機械工程材料-1章 工程材料的性能及使用性能要求

下面零件的材料具有哪些性能才能滿足使用要求呢？發(fā)動機缸體齒輪消防帶汽車傳動軸零部件對材料性能的要求工程材料的性能分類工藝性能適應(yīng)某種成形加工的能力。鑄造性能鍛造性能切削加工性能熱處理性能焊接性能力學性能物理性能化學性能使用性能材料在工作條件下同，為保證安全可靠地工作，必須具備的性能。1.1工程材料的性能

工程材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的在變形和破壞方面的特性，稱為力學性能。所有材料在力的作用下，都會發(fā)生由變形到破壞的過程。強度反映材料在受到多大的力的情況下會破壞；塑性反映材料能承受多大的變形程度。滿足強度和塑性條件是零件正常使用的必備要求。1.1.1工程材料的力學性能

1）靜態(tài)拉伸試驗在室溫環(huán)境中，將標準拉伸試樣安裝在拉伸試驗機上,沿兩端緩慢施力,進行軸向拉伸,直至拉斷的一種試驗方法。標準試樣形狀-圓形/板形圓形試樣分長試樣：Lo=10d短試樣：Lo=5d1拉伸試驗及拉伸曲線

拉伸試驗機實驗過程中，隨著載荷不斷增加，試樣長度也逐漸增加，產(chǎn)生了變形。連續(xù)測量拉力和相應(yīng)的伸長量,畫在以變形量△L為橫坐標，荷載F為縱坐標的圖上，便得到載荷F－變形量△L關(guān)系曲線，稱為拉伸曲線。試樣直徑、長度不同，怎樣比較不同材料抵抗外力能力的大小?將力－位移曲線轉(zhuǎn)化后，得應(yīng)力-應(yīng)變曲線（σ-ε曲線，能消除試樣尺寸對曲線的影響，使同一材料得到唯一的曲線。拉伸曲線低碳鋼拉伸曲線拉伸曲線圖分析oe--彈性變形階段

外力去除后試樣完全恢復原狀其中op—比例階段，Rp為比例極限pe—非比例階段，Re為彈性極限es--屈服階段外力不增加，試樣明顯伸長sb--強化階段外力增加，試樣明顯伸長bk--縮頸階段試樣截面出現(xiàn)急劇縮小，抵抗外力能力下降，出現(xiàn)斷裂材料受外力作用時產(chǎn)生變形，當外力去除時，變形隨之消失，材料恢復到原來形狀尺寸的性能稱為彈性。這種隨外力去除而消失的變形稱為彈性變形。彈性極限Re：產(chǎn)生純彈性變形的極限應(yīng)力。彈性模量E：材料在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的比值。在拉伸曲線中，E即是線段op的斜率。E表示材料抵抗彈性變形的能力，表征材料的剛度，單位為GPa。彈性模量越大，發(fā)生單位應(yīng)變所需要的力就越大，材料越不容易產(chǎn)生彈性變形。2）彈性與剛度3）常用強度指標強度是材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。材料在外力作用下開始產(chǎn)生塑性變形的最低應(yīng)力值稱為屈服強度（也稱屈服極限）。屈服強度是進行零件設(shè)計和選材的重要依據(jù)。屈服強度Rel抗拉強度Rm材料在拉斷前所能承受的最大應(yīng)力稱抗拉強度?？估瓘姸仁窃O(shè)計零件和選材的依據(jù)。幾種塑性材料的拉伸曲線條件屈服強度R0.2屈服極限是少數(shù)材料（低、中碳鋼）特有的強度指標，大多數(shù)金屬材料都沒有明顯的屈服現(xiàn)象，不好測量。按國標規(guī)定，把試樣產(chǎn)生△L/Lo=0.2%的塑性變形時所對應(yīng)的應(yīng)力值作為條件屈服強度R0.2。在橫坐標上取應(yīng)變ε=0.2%;過此點作彈性變形階段曲線的平行線，與拉伸圖曲線交于一點;過交點作水平線，與縱坐標的交點即為R0.2。條件屈服強度斷后伸長率A式中：A－斷后伸長率（％）；Ｌ0－試樣初始標距，mm；Ｌu－試樣拉斷后標距，mm試樣拉斷后,標距的伸長量與原始標距的百分比稱為斷后伸長率,用A表示。4）常用塑性指標塑性是材料在靜載荷作用下，斷裂前發(fā)生永久變形的能力。試樣拉斷后,縮頸處截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比稱斷面收縮率。式中：Z－斷面收縮率（％）；S0－試樣原始橫截面積，mm2；Su－試樣拉斷處的最小橫截面積，mm2。斷面收縮率Z

