第二章工程材料的基本性能

第二章工程材料的基本性能第一節(jié)材料的力學(xué)性能第二節(jié)材料的物理、化學(xué)性能第三節(jié)不同種類材料的主要性能比較第一節(jié)材料的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能主要是指材料的宏觀性能，如彈性性能、塑性性能、硬度、抗沖擊性能等。

材料的機(jī)械性能實(shí)驗(yàn)有：拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、硬度、疲勞和沖擊等，通過這些實(shí)驗(yàn)可以測出相應(yīng)的機(jī)械性能指標(biāo)，最常見的是拉伸實(shí)驗(yàn)、硬度實(shí)驗(yàn)和沖擊實(shí)驗(yàn)。性能指標(biāo)包括四大項(xiàng)：強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性。性能指標(biāo)：定義、符號(hào)、單位、數(shù)值含義。圖2-1一、彈性、塑性及強(qiáng)度拉伸試驗(yàn)：圖中d0和l0分別為試樣在拉伸前的計(jì)算直徑和計(jì)算長度，d和l分別為試樣在拉斷后的斷口直徑和計(jì)算長度。圖1-1標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣示意圖

kbb—

極限載荷點(diǎn)力學(xué)拉伸試驗(yàn)Fee—

彈性極限點(diǎn)sS—

屈服點(diǎn)K—

斷裂點(diǎn)拉伸曲線應(yīng)力—應(yīng)變曲線縮頸oFFL2.塑性塑性性能載荷卸除后不能消失的變形稱為殘余變形。材料保持殘余變形的能力稱為塑性，因而殘余變形又稱為塑性變形。反映材料塑性性能的參量有屈服極限、延伸率和斷面收縮率等。此外，與塑性性能有關(guān)的現(xiàn)象有材料的強(qiáng)化現(xiàn)象和拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象。若加載在材料中引起的應(yīng)力超過σe，則卸載后有一部分變形不能消失，這種變形就是塑性變形。3.強(qiáng)度（二）屈服強(qiáng)度（屈服極限）概念：材料抵抗應(yīng)力作用下，開始發(fā)生明顯塑性變形，拉力不增加，應(yīng)力增加，產(chǎn)生屈服現(xiàn)象的最小應(yīng)力值稱為屈服強(qiáng)度。單位：MPa（N/mm2）;表示符號(hào)：σs當(dāng)材料單位面積上所受的應(yīng)力σe<σ<σs時(shí)，只產(chǎn)生微量的塑性變形。當(dāng)σ>σs時(shí)，材料將產(chǎn)生明顯的塑性變形。它表征了材料抵抗微量塑性變形的能力。屈服強(qiáng)度——是塑性材料選材和評(píng)定的依據(jù)。**條件屈服強(qiáng)度概念：實(shí)際上，某些材料（鑄鐵、鑄鋁等）在做拉伸曲線時(shí)和低碳鋼不一樣，并沒有明顯的屈服現(xiàn)象(低碳鋼和鑄鐵的應(yīng)力——應(yīng)變曲線比較)。為此人為的專門規(guī)定，把當(dāng)試樣產(chǎn)生的殘余塑性變形量為標(biāo)距長度的0.2%時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值(σ0.2)定為該材料的屈服強(qiáng)度（條件屈服強(qiáng)度）。單位：MPa(N/mm2);表示符號(hào)：σ0.2實(shí)際意義：一些工程零件(如緊固螺栓)在使用時(shí)是不允許發(fā)生塑性變形的，因此屈服強(qiáng)度是工程設(shè)計(jì)與選材的重要依據(jù)之一。強(qiáng)化屈服階段結(jié)束后，拉伸曲線又呈上升狀，即要使試樣繼續(xù)變形，就須增大載荷，這種現(xiàn)象稱為材料強(qiáng)化。低碳鋼和鑄鐵的應(yīng)力——應(yīng)變曲線比較3、條件疲勞極限

對(duì)于鋼鐵材料，取N=107的循環(huán)周次所對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力為它的σ-1。對(duì)于大多數(shù)非鐵金屬及其合金的疲勞曲線上沒有水平直線部分。如下圖曲線所示這種情況要根據(jù)零件的工作條件及使用壽命確定一個(gè)疲勞極限的循環(huán)周次，并以此所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力σN作為疲勞極限，亦稱條件疲勞極限。一般規(guī)定：鑄鐵取N=107，非鐵金屬取N=108（一）布什硬度如圖所示：布氏硬度測試原理圖

