗時，硬度值可以從硬度計上的刻度盤直接讀出。洛氏硬度計算例題洛氏硬度：HR=k-h/s（0.002）式中K——為給定標尺的硬度常數(shù)，用金剛錐體壓頭時，k=0.2mm,用鋼球壓頭時，k=0.26mm；S——為給定標尺的單位，通常以0.002為一個硬度單位；h——殘余壓痕深度增量。例：一淬火零件，測得殘余壓痕深度增量h為0.08mm，采用C標尺測驗，求HRC硬度值。解：代入公式

HR=k-h/s（0.002）=0.2-0.08/0.002=60HRC

此零件硬度為60HRC。硬度標尺洛氏硬度試驗采用三種試驗力，三種壓頭，它們共有9種組合，對應于洛氏硬度的9個標尺：HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH和HRK。這9個標尺的應用涵蓋了幾乎所有常用的金屬材料。最常用標尺是HRC、HRB和HRF，其中HRC標尺用于測試淬火鋼、回火鋼、調(diào)質鋼和部分不銹鋼。這是金屬加工行業(yè)應用最多的硬度試驗方法。HRB標尺用于測試各種退火鋼、正火鋼、軟鋼、部分不銹鋼及較硬的銅合金。HRF標尺用于測試純銅、較軟的銅合金和硬鋁合金。HRA標尺盡管也可用于大多數(shù)黑色金屬，但是實際應用上一般只限于測試硬質合金和薄硬鋼帶材料。洛氏硬度的分類及應用標尺壓頭總載荷/N（kgf）應用范圍適用材料HRA120o金剛石圓錐588.4（60）70~80硬質合金、表面淬火的鋼HRBΦ1.588mm鋼球（1/16″）980.7（100）20~100軟鋼、退火鋼、銅合金HRC120o金剛石圓錐1471（150）20~70淬火鋼、調(diào)質鋼等洛氏硬度標注與洛氏硬度的特點洛氏硬度值為一無名數(shù)，根據(jù)國家標準規(guī)定，硬度數(shù)值寫在符號HR的前面，HR后面為使用的標尺，如50HRC，表示用C標尺測定的洛氏硬度值為50。洛氏硬度試驗是生產(chǎn)中廣泛應用的一種硬度試驗。其特點是，硬度試驗壓痕小，對試件表面損傷小，常用來直接檢驗成品或半成品的硬度；試驗操作迅速簡便，可以直接從試驗機上讀出硬度值。當采用不同標尺時，可測量出從極軟到極硬材料的硬度。主要缺點是，由于壓痕小，對內(nèi)部組織和硬度不均勻的材料，所測結果不夠準確.3、維氏硬度（HV）由英國科學家維克斯1930年首先提出。以5~120kgf（49.03~1176.80N）的載荷,將相對面夾角為136°的方錐形金剛石壓入材料表面,保持規(guī)定時間后，用測量壓痕對角線長度，計算出壓痕面積S，求出單位面積上的平均壓力，稱維氏硬度，用符號HV表示。它適用于較大工件和較深表面層的硬度測定。

查三角函數(shù)表2sin68°=0.92718×2=1.85436表示方法維氏硬度值用符號“HV”表示。HV前面為硬度值，后面按“試驗載荷/載荷保持時間（10～15S不標注）”的順序用數(shù)值表示試驗條件。例如：640HV30/20表示用294.21N（30kgf）試驗載荷，保持20S，測定的維氏硬度值為640。2.1.3沖擊韌度以加速度作用于工件上的載荷，稱沖擊載荷。許多機械零件和工具在工作時要承受一定的沖擊載荷，如沖床的沖模、鍛造的鍛模、內(nèi)燃機的活塞銷、風動工具等。對這些零件，不僅要滿足在靜載荷下的強度、塑性、硬度等要求，還必須具有足夠的抵抗沖擊載荷的能力。金屬材料抵抗沖擊載荷的能力，稱沖擊韌性。為了評定金屬材料的沖擊韌性，需要進行大能量一次沖擊試驗。一次沖擊試驗通常在擺錘式?jīng)_擊機上進行。擺錘式?jīng)_擊實驗機沖擊試樣沖擊試樣有夏比V型缺口試樣和夏比U型缺口試樣兩種:試驗時，將試樣放在試驗機兩支座上，把質量為G的擺錘抬到高H，使擺錘自由落下，擺錘落下沖斷試樣后升至h高度。則擺錘沖斷試樣推動的位能，就是試樣變形和斷裂所消耗的功稱為沖擊吸收功AK，即AK=Gg(H-h)用試樣的斷口處截面積SN（cm2）去除AK（J）即得到?jīng)_擊韌度，用ak表示，單位為J（焦耳）/cm2.aK=AK/S式中S—試樣缺口處面積，cm2.2.1.4疲勞極限

機械零件在循環(huán)應力作用下，經(jīng)過一定的周期工作，發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象，稱為金屬的疲勞現(xiàn)象。疲勞破壞具有很大的危險性，也是機械零件失效的主要原因之一。這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂可用交變應力——循環(huán)次數(shù)曲線表示，如圖2.1.6所示。據(jù)統(tǒng)計，機械零件斷裂中有80%是由于疲勞引起。

圖2.1.6疲勞曲線示意圖提問:疲勞斷裂是如何產(chǎn)生的？

疲勞斷裂是由于零件中存在缺陷，如裂紋、夾雜、刀痕等疲勞源，在循環(huán)應力作用下疲勞源處產(chǎn)生疲勞裂紋，這種疲勞裂紋不斷擴展，減小了零件的有效承載面積，最后當截面減小到不能承受外力時，零件即發(fā)生突然斷裂。