A、Z↑,塑性↑。因此是選材的重要性能指標。

A＞5%為塑性材料

A＜5%為脆性材料塑性材料（低碳鋼）脆性材料（鑄鐵）5）材料的壓縮塑性材料的抗拉和抗壓性能能基本一致；脆性材料壓縮時的強度極限遠大于拉伸時的強度極限。用一個φ10的淬火鋼球，用相同的力、相同的方向施加給厚度相同的銅板和鐵板，結(jié)果如何？誰的壓痕深？硬度是衡量材料軟硬程度的指標，反映了材料表面抵抗局部塑性變形的能力。例如刀具、量具等要求高的硬度，以保證足夠的耐磨性和使用壽命。因此，硬度是檢驗工具刃具及機械零件質(zhì)量的一項重要的性能指標，在熱處理后常以工件的硬度值來檢驗產(chǎn)品的質(zhì)量。2硬度

常用硬度試驗方法：布氏硬度洛氏硬度維氏硬度等。以一定的壓力F將一規(guī)定直徑D的淬硬鋼球（或硬質(zhì)合金球）壓入材料表面，保持規(guī)定時間后卸載，在放大鏡下測量試樣表面壓痕直徑d，然后用載荷除以壓痕表面積S，所得數(shù)值即為布氏硬度，記為HB。布氏硬度試驗示意圖1）布氏硬度布氏硬度試驗實際工作中根據(jù)測量出的d及已知的F、D，通過查表求出HB值。布氏硬度實驗規(guī)范只要保證F/D2恒定（常數(shù)），就可以保證壓痕的幾何形狀相似，保證不同測試結(jié)果具有可比性；常用：F/D2=30,10,2.5D=10,5,2.5；t=10,30,60HBS：淬火鋼球作壓頭測得的硬度值；不特殊指名，HB皆值HBS；HBW：硬質(zhì)合金球作壓頭測得的硬度值。表示方法硬度值+HBS（或HBW）+鋼球直徑/試驗力/力保持時間其中：力保持時間為10～15s時不標注。例子：120HBS10/1000/30;500HBW5/750用于鑄鐵、非鐵金屬及退火、正火或調(diào)質(zhì)處理的材料。HBS適宜測量布氏硬度值HBS＜450的材料；HBW適宜測量布氏硬度值450＜HBW＜650的材料。布氏硬度應(yīng)用布氏硬度特點優(yōu)點：壓痕較大，測量數(shù)值穩(wěn)定、準確缺點：壓痕較大，不適于成品、薄形件；操作慢，不適用批量生產(chǎn)。洛氏硬度試驗:用錐角為120°的金剛石圓錐體（頂角為R0.2）或d=1.588淬火鋼球作壓頭。2）洛氏硬度首先施加初始力F1（98N）,壓痕深度為h1；然后施加主試驗力F2，總試驗力為F=F1+F2，并保持一定時間，此時壓痕深度為h2；卸除主試驗力F2，仍保持F1，在彈性變形作用下，壓痕深度減小為h。h就是主試驗力作用下的壓入深度,壓入深度

