《材料的性能》課件

材料的性能是指材料的性質(zhì)和功能。性質(zhì)是本身所具有的特性或本性；功能是人們對(duì)材料的某種期待與要求可以承擔(dān)的功效，以及承擔(dān)該功效下的表現(xiàn)或能力。第一章材料的性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能工藝性能使用性能材料的性能是指材料的性質(zhì)和功能。性質(zhì)是本身所具有的特性或本性11、力學(xué)性能：在外力或能量作用下表現(xiàn)出來(lái)的變形和破壞的特征。

通常把作用在材料上的外力或能量稱為載荷或負(fù)荷。對(duì)結(jié)構(gòu)零件，力學(xué)性能是工程設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。材料的常用力學(xué)性能指標(biāo)有：靜載時(shí)材料的力學(xué)性能：彈性，強(qiáng)度，塑性，硬度動(dòng)載時(shí)材料的力學(xué)性能：沖擊韌性疲勞特性耐磨性高、低溫下的力學(xué)性能：高溫——蠕變，低溫——脆性斷裂載荷大小不變或變化緩慢由于運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的作用在構(gòu)件上的作用力。1、力學(xué)性能：在外力或能量作用下表現(xiàn)出來(lái)的變形和破壞的特征。2靜力拉伸試驗(yàn)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)靜力拉伸試驗(yàn)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)3靜力拉伸試驗(yàn)變形和斷裂行為材料在外力作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。外力去除后能恢復(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。為消除試樣幾何尺寸對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響：靜力拉伸試驗(yàn)變形和斷裂行為為消除試樣幾何尺寸對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響4拉伸試驗(yàn)P:比例極限e:彈性極限E：彈性模量s:屈服強(qiáng)度(0.2)b:抗拉強(qiáng)度拉伸試驗(yàn)P:比例極限5彈性和剛性彈性變形：在OA段，外力卸載后試樣恢復(fù)到原始長(zhǎng)度。通常用彈性極限se表示材料可以承受最大彈性變形的應(yīng)力。工程實(shí)際中，一般規(guī)定以殘余應(yīng)變量為0.01%時(shí)的應(yīng)力值作為“條件彈性極限”。彈性和剛性彈性變形：工程實(shí)際中，一般規(guī)定以殘余應(yīng)變量為0.06彈性和剛性彈性變形：在OA’段為直線，即應(yīng)力與應(yīng)變成正比，變化規(guī)律服從虎克定律，其極限應(yīng)力為比例極限sp

。彈性和剛性彈性變形：7彈性和剛度剛度：材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。指標(biāo)為彈性模量E。取應(yīng)力應(yīng)變曲線上的彈性變形階段，實(shí)際工件的剛度首先取決于材料的彈性模量（即基體金屬的性質(zhì)），又與該工件的形狀和尺寸有關(guān)；但是難于通過(guò)合金化、熱處理、冷熱加工等方法使之改變，即E是結(jié)構(gòu)不敏感參數(shù)。彈性和剛度剛度：材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。指標(biāo)為彈性模量8強(qiáng)度與塑性

①?gòu)?qiáng)度：在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。(單位MPa)屈服強(qiáng)度ss：材料產(chǎn)生屈服（塑性變形）時(shí)的最小應(yīng)力，表示材料抵抗塑性變形的能力。條件屈服強(qiáng)度s0.2：對(duì)于無(wú)明顯屈服現(xiàn)象的材料，規(guī)定以殘余應(yīng)變量達(dá)到0.2%時(shí)的應(yīng)力值作為屈服強(qiáng)度。強(qiáng)度與塑性①?gòu)?qiáng)度：在外力作用下抵抗塑性變形9強(qiáng)度與塑性