疲勞曲線-1Nn21N1N2NnNc鋼鐵材料：107次有色金屬：108次材料經(jīng)受相當循環(huán)周次不發(fā)生斷裂的最大應力點實際生產(chǎn)中提高疲勞強度的方法：1、避免或減少材料在冶煉和加工過程中造成的裂紋、夾雜、疏松、氣孔、表面刀痕和碰傷等缺陷；2、零件結構設計時，盡可能避免出現(xiàn)尖角、溝槽、圓角過小和截面突變等，以減少應力集中。3、對零件表面采用噴丸、冷滾壓、表面淬火和滲、鍍處理等工藝，以強化零件表面?？偨Y力學性能性能判據(jù)含義名稱符號強度抗拉強度Rm試樣拉斷前所能承受的最大應力彈性極限Re金屬材料不產(chǎn)生塑性變形時所能承受的最大應力。屈服點ReH(上)ReL(下)拉伸試驗產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的應力，試驗產(chǎn)生明顯塑形變形規(guī)定殘余伸長應力R0.2規(guī)定殘余伸長率為0.2%時的應力力學性能性能判據(jù)含義名稱符號塑性斷面收縮率Z試樣橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比斷后伸長率A斷后標距的殘余伸長與原始標距的百分比韌性沖擊吸收功Ak試樣沖斷所吸收的能量疲勞疲勞極限σ-1試樣受無數(shù)次循環(huán)應力作用后仍不破斷的最大應力力學性能性能判據(jù)含義名稱符號硬度布氏硬度HBSHBW球形壓痕單位面積上承受的平均壓力洛氏硬度HRAHRBHRC用洛氏硬度標尺的滿程與壓痕深度之差計算的硬度值維氏硬度HV正四棱錐壓痕單位面積上承受的平均壓力

2.2材料的物理性能材料的物理性能雖然不是結構件設計的主要參數(shù)，但在某些特定情況下卻是必須加以考慮的因素。工程材料的物理性能包括密度、熔點、導熱性、導電性、熱膨脹性和磁性等，各種機械零件由于用途不同，對材料的物理性能要求也有所不同。1.密度材料單位體積所具有的質量稱為密度?？估瓘姸扰c密度之比稱為比強度。密度是工程材料特性之一，工程上通常用密度來計算零件毛坯的質量。材料的密度直接關系到由它所制成的零件或構件的重量或緊湊程度，這一點對于要求減輕機件自重的航空和宇航工業(yè)制件具有特別重要的意義，例如飛機、火箭等。用密度小的鋁合金制作同樣零件，比鋼材制造的零件重量可減輕1/3～1/4。2.熔點材料由固態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)時的熔化溫度稱為熔點。金屬都有固定的熔點，而合金的熔點取決于成分，例如，鋼是鐵和碳組成的合金，含碳量不同，熔點也不同。根據(jù)熔點的不同，金屬材料又分為低熔點金屬和高熔點金屬。熔點高的金屬稱為難熔金屬(如W、Mo、V等)，可用來制造耐高溫零件，例如，噴氣發(fā)動機的燃燒室需用高熔點合金來制造。熔點低的金屬(Sn、Pb等)，可用來制造印刷鉛字和電路上的熔絲等。對于熱加工材料，熔點是制定熱加工工藝的重要依據(jù)之一，例如，鑄鐵和鑄鋁熔點不同，它們的熔煉工藝有較大區(qū)別。3.導熱性材料傳導熱量的能力稱為導熱性。導熱性能是工程上選擇保溫或熱交換材料的重要依據(jù)之一，也是確定機件熱處理保溫時間的一個參數(shù)。如果熱處理件所用材料的導熱性差，則在加熱或冷卻時，表面與心部會產(chǎn)生較大的溫差，造成不同程度的膨脹或收縮，導致機件破裂。一般來說，金屬材料的導熱性遠高于非金屬材料，而合金的導熱性比純金屬差。例如，合金鋼的導熱性較差，當其進行鍛造或熱處理時，加熱速度應慢一些，否則會形成較大的內(nèi)應力而產(chǎn)生裂紋。4.熱膨脹性材料隨溫度變化體積發(fā)生膨脹或收縮的特性稱為熱膨脹性。一般材料都具有熱脹和冷縮的特點。在工程實際中，許多場合要考慮熱膨脹性。例如，相互配合的柴油機活塞和缸套之間間隙很小，既要允許活塞在缸套內(nèi)往復運動又要保證氣密性，這就要求活塞與缸套材料的熱膨脹性要相近，才能避免二者卡住或漏氣；鋪設鐵軌時，兩根鋼軌銜接處應留有一定空隙，讓鋼軌在長度方向有伸縮的余地；制定熱加工工藝時，應考慮材料的熱膨脹影響，盡量減小工件的變形和開裂等。5.導電性材料的導電性常用電阻率表示。電阻率表示單位長度、單位面積導體的電阻，其單位為Ω·m。電阻率越低，材料的導電性越好。金屬通常具有較好的導電性，其中最好的是銀，銅和鋁次之。金屬具有正的電阻溫度系數(shù)，即隨溫度升高，電阻增大。含有雜質或受到冷變形會導致金屬的電阻上升。6.磁性材料在磁場中能被磁化或導磁的能力稱為導磁性或磁性。金屬材料可分為鐵磁性材料、順磁性材料和抗磁性材料。鐵磁性材料（如鐵、鈷等）在外磁場中能強烈地被磁化，可用于制造變壓器、電動機、測量儀表等；抗磁性材料（如銅、鋅等）能抗拒或削弱外磁場對材料本身的磁化作用，可用于要求避免電磁場干擾的零件和結構材料，如航海羅盤等；順磁性材料（如錳、鉻等）在外磁場中只能微弱地被磁化，多用于磁量子放大器和光量子放大器，在工業(yè)上應用極少。2.3材料的化學性能

金屬