h

反映了主試驗力下的塑性變形量。壓入深度h越小，材料越硬。此數(shù)值可直接從洛氏硬度計上讀出。使用金剛石作壓頭時，K=0.2；使用淬火鋼球作壓頭時，K=0.26。壓入深度h數(shù)值的大小，反映被壓材料的軟硬程度。人為規(guī)定在標準力作用下，洛氏硬度值為：洛氏硬度試驗規(guī)范為用一種硬度計測定從軟到硬的多種材料，要采用不同的壓頭和載荷，組合成多種不同的洛氏硬度標尺，每一種標尺在HR后加一字母注明。我國常用的洛氏硬度標尺有HRA、HRB、HRC三種，其各自的試驗條件及應(yīng)用范圍如下。注意：HRA、HRB、HRC不能直接比大小，需換算后才能比較試驗條件及應(yīng)用范圍如下

洛氏硬度特點優(yōu)點：測量范圍大,操作簡便,壓痕小；可測量成品、較薄的工件。缺點：不均勻的材料,硬度值波動較大,需要測量多點（常取3個點）,取平均值。HRA：測量硬度較高的硬質(zhì)合金、滲碳層；HRB：測量硬度較低的非鐵金屬、退火鋼；HRC：測量淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼。洛氏硬度標注方法硬度值+硬度符號如：調(diào)質(zhì)處理28～32HRC;

淬火56～60HRC3）維氏硬度

用一頂角為136°的金剛石正四棱錐體作為壓頭，在規(guī)定較小載荷F（5、10、20、30、50Kgf）下壓入被測試樣表面，保持一定時間，形成四方錐形壓痕，卸去載荷，測量壓痕投影的兩對角線的平均長度d，根據(jù)d算出壓痕的表面積S，以單位壓痕表面積上壓力（F/S）作為被測金屬的維氏硬度值，用HV表示。

維氏硬度載荷小，壓痕深度淺，適用于測量化學熱處理工件的表面硬化層、金屬鍍層和薄片金屬等的硬度。壓痕清晰，在顯微鏡下測量對角線長度d，是一種較精確的硬度試驗方法。要求被測面粗糙度好，測試面的準備麻煩，操作復雜，不宜于大批量檢測。4）莫氏硬度莫氏硬度是一種劃痕硬度，主要用于陶瓷和礦物材料的硬度測量。材料名稱莫氏硬度李德日維耶材料名稱莫氏硬度李德日維耶滑石11黃石89石膏22花崗石－10方解石33氧化鋯－11螢石44剛玉912磷石灰55碳化硅－13鈉長石66碳化硼－14焙煉石英－7金剛石1015結(jié)晶石英78

表1-3莫氏硬度分級表3沖擊韌性材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力，稱為沖擊韌性，簡稱韌性，用ak表示。沖擊是普遍的現(xiàn)象，有接觸和碰撞時就發(fā)生沖擊。沖擊韌性是衡量材料抵抗沖擊能力的性能指標。沖擊韌性好，零件抗沖擊能力強。沖擊試驗

將標準沖擊試樣安放在試驗機支座上，使試樣缺口一側(cè)背向擺錘沖擊方向；

將具有一定重量G的擺錘舉至一定高度H1；放下擺錘，使其沖擊試樣；

試樣沖斷后，擺錘經(jīng)過支承點順勢升至高度H2。沖斷試樣所消耗的能量為沖擊功，用Ak表示。為消除試樣尺寸影響，用Ak除以試樣缺口處截面積S，可得單位面積上消耗的功，這就是材料的沖擊韌度。隨著溫度的下降，金屬材料的韌性在某一溫度范圍內(nèi)急劇下降，該溫度范圍稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度（DBTT）。材料在DBTT之上沖擊破壞時，發(fā)生韌性斷裂；在DBTT之下沖擊破壞時，發(fā)生脆性斷裂。從應(yīng)用的角度來看，材料的使用溫度應(yīng)高于DBTT。4疲勞強度