抗拉強(qiáng)度sb：材料能承受的最大拉應(yīng)力，表示材料抵抗破斷的能力?？估瓘?qiáng)度又稱為強(qiáng)度極限，是零件因斷裂而失效的主要設(shè)計(jì)和選材依據(jù)之一。與彈性極限和屈服強(qiáng)度相比，抗拉強(qiáng)度具有易于測(cè)定的優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。強(qiáng)度與塑性抗拉強(qiáng)度sb：材料能承受的最大拉10強(qiáng)度與塑性②塑性：金屬材料在外力作用下發(fā)生永久變形而不斷裂的能力。 斷面收縮率是試樣被拉斷后截面積的相對(duì)收縮量。強(qiáng)度與塑性②塑性：金屬材料在外力作用下發(fā)生永久變形而不斷裂11強(qiáng)度與塑性塑性指標(biāo)的工程意義：一般不直接用于機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算；當(dāng)零件遭受意外過(guò)載或沖擊時(shí)，通過(guò)塑性變形和應(yīng)變強(qiáng)化可避免突然斷裂；零件因存在臺(tái)階、溝槽及表面粗糙時(shí)，通過(guò)塑性變形可緩和應(yīng)力集中的作用，防止破壞；保證某些成形工藝和修復(fù)工藝的順利進(jìn)行；對(duì)金屬材料能反映材料冶金質(zhì)量的好壞。強(qiáng)度與塑性塑性指標(biāo)的工程意義：12③硬度：材料抵抗外物壓入能力，硬度測(cè)量簡(jiǎn)便快速，不破壞零件，硬度與強(qiáng)度間存在一定關(guān)系，可用硬度來(lái)估計(jì)強(qiáng)度，硬度測(cè)量應(yīng)用很廣泛。壓入法（常用）●布氏硬度：HBW；（單位N/mm2,習(xí)慣不寫)●洛氏硬度：HRA、HRB、HRC；（無(wú)單位）●維氏硬度：HV。（單位N/mm2,習(xí)慣不寫)刻劃法：莫氏硬度③硬度：材料抵抗外物壓入能力，硬度測(cè)量簡(jiǎn)便快速，不破壞13硬度反映材料抵抗局部塑性變形的能力，是衡量材料軟硬程度的指標(biāo)，也是表征材料性能的一個(gè)綜合參量。莫氏硬度：刻劃法硬度，適用于陶瓷和礦物。材料名稱硬度級(jí)別滑石1石膏2螢石4鈉長(zhǎng)石6黃玉8剛玉9金剛石10硬度反映材料抵抗局部塑性變形的能力，是衡量材料軟硬程度的指標(biāo)14布氏硬度：應(yīng)用最久、最廣泛用直徑D硬質(zhì)合金球在力P的作用下壓在試樣上一定時(shí)間，壓痕直徑為d。適用于較軟的塑性材料。優(yōu)點(diǎn)：壓痕面積大，測(cè)量結(jié)果誤差小。缺點(diǎn)：不適宜成品零件即薄而小的零件。布氏硬度值的表示方法：硬度值＋HBW＋球直徑mm＋試驗(yàn)力數(shù)值(單位kgf)＋與規(guī)定時(shí)間(10-15s)不同的試驗(yàn)力保持時(shí)間如：350HBW5/750,600HBW1/30/20布氏硬度：應(yīng)用最久、最廣泛用直徑D硬質(zhì)合金球在力P的作用下壓15洛氏硬度：

用將標(biāo)準(zhǔn)壓頭用規(guī)定壓力壓入被測(cè)材料表面，根據(jù)壓痕深度h來(lái)確定硬度值。洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度值的表示方法：硬度值(從硬度計(jì)上直接讀出)＋HRA、HRB或HRC如：60HRC,75HRA常用洛氏硬度因所用壓頭和載荷不同又分為：HRC、HRB、HRA三種，其中HRC應(yīng)用最廣泛。洛氏硬度：洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度值的表示方法：常用洛氏16優(yōu)點(diǎn)：操作迅速簡(jiǎn)便，效率高，適用于大量生產(chǎn)中的成品檢驗(yàn)；壓痕很小，幾乎不損傷工件表面，可對(duì)工件直接進(jìn)行檢驗(yàn)。缺點(diǎn)：壓痕小，數(shù)據(jù)分散度較大，代表性、重復(fù)性差；不同標(biāo)尺測(cè)得的硬度值不能直接進(jìn)行比較。優(yōu)點(diǎn)：操作迅速簡(jiǎn)便，效率高，適用于大量生產(chǎn)中的成品檢驗(yàn)；壓痕17