二、硬度概念：硬度是指材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力，是衡量金屬軟硬的判據(jù)。常用方法：通常用布氏硬度、洛氏硬度、李氏硬度、肖氏硬度、維氏硬度等來表示材料的硬度。（一）布什硬度如圖所示：布氏硬度測試原理圖

布氏硬度計(jì)

布什硬度的表示方法硬度值的標(biāo)注方法如下：硬度值

硬度代號(hào)

壓頭直徑D/載荷P/保荷時(shí)間T如：150HBS10/3000/30表示用直徑10mm的淬火鋼球壓頭，在3000kgf載荷作用下保荷時(shí)間為30秒所測得的布氏硬度值為150。（二）洛氏硬度如圖所示為洛氏硬度測試原理圖。HR=K-e/0.002式中：HR為洛氏硬度代號(hào)；K為常數(shù)，當(dāng)采用金剛石圓錐壓頭時(shí)K=100，用淬鋼球壓頭時(shí)K=130。

洛氏硬度計(jì)洛氏硬度的表示方法

硬度值

硬度代號(hào)如：60HRC金剛石圓錐壓頭載荷為150kgf所測得的硬度值為60。洛氏硬度值沒有單位，硬度值越大材料硬度越高，材料的耐磨性越好。（三）布氏硬度與洛氏硬度的比較與選用共同點(diǎn)與不同點(diǎn)布什硬度和洛氏硬度特點(diǎn)比較：1、測定準(zhǔn)確性布什大于洛氏2、測量范圍洛什大于布氏3、測量效率洛什大于布氏4、應(yīng)用對(duì)象布什硬度：主要用于原材料、毛坯和半成品的硬度的單件、小批測量。不適合于測量厚度太小和成品零件的硬度。洛氏硬度：不僅可以用于測量原材料、毛坯和半成品的硬度，也可以用于測量成品的硬度，不僅可以用于單件、小批測量，也可以用于大批量測量。（四）維氏硬度四、蠕變極限

很多構(gòu)件長期在高溫條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。例如，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的使用溫度高達(dá)1000℃，用Cr-Mo-V鋼制造的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子使用溫度約為550℃等。高溫對(duì)材料的力學(xué)性能影響很大。溫度和時(shí)間還影響材料的斷裂形式。1、蠕變現(xiàn)象和蠕變曲線當(dāng)溫度T≥(0.3~0.5)Tm(Tm為熔點(diǎn)，單位為K)時(shí)，金屬材料在恒載荷的持續(xù)作用下，發(fā)生與時(shí)間相關(guān)的塑性變形，稱為蠕變。相應(yīng)的應(yīng)變與時(shí)間關(guān)系曲線稱為蠕變曲線。金屬材料的典型蠕變曲線如圖2-4所示。圖2-4典型蠕變曲線oa線段是施加外載荷后試樣的瞬時(shí)應(yīng)變

0，不屬于蠕變；曲線abcd表明應(yīng)變是隨時(shí)間增長逐漸產(chǎn)生的，稱為蠕變；蠕變曲線上任一點(diǎn)的斜率表示該點(diǎn)的蠕變速率，用表示。根據(jù)蠕變速率的變化情況可以將蠕變過程分為三個(gè)階段：ab段為蠕變第一階段，其蠕變速率隨時(shí)間而逐漸減小，故又稱為減速蠕變階段；

bc段為蠕變第二階段，又稱恒速蠕變或穩(wěn)態(tài)蠕變階段，即其蠕變速率保持恒定；蠕變第三階段(cd段)的蠕變速率隨時(shí)間延長急劇增大直至斷裂，稱為加速蠕變階段。

蠕變曲線各階段持續(xù)時(shí)間的長短隨材料和試驗(yàn)條件而變化。如圖2-5所示：圖2-5應(yīng)力和溫度對(duì)蠕變曲線影響示意圖a）等溫曲線（σ4＞σ3＞σ2＞σ1）b）等壓力曲線（T4＞T3＞T2＞T1）

2、蠕變極限和持久強(qiáng)度蠕變極限是高溫長時(shí)期載荷下材料對(duì)變形的抗力指標(biāo)，是高溫強(qiáng)度設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。它有兩種表示方法。一種是在給定溫度下，規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一定蠕變總量的應(yīng)力值，以(MPa)表示。另一種是在一定溫度下，產(chǎn)生規(guī)定的穩(wěn)態(tài)蠕變速率的應(yīng)力值，以(MPa)表示。蠕變極限適用于失效方式為過量變形的那些高溫零部件。