零件在大小、方向隨時間作周期性變化的交變應(yīng)力下工作，在最大工作應(yīng)力小于Rm，甚至小于Rel情況下，時常會突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂發(fā)生在承受周期性動載荷的零件，如旋轉(zhuǎn)的零件、振動的零件、間歇運動的零件、多次使用的零件等工況。疲勞斷裂與靜載荷斷裂區(qū)別疲勞斷裂：受載荷小，沒有前兆（塑性變形），具有突發(fā)性，危害更大。靜載荷斷裂：載荷超過Rm時發(fā)生，有前兆塑性變形，緩慢發(fā)生。交變應(yīng)力疲勞斷裂是零件在交變應(yīng)力下?lián)p傷累積的結(jié)果。從疲勞斷口上能夠看到疲勞源、裂紋擴展區(qū)和最后斷裂區(qū)三個區(qū)域。齒輪的疲勞斷裂有色金屬疲勞曲線沒有水平直線。有色金屬則規(guī)定循環(huán)次數(shù)N=108次對應(yīng)的應(yīng)力作為條件疲勞強度。對于具體零件，如汽車發(fā)動機曲軸取N=12×107次，氣輪機葉片取N=25×1010次。金屬材料在無限次重復交變載荷作用下而不破壞的最大應(yīng)力，稱疲勞強度極限，用R-1表示。疲勞強度測定試驗在旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機上進行。通過試驗，可測得材料所受交變應(yīng)力R與斷裂前應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系曲線σ－N曲線，稱為疲勞曲線。黑色金屬材料的循環(huán)應(yīng)力σ降到某數(shù)值R-1時，σ－N曲線趨于水平。表明在σ

<R-1時，經(jīng)無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)材料也不斷裂。當零件循環(huán)應(yīng)力σ

>R-1時，零件就只能承受有限次的應(yīng)力循環(huán)，設(shè)為N1，在設(shè)計零件使用壽命時，必須使其承受應(yīng)力次數(shù)小于N1次。5斷裂韌性在工程應(yīng)用中一些高強度材料的零件，或是中低強度的大尺寸零件，在工作應(yīng)力遠遠低于屈服強度的情況下，也發(fā)生了脆性斷裂。此現(xiàn)象稱為低應(yīng)力脆性斷裂。裂紋擴展形式1943年美國T-2油輪斷裂北極星導彈油輪和導彈發(fā)動機殼體，發(fā)生低應(yīng)力脆斷Y--裂紋形狀系數(shù),無量綱，一般Y＝1～2；σ--外加拉應(yīng)力（MPa）；α--裂紋長度的一半（m）。低應(yīng)力脆斷與材料缺陷和應(yīng)力集中有關(guān)。根據(jù)斷裂力學對裂紋尖端應(yīng)力場的分析，裂紋前端附近應(yīng)力場的強弱主要取決于一個力學參數(shù)---應(yīng)力場強度因子ＫI，單位為MN