測(cè)量原理與布氏硬度法相似，用壓痕單位面積上承受的力作為材料硬度的度量。但采用對(duì)面夾角136度四棱錐金剛石壓頭，在力P作用下壓入材料，力的大小從980N、490N…到0.192N不等。維氏硬度：維氏硬度值的表示方法：硬度值＋HV＋試驗(yàn)力數(shù)值(kgf)＋與規(guī)定時(shí)間(10-15s)不同的試驗(yàn)力保持時(shí)間如：640HV/30/20,600HBW1/30/20優(yōu)點(diǎn)：具有前兩種測(cè)試方法的優(yōu)點(diǎn)，負(fù)荷大小可任意選擇，適合各種軟、硬不同的測(cè)量，特別適用于測(cè)量薄工件、表層或微區(qū)。缺點(diǎn)：需測(cè)量四方錐形的對(duì)角線后才能得到硬度值，效率低。測(cè)量原理與布氏硬度法相似，用壓痕單位面積上承受18實(shí)際上是小載荷的維氏硬度試驗(yàn)，載荷在1000g以下，壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度以mm計(jì)，符號(hào)同樣用HV表示，用于測(cè)量微區(qū)硬度（如單個(gè)晶粒、夾雜物、某種相組成等）的測(cè)試。顯微硬度：實(shí)際上是小載荷的維氏硬度試驗(yàn)，載荷在1000g19利用筆形里氏硬度計(jì)中的沖擊裝置，對(duì)被測(cè)部位施加沖擊力后，得到硬度值。硬度值定義為沖擊體回彈速度vR與沖擊速度vA之比乘以1000。里氏硬度：里氏硬度值的表示方法：硬度值＋HL＋沖擊裝置型號(hào)(D、DC、G、C)如：700HLD優(yōu)點(diǎn)：小型、便攜，對(duì)被測(cè)件損傷極小，測(cè)量范圍大，可與壓入法試驗(yàn)（布氏、洛氏、維氏）硬度值通過(guò)對(duì)比曲線進(jìn)行相互換算。缺點(diǎn)：物理意義不夠明確。利用筆形里氏硬度計(jì)中的沖擊裝置，對(duì)被測(cè)部位施加沖擊力后，得到20布氏硬度計(jì)洛氏硬度計(jì)維氏硬度計(jì)金相顯微鏡里氏硬度計(jì)BrinellHardnessTesterRockwellApparatusVickersHardnessTesterMetalloscopeRichterHardnessTester布氏硬度計(jì)洛氏硬度計(jì)維氏硬度計(jì)金相顯微鏡里氏硬度計(jì)Brine21沖擊韌性

沖擊韌性是材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。常用一次擺錘沖擊試驗(yàn)測(cè)定。試樣尺寸試驗(yàn)方法沖擊韌性 沖擊韌性是材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力22沖擊韌性

