第二章 材料主要性能

挑戰(zhàn)者號爆炸事故55億1986年1月28日，“挑戰(zhàn)者”號航天飛機(jī)在升空后73秒之后發(fā)生爆炸墜毀，起因只是由于一個(gè)小密封圈出現(xiàn)故障，造成液態(tài)氫泄漏，最終引發(fā)大爆炸該航天飛機(jī)的造價(jià)為45億美元，在用于事故調(diào)查、錯(cuò)誤糾正、損失裝置更換的費(fèi)用也花費(fèi)了10億美元使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。工藝性能：材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削性能等。第2章金屬材料的主要性能

材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。

當(dāng)外力去除后能夠恢復(fù)原來形狀的性能稱為彈性，外力去除后能夠恢復(fù)的變形為彈性變形。在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不至引起斷裂的性能，稱為塑性，在外力去除后保留下來的這部分不能恢復(fù)的變形，稱為塑性變形。

五萬噸水壓機(jī)2.1靜載下金屬材料的力學(xué)性能

拉伸試樣拉伸試驗(yàn)機(jī)應(yīng)力=P/F0應(yīng)變=(l-l0)/l01、拉伸試驗(yàn)與應(yīng)力應(yīng)變曲線2.1靜載下金屬材料的力學(xué)性能

2、彈性、剛度與強(qiáng)度（1）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。在應(yīng)力應(yīng)變曲線中，OA段為彈性變形階段，A點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)力為材料承受最大彈性變形時(shí)的應(yīng)力，稱為彈性極限，用e表示。其中，OA’部分為斜直線，應(yīng)力應(yīng)變成比例關(guān)系，A’點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)力為保持這種比例關(guān)系的最大應(yīng)力，稱為比例極限，用p表示。對大多數(shù)材料來講，A、A’幾乎重合，故一般不做區(qū)分。2.1靜載下金屬材料的力學(xué)性能

彈性模量的大小主要取決于材料的本性，同一種材料的彈性模量E基本一樣，但相同材料的兩個(gè)不同零件，其剛度不同，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。

（2）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。2.1靜載下金屬材料的力學(xué)性能

（3）強(qiáng)度：材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。（a）屈服強(qiáng)度sBC段，發(fā)生塑性變形而應(yīng)力不增加，這種現(xiàn)象叫做屈服。B點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度，用s表示。有的材料的屈服強(qiáng)度不明顯，規(guī)定使用條件屈服強(qiáng)度0.2（殘余變形量為0.2%時(shí)的應(yīng)力值）來標(biāo)定。0.2

屈服強(qiáng)度反映材料抵抗永久變形的能力，是最重要的零件設(shè)計(jì)指標(biāo)。2.1.1靜載下金屬材料的力學(xué)性能

（b）抗拉強(qiáng)度b

：材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。CD段為均勻塑性變形階段，應(yīng)力隨著應(yīng)變增加而增加，產(chǎn)生應(yīng)變強(qiáng)化。超過D點(diǎn)后，試樣開始發(fā)生局部塑性變形，即出現(xiàn)頸縮，隨應(yīng)變增加應(yīng)力明顯下降，并在E點(diǎn)迅速斷裂。D點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)力為抗拉強(qiáng)度b?？估瓘?qiáng)度反映材料抵抗斷裂破壞的能力，也是零件設(shè)計(jì)的材料評價(jià)的重要指標(biāo)。2.1.1靜載下金屬材料的力學(xué)性能

塑性：材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。

指標(biāo)為：

●伸長率：●斷面收縮率：斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象3、塑性2.1靜載下金屬材料的力學(xué)性能

說明：①用斷面縮率表示塑性比伸長率更接近真實(shí)變形。②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)，伸長率用表示；當(dāng)l0=5d0時(shí)，伸長率用5表示。顯然5>③

>時(shí)，無頸縮，為脆性材料表征，

<時(shí)，有頸縮，為塑性材料表征。2.1靜載下金屬材料的力學(xué)性能

4、硬度材料抵抗更硬物體壓入其表面（產(chǎn)生局部塑性變形）的能力，是衡量材料軟硬程度的指標(biāo)。（1）布氏硬度HB布氏硬度計(jì)2.1靜載下金屬材料的力學(xué)性能

（載荷除以壓痕表面積的值）（1）HBS（HB）：壓頭為淬火鋼球，適用于布氏硬度值在450以下的材料。（2）HBW：壓頭為硬質(zhì)合金球，適用于布氏硬度在650以下的材料。符號HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值,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(shí)間。例如：120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。布氏硬度壓痕布氏硬度的表示方法與測試范圍：2.1靜載下金屬材料的力學(xué)性能

優(yōu)點(diǎn)：測量誤差小，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。適應(yīng)于：測量退火、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：：

對于低碳鋼:b(MPa)≈3.6HB對于高碳鋼：b(MPa)≈3.4HB對于鑄鐵：b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈0.6(HB-40)HBb(MPa)鋼黃銅球墨鑄鐵2.1靜載下金屬材料的力學(xué)性能