持久強(qiáng)度是材料抵抗蠕變斷裂的能力。它是在一定溫度下，規(guī)定時(shí)間內(nèi)使材料斷裂的最大應(yīng)力值，以表示。對(duì)于鍋爐、管道等構(gòu)件。其主要破壞方式是斷裂而不是變形，設(shè)計(jì)這類構(gòu)件就要采用持久強(qiáng)度指標(biāo)。

持久塑性是材料承受蠕變變形能力的大小，用蠕變斷裂時(shí)的相對(duì)伸長率和相對(duì)斷面收縮率表示。五、沖擊吸收功沖擊功使試樣在沖擊載荷下破斷所必須的有效功，通常由沖擊試驗(yàn)求得。試驗(yàn)中所用的帶缺口的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)機(jī)如圖2-6和圖2-7所示。試驗(yàn)中擺錘沖斷試樣過程中所作的功就是沖擊功AK，其值為：

AK=W(H1-H2)式中W為擺錘重量;H1為擺錘開始下落時(shí)的高度;H2為試樣沖斷后擺錘擺起的高度。除了標(biāo)準(zhǔn)的沖擊試樣外,有時(shí)也用非標(biāo)準(zhǔn)試樣，它們主要是缺口的形式有些不同。對(duì)于某些脆性材料，常采用無缺口沖擊試樣。沖擊試驗(yàn)在研究工作中，有時(shí)還采用拉伸沖擊試驗(yàn)和扭轉(zhuǎn)沖擊試驗(yàn)。

圖2-6圖2-7五、斷裂韌度

斷裂是工程上最危險(xiǎn)的失效形式。

特點(diǎn)：（a）突然性或不可預(yù)見性；（b）可能低于屈服力，發(fā)生斷裂，是一種低應(yīng)力脆斷，其斷口沒有宏觀塑性變形痕跡；（c）由宏觀裂紋擴(kuò)展引起。

因此，工程上常采用加大安全系數(shù)；浪費(fèi)材料。

但過于加大材料的體積，不一定能防止斷裂。

因此，發(fā)展出斷裂力學(xué)。斷裂力學(xué)的研究范疇：

把材料看成是裂紋體，利用彈塑性力學(xué)理論，研究裂紋尖端的應(yīng)力、應(yīng)變，以及應(yīng)變能分布；確定裂紋的擴(kuò)展規(guī)律；建立裂紋擴(kuò)展的新的力學(xué)參數(shù)（斷裂韌度）。定義：材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力或材料在斷裂過程中吸收能量的能力應(yīng)力場強(qiáng)度因子KI：KI可以反映裂紋尖端應(yīng)力場的強(qiáng)弱。稱之為應(yīng)力場強(qiáng)度因子。斷裂韌度KIC和斷裂判據(jù)①斷裂韌度當(dāng)KI達(dá)到臨界值時(shí)，裂紋尖端足夠大的范圍內(nèi)，應(yīng)力達(dá)到斷裂強(qiáng)度，裂紋失穩(wěn)快速擴(kuò)展而斷裂。臨界或失穩(wěn)狀態(tài)的KI值記作：KIC或KC，稱為斷裂韌度。

KC—平面應(yīng)力斷裂韌度

KIC—平面應(yīng)變，I類裂紋時(shí)斷裂韌度

②斷裂判據(jù)

KI<KIC

有裂紋，但不會(huì)斷裂

KI=KIC

臨界狀態(tài)

KI>KIC

發(fā)生裂紋擴(kuò)展，直至斷裂KIC=Y·

c·(ac)1/2其中

c：為臨界狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的平均應(yīng)力（也即斷裂應(yīng)力或裂紋斷裂強(qiáng)度）ac：臨界裂紋尺寸KIC