沖擊韌性aK值：以帶缺口標(biāo)準(zhǔn)試樣快速?zèng)_斷時(shí)，單位橫截面積吸收的沖擊功表示，單位J/cm2。沖擊韌性是材料強(qiáng)度和塑性綜合作用的結(jié)果。沖擊韌性的工程意義：反映材料的冶金質(zhì)量和熱加工產(chǎn)品的質(zhì)量；結(jié)合斷口分析，可揭示氣孔、夾雜、偏析等冶金缺陷，檢查過(guò)熱、過(guò)燒、回火脆性等鍛造或熱處理缺陷；根據(jù)AK－T曲線，可確定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度；可評(píng)定材料對(duì)大能量沖擊破壞的缺口敏感性。沖擊韌性 沖擊韌性aK值：以帶缺口標(biāo)準(zhǔn)試樣快速?zèng)_斷時(shí)，單位橫23疲勞強(qiáng)度機(jī)械零件的斷裂失效中，80％以上屬于疲勞斷裂。材料受交變載荷作用時(shí)，即使工作應(yīng)力低于抗拉強(qiáng)度，甚至低于屈服強(qiáng)度，但經(jīng)一定循環(huán)周次后，會(huì)在沒(méi)有明顯的宏觀塑性變形和預(yù)兆情況下，突然發(fā)生的脆性斷裂，這種現(xiàn)象稱為材料疲勞斷裂。疲勞斷裂是損傷的積累過(guò)程，包括疲勞裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展、瞬間斷裂三各階段。交變載荷示意圖（載荷大小、方向隨時(shí)間呈周期性循環(huán)變化）疲勞斷裂的原因，一般認(rèn)為是由于材料表面與內(nèi)部的缺陷(夾雜、劃痕、尖角等)，造成局部應(yīng)力集中，形成微裂紋。疲勞強(qiáng)度機(jī)械零件的斷裂失效中，80％以上屬于疲勞斷裂。材料受24疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度：表示材料經(jīng)受無(wú)限多次循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力。對(duì)于對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)條件，繪制疲勞曲線(s-1-N)，對(duì)于鋼鐵材料，當(dāng)應(yīng)力降到某值后，疲勞曲線趨于水平直線，此直線對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即為疲勞強(qiáng)度/極限。對(duì)多數(shù)有色金屬和聚合物，疲勞曲線上沒(méi)有水平部分，工程上規(guī)定以108次應(yīng)力循環(huán)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為條件疲勞極限。應(yīng)力大小和循環(huán)次數(shù)有關(guān)疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度：表示材料經(jīng)受無(wú)限多次循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力25斷裂韌性 斷裂韌性是材料中存在缺陷時(shí)，材料抵抗低應(yīng)力脆斷(低于屈服強(qiáng)度時(shí)發(fā)生的脆性斷裂)的能力。 大型構(gòu)件不可避免存在各種缺陷(冶金缺陷、加工和使用過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋)，在外力作用下，裂紋發(fā)生擴(kuò)展，當(dāng)裂紋長(zhǎng)度超過(guò)臨界尺寸時(shí)，迅速失穩(wěn)擴(kuò)展，導(dǎo)致低應(yīng)力脆斷。

斷裂韌性 斷裂韌性是材料中存在缺陷時(shí)，材料抵抗低應(yīng)力脆斷(低26斷裂韌性斷裂韌性指標(biāo)為KIC，又稱臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，有專門的測(cè)定方法。為防止低應(yīng)力脆斷，工程應(yīng)用要求：Y裂紋形狀系數(shù)，a裂紋長(zhǎng)度的一半。KI表示裂紋尖端(存在應(yīng)力集中)附近的實(shí)際應(yīng)力值。與裂紋形狀有關(guān)，隨外力和裂紋長(zhǎng)度增大而增大，當(dāng)KI值大到某一數(shù)值時(shí)，可使裂紋失去穩(wěn)定而迅速擴(kuò)展，材料處于臨界脆斷狀態(tài)。其中應(yīng)力強(qiáng)度因子斷裂韌性斷裂韌性指標(biāo)為KIC，又稱臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，有專門的27耐磨性一個(gè)零件相對(duì)另一零件有摩擦運(yùn)動(dòng)而造成接觸面的尺寸變化、質(zhì)量損失現(xiàn)象稱為磨損。根據(jù)磨損機(jī)理不同，主要分為氧化磨損、粘著磨損(分子作用力)