布氏硬度的特點(diǎn)與應(yīng)用：h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計(jì)（2）洛氏硬度洛氏硬度符號HR表示，測量：頂角120°金剛石圓錐壓頭，使一定壓力，壓入被測材料，據(jù)壓痕深度度量材料軟硬，壓痕越深，硬度越低。范圍20-67，每0.002mm的壓痕深度為一個(gè)硬度單位。根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為用九個(gè)標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為A、B、C。2.1靜載下金屬材料的力學(xué)性能

符號HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。HRA用于測量高硬度材料,如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。HRB用于測量低硬度材料,如有色金屬和退火、正火鋼等。HRC用于測量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。缺點(diǎn)：測量結(jié)果分散度大。鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕2.1靜載下金屬材料的力學(xué)性能

（3）維氏硬度HV:采用錐面夾角136°金剛石四棱錐體壓頭,卸載后得一對角線長d的四方錐形壓痕,載荷除以壓痕表面積的值為維氏硬度,單位MPa。P136°d維氏硬度用于測量極軟到極硬的薄片金屬材料幾種硬度之間的相互換算關(guān)系：1HBS≈10HRC,1HBS≈1HV維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度計(jì)特別提示

零(構(gòu))件服役的環(huán)境是多種多樣的，對于工程上的零部件絕大多數(shù)是承受動(dòng)載荷的作用，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)里的連桿、曲軸等部件就是這種情況。因此。研究材料的動(dòng)載力學(xué)性能才能接近實(shí)際情況。以便為解決實(shí)際工程問題提供了更適合的評價(jià)方法。

1、沖擊韌性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)測得)。2.2動(dòng)載和高溫下金屬材料的力學(xué)性能

沖擊試驗(yàn)測定原理1、沖擊韌性2.2動(dòng)載和高溫下金屬材料的力學(xué)性能

沖擊韌性值ak=(GH1-GH2)/F×9.8（J/cm）2即試樣缺口處單位面積上所吸收的沖擊功。

ak值與材料、溫度、缺口形狀、試樣大小有關(guān)，對組織缺陷很敏感，用來檢驗(yàn)冶煉、熱加工等的工藝質(zhì)量的有效方法。在實(shí)際中，零件經(jīng)過一次沖擊即發(fā)生斷裂的情況極少。許多零件總是在很多次沖擊之后才會(huì)斷裂，且所承受的沖擊能量也遠(yuǎn)小于一次沖斷的能量。這種沖擊稱做多次沖擊。大能量一次沖擊時(shí)，其沖擊抗力主要取決于塑性；而小能量多次沖擊時(shí)，其多沖抗力則主要取決于強(qiáng)度。2、疲勞強(qiáng)度（1）疲勞斷裂：材料在低于s的重復(fù)交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。（2）疲勞曲線：材料所承受的交變應(yīng)力與其斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系圖。(3）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(shí)的最大應(yīng)力稱為疲勞極限。隨材料承受的交變應(yīng)力值的下降，其斷裂時(shí)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N值增加。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。對稱循環(huán)交變的疲勞極限用-1表示。鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為10，有色金屬合金為10。782.2動(dòng)載和高溫下金屬材料的力學(xué)性能

1-疲勞源、2-疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和3-瞬時(shí)斷裂區(qū)

疲勞斷口示意圖

金屬的疲勞極限受到很多因素的影響，主要有：

工作條件、表面狀態(tài)、材質(zhì)、殘余內(nèi)應(yīng)力等。

提高零件的疲勞極限的方法：改善零件的結(jié)構(gòu)形狀，避免應(yīng)力集中，降低零件表面粗糙度值以及采取各種表面強(qiáng)化的方法。2.2動(dòng)載和高溫下金屬材料的力學(xué)性能

特別提示零(構(gòu))件服役的環(huán)境是多種多樣的，如有的零件在高溫下工作，有的零件在低溫下工作，那么在室溫下測定的性能指標(biāo)就不能代表它在高溫或低溫下的性能。屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度與溫度有很大關(guān)系，一般溫度升高，材料彈性模量E、強(qiáng)度（s）降低，塑性提高，并會(huì)產(chǎn)生蠕變。2.2動(dòng)載和高溫下金屬材料的力學(xué)性能

3、蠕變

蠕變是指材料在長時(shí)間的恒溫（高溫）、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。

由于蠕變變形而最后導(dǎo)致金屬材料的斷裂稱為蠕變斷裂

。2.3金屬材料的物理、化學(xué)和工藝性能1、物理性能：主要有密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和磁性等。

飛機(jī)零件常選密度小的鋁、鎂、鈦合金來制造。設(shè)計(jì)電器考慮金屬材料導(dǎo)電性。設(shè)計(jì)日用品----材料熱成型性。2、化學(xué)性能:指其在常溫或高溫時(shí)，抵抗各種活性介質(zhì)侵蝕的能力。如耐酸、耐堿性、抗氧化性等。

如化工設(shè)備、醫(yī)療用具可用不銹鋼；內(nèi)燃機(jī)排氣閥和電站設(shè)備的零件可用耐熱鋼。3、工藝性能: