工程材料零部件對(duì)材料性能的要求

01零部件對(duì)材料性能的要求機(jī)械工程材料的類型及主要特征零部件所受的各種負(fù)荷工程設(shè)計(jì)與加工處理所需的材料性能ξ1.1零部件所受的各種負(fù)荷力學(xué)負(fù)荷靜載荷：拉伸、壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲動(dòng)載荷：交變載荷、沖擊載荷引起零件的變形（彈性、塑性）甚至斷裂。熱負(fù)荷尺寸精度下降；材料強(qiáng)度降低（持久強(qiáng)度）；高溫蠕變；氧化；熱應(yīng)力；熱疲勞環(huán)境介質(zhì)的作用腐蝕：化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕、物理腐蝕摩擦磨損：粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損老化：高分子材料由于受環(huán)境因素作用而導(dǎo)致性能下降。ξ2.2工程設(shè)計(jì)與加工處理所需材料性能整機(jī)性能、零部件性能與材料性能的關(guān)系整機(jī)性能：機(jī)器構(gòu)造（架構(gòu)）、制造加工、零部件性能零部件性能：結(jié)構(gòu)、加工處理、材料性能、使用因素機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，主要根據(jù)零部件失效方式來正確選材及確定零件形狀尺寸。ξ2.2材料性能材料性能使用性能力學(xué)性能：強(qiáng)度、塑性、剛度、彈性、硬度、沖擊韌度、斷裂韌度、疲勞極限、摩擦磨損、高溫蠕變工藝性能：鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、切削加工理化性能：密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、磁學(xué)性能、光學(xué)性能耐酸性、耐堿性、耐蝕性、抗氧化性材料工藝性能材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。外力去除后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形。外力去除后不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。

五萬噸水壓機(jī)材料的力學(xué)性能低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線拉伸試樣拉伸試驗(yàn)機(jī)應(yīng)力

=P/F0應(yīng)變

=(l-l0)/l0拉伸實(shí)驗(yàn)和應(yīng)力應(yīng)變曲線拉伸實(shí)驗(yàn)和應(yīng)力應(yīng)變曲線彈性和剛度彈性：指標(biāo)為彈性極限e，即材料承受最大彈性變形時(shí)的應(yīng)力。剛度：材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。指標(biāo)為彈性模量E。

e彈性模量的大小主要取決于材料的本性（成分），除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強(qiáng)化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對(duì)彈性模量的影響很小。可以通過增加橫截面積或改變截面形狀來提高零件的剛度。

強(qiáng)度：材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。屈服強(qiáng)度s：材料發(fā)生微量塑性變形時(shí)的應(yīng)力值。條件屈服強(qiáng)度p0.2：殘余變形量為0.2%時(shí)的應(yīng)力值。抗拉強(qiáng)度b：材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。s0.2強(qiáng)度10塑性：材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。伸長(zhǎng)率：斷面收縮率：斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象塑性用斷面縮率表示塑性比伸長(zhǎng)率更接近真實(shí)變形。直徑d0相同時(shí)，l0，。只有當(dāng)l0/d0為常數(shù)時(shí)，塑性值才有可比性。當(dāng)l0=10d0

時(shí)，伸長(zhǎng)率用

表示；當(dāng)l0=5d0時(shí)，伸長(zhǎng)率用5

表示。顯然5>

>時(shí)，無頸縮，為脆性材料表征

<時(shí)，有頸縮，為塑性材料表征塑性材料抵抗表面局部塑性變形的能力。布氏硬度HB布氏硬度計(jì)硬度

壓頭為鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，用符號(hào)HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。符號(hào)HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值,符號(hào)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(shí)間。

如120HBS10/1000/30示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為120。布氏硬度壓痕硬度（布氏硬度）布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。適于測(cè)量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼,

鑄鐵及有色金屬的硬度。材料的b與HB之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：對(duì)于低碳鋼:b(MPa)≈3.6HB

對(duì)于高碳鋼：b(MPa)≈3.4HB

對(duì)于鑄鐵：b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈0.6(HB-40)HBb(MPa)鋼黃銅球墨鑄鐵硬度（布氏硬度）h1-h0洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度計(jì)洛氏硬度用符號(hào)HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個(gè)標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為A、B、C。

硬度（洛氏硬度）符號(hào)HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。HRA用于測(cè)量高硬度材料,如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。HRB用于測(cè)量低硬度材料,如有色金屬和退火、正火鋼等。HRC用于測(cè)量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，壓痕小，適用范圍廣。缺點(diǎn)：測(cè)量結(jié)果分散度大。鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕硬度（洛氏硬度）維氏硬度計(jì)維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度壓痕硬度（維式硬度）維氏硬度用符號(hào)HV表示，符號(hào)前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時(shí)間。根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了三種測(cè)定方法—維氏硬度試驗(yàn)、小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)、顯微維氏硬度試驗(yàn)。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)。

小負(fù)荷維氏硬度計(jì)顯微維氏硬度計(jì)硬度（維式硬度）是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。指標(biāo)為沖擊韌性值ak(通過沖擊實(shí)驗(yàn)測(cè)得)。沖擊韌性20韌脆轉(zhuǎn)變溫度(BDTT)

材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變溫度。材料的使用溫度應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。韌體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而大多數(shù)面心立方金屬?zèng)]有。沖擊韌性TITANIC的沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)沖擊韌性Titanic號(hào)鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果疲勞現(xiàn)象24疲勞的特點(diǎn)

（1）斷裂應(yīng)力<σb，甚至<σs；

（2）出現(xiàn)脆性斷裂；

（3）對(duì)材料的缺陷（缺口、裂紋和組織缺陷）十分敏感；

（4）疲勞破壞能清楚顯示裂紋的萌生和擴(kuò)展，斷裂；（5）存在破壞的臨界應(yīng)力ac；（6）破壞數(shù)據(jù)的分散性很大。疲勞特點(diǎn)通過改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進(jìn)行表面強(qiáng)化等方法可提高材料疲勞抗力。軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）疲勞斷口材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力稱為疲勞極限。用-1表示。鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107，有色金屬合金為108。疲勞應(yīng)力示意圖疲勞曲線示意圖疲勞極限油輪斷裂和北極星導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體爆炸與材料中存在缺陷有關(guān)

1943年美國(guó)T-2油輪發(fā)生斷裂北極星導(dǎo)彈裂紋擴(kuò)展的基本形式斷裂韌性斷裂韌性應(yīng)力強(qiáng)度因子：描述裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的指標(biāo)。斷裂韌性：材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。C為斷裂應(yīng)力，aC為臨界裂紋半長(zhǎng)，單位為或高溫力學(xué)性能高溫力學(xué)性能特點(diǎn)金屬材料：隨著溫度T的升高----強(qiáng)度降低。不同溫度靜拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨試驗(yàn)溫度升高，屈服平臺(tái)消失，而且材料所能承受的最大載荷也降低。塑性增大

高溫蠕變/蠕變極限蠕變（Creep）

材料在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。蠕變極限：反映長(zhǎng)期載荷作用下的材料對(duì)高溫蠕變變形的抗力導(dǎo)電性材料的理化性能熔點(diǎn)熱膨脹性密度汽車儀表板前部件鎂合金，減重68%導(dǎo)熱性磁學(xué)性能光學(xué)性能材料的理化性能海水腐蝕氧化破壞Ti-Al多孔材料熔蝕-磨損材料的工藝性能(鑄造性)材料在鑄造成形過程中獲得形狀準(zhǔn)確、內(nèi)部健全鑄件的能力稱為材料的鑄造性能。金屬的鑄造性能主要用流動(dòng)性、收縮性、吸氣性、偏析傾向等來衡量?；诣T鐵和青銅具有較好的鑄造性能。用于測(cè)試合金流動(dòng)性的一些方式材料的工藝性能(可鍛性)金屬材料的鍛壓性能（可鍛性）是指金屬經(jīng)受塑性變形而不開裂的能力。鍛壓性能的優(yōu)劣常用金屬材料的塑性和變形抗力來綜合衡量。塑性越好，變形抗力越小，則可鍛性越好。影響因素：內(nèi)在因素（成分、組織）、加工條件（速度、溫度）、應(yīng)力狀態(tài)（壓應(yīng)力狀態(tài)）。30材料的工藝性能(焊接性)焊接性是指材料可以在限定的施工條件下焊接成滿足設(shè)計(jì)要求的構(gòu)件，并達(dá)到預(yù)定工作要求的能力。常見焊接缺陷未焊透材料的工藝性能(切削加工性)切削加工性是指材料被刀具切削加工而成為合格工件的難易程度。通過適當(dāng)?shù)臒崽幚?，可以改善切削加工性。材料的工藝性?熱處理工藝性)熱處理工藝性是指材料接受熱處理的難易程度和產(chǎn)生熱處理缺陷的傾向。常用評(píng)價(jià)指標(biāo)包括：淬透性、淬硬性、回火脆性、氧化脫碳傾向、變形開裂傾向。M量和硬度隨深度的變化ξ2.3機(jī)械工程材料的類型及主要特征機(jī)械工程材料金屬材料高分子材料陶瓷材料復(fù)合材料鋼鐵金屬：鑄鐵、碳鋼、合金鋼非鐵金屬輕金屬：鋁、鎂等重金屬：銅、鉛等稀有金屬：稀土等非金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料硅酸鹽材料(普通陶瓷)：玻璃、水泥、陶瓷、耐火材料新型陶瓷(特種陶瓷)：氧化物、碳化物、氮化物陶瓷及功能陶瓷合成橡膠合成纖維有機(jī)膠黏劑及涂料塑料金屬材料以金屬鍵結(jié)合為主。良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性和金屬光澤。用量最大，應(yīng)用廣泛。有機(jī)高分子材料以分子鍵和共價(jià)