、磨粒磨損(切削)和接觸疲勞磨損。磨損的后果可能因零件尺寸變化，輕則降低傳動(dòng)質(zhì)量，影響部件的使用性能；重則因尺寸變小造成零件斷裂。耐磨性e：材料抵抗磨損的能力。常用評(píng)定指標(biāo)：磨損率w和相對(duì)耐磨性e相。耐磨性一個(gè)零件相對(duì)另一零件有摩擦運(yùn)動(dòng)而造成接觸面的尺寸變化、28耐磨性是無(wú)量鋼量，可避免在磨損過(guò)程中參數(shù)變化及測(cè)量所造成的系統(tǒng)誤差。磨損率w是材料在單位時(shí)間或單位運(yùn)動(dòng)距離內(nèi)所產(chǎn)生的磨損質(zhì)量。測(cè)定方法讓兩試樣組成摩擦副，在設(shè)定條件(力、潤(rùn)滑劑)進(jìn)行一定時(shí)間的摩擦運(yùn)動(dòng)后，測(cè)定試樣的尺寸減小值/質(zhì)量的損失值/摩擦表面外觀形貌來(lái)比較不同材料的耐磨性e。提高耐磨性的措施：降低材料的摩擦系數(shù)，提高摩擦副表面的硬度。耐磨性是無(wú)量鋼量，可避免在磨損過(guò)程中參數(shù)變化及測(cè)量所造成的系29密度與比容導(dǎo)熱性熱膨脹系數(shù)α單位體積物質(zhì)的質(zhì)量Kg/M3單位質(zhì)量的物質(zhì)所占的體積M3/Kg物體內(nèi)溫度梯度為1℃/M時(shí)，在單位時(shí)間、單位面積內(nèi)傳遞的熱量W/(M·K)

溫度上升1℃時(shí)，單位長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量mm/(℃·mm)或℃-1

2、物理性能：材料本身的具有各種物理量(熱、電、光、磁等)以及環(huán)境變化時(shí)他們的變化程度。熔點(diǎn)物質(zhì)由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度，反映固態(tài)下原子間結(jié)合力。密度與比容導(dǎo)熱性熱膨脹系數(shù)α單位體積物質(zhì)的質(zhì)量Kg/30電阻與電導(dǎo)電阻溫度系數(shù)導(dǎo)磁率電阻率為單位長(zhǎng)度和單位截面積導(dǎo)體的電阻。單位是M，其倒數(shù)稱為電導(dǎo)率S/M溫度上升1℃時(shí)，電阻率

的變化系數(shù)，單位℃-1

電子導(dǎo)電的特點(diǎn)是溫度升高，電阻率上升；離子導(dǎo)電是熱激活過(guò)程，溫度升高，電阻率下降。超導(dǎo)現(xiàn)象是材料在很低溫度下，電阻突然從某個(gè)值降為零的特征。每種材料有自己的轉(zhuǎn)變溫度，某些化合物的轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到100K以上。是鐵合金、化合物(鐵氧體)特有性能。物理性能電阻與電導(dǎo)電阻溫度系數(shù)導(dǎo)磁率電阻率為單位長(zhǎng)度和單位截面積導(dǎo)31

工程材料主要考慮其耐腐蝕性，電化學(xué)材料有的考察電極電位、儲(chǔ)能密度等。材料由于周圍環(huán)境介質(zhì)侵蝕而造成的損傷和破壞均稱為腐蝕。發(fā)生腐蝕的化學(xué)過(guò)程有化學(xué)腐蝕(氧化)、電化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕等不同形式。腐蝕速度與材料、介質(zhì)、溫度、應(yīng)力、輻照……因素有關(guān)。腐蝕不僅影響零件表面質(zhì)量，并且可以造成零件早期損壞，防腐設(shè)計(jì)應(yīng)考慮材料的選擇和防腐措施相結(jié)合。3、化學(xué)性能：反映材料與各種化學(xué)試劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的可能性和反應(yīng)速度大小的相關(guān)參數(shù)。工程材料主要考慮其耐腐蝕性，電化學(xué)材料有的考察電極電324、工藝性能是材料力學(xué)、物理、化學(xué)性能的綜合表現(xiàn)。主要反映材料生產(chǎn)或零部件加工過(guò)程的可能性或難易程度。1）材料可生產(chǎn)性：得到材料可能性和