c

或ac

難以斷裂

KIC表征材料抵抗斷裂的能力裂紋擴(kuò)展的脆斷判據(jù)：KI≥KIC

（KC

）（只適用于線彈性體——彈性狀態(tài)下的斷裂分析）六、摩擦與磨損

摩擦

靜摩擦外摩擦摩擦動(dòng)摩擦內(nèi)摩擦滾動(dòng)摩擦滑動(dòng)摩擦摩擦磨損潤滑和密封失效是現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)的主要失效原因。第二節(jié)材料的物理、化學(xué)性能一、材料的物理性能1.材料的電學(xué)性能材料的電學(xué)性能首先是材料的導(dǎo)電性，它與材料的結(jié)構(gòu)、組織、成分等因素有關(guān)。（1）電阻率與電導(dǎo)率電阻率是微觀水平上阻礙電流流動(dòng)的度量；電導(dǎo)率是電阻率的倒數(shù)。（2）超導(dǎo)電性在一定的低溫條件下材料突然失去電阻的現(xiàn)象為超導(dǎo)電性。超導(dǎo)體的基本特性：完全導(dǎo)電性；完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）。超導(dǎo)體的性能指標(biāo)：臨界轉(zhuǎn)變溫度；臨界磁場；臨界電流密度。（3）影響材料導(dǎo)電性的因素1）金屬電阻率隨溫度升高而增大；2）冷塑性變形使金屬的電阻率增大；3）合金化對(duì)導(dǎo)電性有顯著影響。高聚物導(dǎo)電性的影響因素1、分子結(jié)構(gòu)的影響

非極性高聚物絕緣性好，極性高聚物次之，具有常共軛雙鍵結(jié)構(gòu)的共聚物，導(dǎo)電性顯著升高。

結(jié)晶、取向，以及交聯(lián)均使聚合物絕緣體電導(dǎo)率下降。2、摻雜率對(duì)導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電能力的影響摻雜率小時(shí)，電導(dǎo)率隨著摻雜率的增加而迅速增加；當(dāng)達(dá)到一定值后，隨摻雜率增加的變化電導(dǎo)率變化很小，此時(shí)為飽和摻雜率。高分子材料導(dǎo)電能力的影響因素3、共軛鏈長度對(duì)導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電能力的影響高分子材料導(dǎo)電能力的影響因素π電子運(yùn)動(dòng)的波函數(shù)在沿著分子鏈方向有較大的電子云密度，并且隨著共軛鏈長度的增加，這種趨勢更加明顯，導(dǎo)致聚合物電導(dǎo)率的增加。4、溫度對(duì)導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電能力的影響對(duì)金屬晶體，溫度升高引起的晶格振動(dòng)阻礙其在晶體中的自由運(yùn)動(dòng)；而對(duì)于聚乙炔，溫度的升高有利于電子從分子熱振動(dòng)中獲得能量，克服其能帶間隙，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電過程。高分子材料導(dǎo)電能力的影響因素2.材料的磁學(xué)性能(1）磁化率和磁導(dǎo)率材料磁性的本源是材料內(nèi)部電子的循環(huán)和自旋運(yùn)動(dòng)，就是由于電子的這些運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了物質(zhì)的磁性。在受磁場的作用下，由于材料中磁矩排列時(shí)取向趨于一致而呈現(xiàn)出的磁性，這種現(xiàn)場稱為磁化。凡是能被磁化的物質(zhì)稱為磁質(zhì)或磁介質(zhì)。磁感強(qiáng)度是指通過磁場中某點(diǎn)，垂直于磁場方向單位面積的磁力線數(shù)。（2)抗磁性與順磁性材料被磁化后，磁化矢量與外加磁場方向相反的稱為抗磁性；材料被磁化后，磁化矢量與外加磁場方向相同的稱為順磁性。根據(jù)材料被磁化后對(duì)磁場所產(chǎn)生的影響，可以把材料分為三類：a.使磁場減弱的物質(zhì)稱為抗磁性材料；b.使磁場略有增強(qiáng)的物質(zhì)為順磁性材料；c.使磁場強(qiáng)烈增加的物質(zhì)稱為鐵磁性材料。（3）磁化曲線和磁滯回線軟磁材料和硬磁材料3.材料的熱學(xué)性能材料在一定溫度環(huán)境下使用，對(duì)不同的溫度表現(xiàn)出不同的熱物理性能，這些熱物理性能稱為材料的熱學(xué)性能。材料的熱學(xué)性能主要有熱容、熱膨脹、熱傳導(dǎo)等。在沒有相變或化學(xué)反應(yīng)的條件下，材料溫度升高1K時(shí)所吸收的熱量稱做該材料的熱容。物體的體積或長度隨溫度升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹。當(dāng)固體一端的溫度比另一端高時(shí)，熱量就會(huì)從熱端自動(dòng)地