ｍ-3/2。斷裂韌性是反映材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展能力的力學性能指標，即抵抗脆性斷裂能力的指標。當ＫI<ＫIC時，裂紋擴展很慢或不擴展；當ＫI≥ＫIC時，裂紋失穩(wěn)，快速擴展，使零件發(fā)生脆斷。應(yīng)力σ越大，或裂紋長度2α增大，應(yīng)力場強度因子ＫI隨之增大，裂紋前端的應(yīng)力場越強。當ＫI增大至某一臨界值時，裂紋突然地失穩(wěn)擴展，導致脆性斷裂。這個應(yīng)力場強度因子的臨界值，用符號ＫIC表示，稱為材料的斷裂韌性，它由僅材料性質(zhì)決定。溫度對材料力學性能的影響很大。一般認為t＜200℃為常溫考慮，200℃≤t≤400℃為中溫考慮，溫度再高為高溫。低于0℃則為低溫。以鋼材為例，在常溫、中溫條件下，抗拉強度在250～300℃前隨溫度增加而逐漸升高，以后逐漸下降；屈服強度隨溫度升高而下降；延伸率和斷面收縮率在300℃前略有下降，隨后提高。鋼材隨溫度升高力學性能變化的總趨勢是：強度下降、塑性提高、韌性變化不大。6金屬材料的高溫力學性能材料在長時間恒溫、恒應(yīng)力作用下，即使所受到的應(yīng)力小于屈服強度，也會緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。由于蠕變變形而導致材料的斷裂稱為蠕變斷裂。持久強度反映材料長期在高溫應(yīng)力作用下抵抗斷裂的能力。持久強度用在一定溫度下達到規(guī)定的使用時間而不斷裂的最大應(yīng)力來表示。高溫韌性是判定材料高溫脆化傾向的重要指標。材料的高溫韌性用高溫沖擊試驗測定，即將試樣加熱，在高溫下進行沖擊試驗。密度

單位體積材料的質(zhì)量。輕金屬：ρ＜5×103kg/m3重金屬：ρ≥5×103kg/m3

1.1.2工程材料的物理化學性能用途：計算材料重量，確定材料成本；鑒定材料方法之一；選材時考慮的因素之一。重量輕、飛行速度快、有一定強度要求的零件：選用輕合金（鋁合金、鈦合金、鎂合金），如航空上飛行器。1物理性能中國第1顆人造衛(wèi)星熔點根據(jù)熔點不同，金屬分為難熔金屬和易熔金屬。難熔金屬：熔點高的金屬。如，W：3410℃、Mo：2617

℃。應(yīng)用于火箭、導彈、燃氣輪機等方面的高溫零件、燈絲、線切割絲等；易熔金屬：熔點低的金屬，如，Sn：232℃、Pb：327.4℃。應(yīng)用：制造保險絲、焊錫、防火安全閥等零件。指材料的熔化溫度。熱膨脹性體膨脹系數(shù)β：溫升1℃引起的體積增長量與0℃時體積的比值。

β=（Vt-V0）/V0t

其中：V0-0℃時體積,Vt-t℃時體積線膨脹系數(shù)α：溫升1℃引起的長度增長量與0℃時長度的比值。

α=（Lt-L0）/L0t

其中：L0-0℃時長度,Lt-t℃時長度材料隨溫度升高而體積膨脹的性能。精密儀器或精密機械零件等高精度配合零件，選用熱膨脹系數(shù)相近或線膨脹系數(shù)小的材料；量具選用線膨脹系數(shù)小的材料。雙金屬片溫控器活塞運動導熱性材料傳導熱量的能力稱作導熱性，用導熱系數(shù)λ表示。金屬導熱性好：銀、銅最好，其次是Al。非金屬材料導熱性差。在所有固體中，金屬是最好的導熱體。純金屬的導熱系數(shù)一般隨溫度升高而降低。碳鋼導熱性好，合金鋼的導熱性比碳鋼低，鋼中合金元素越多，導熱性就越差。應(yīng)用于散熱器：選用銅合金保溫材料：石棉、陶瓷材料導電性材料傳導電流的能力稱為導電性。用電阻率表示，電阻率↓，導電性↑。

金屬導電性好導電性最高金屬：銀（1.58X10-6Ω.cm）銅（1.682X10-6Ω.cm）金（2.21X10-6Ω.cm）鋁（2.665X10-6Ω.cm）導電性較差金屬：Cr：12.9X10-6Ω.cmFe：9.7X10-6Ω.cmNi：6.84X10-6Ω.cm純金屬導電性優(yōu)于合金非金屬材料：絕緣，不導電導電：銀、銅、鋁。電阻元件：鎳鉻合金絕緣體：陶瓷材料、塑料磁性材料被外界磁場磁化或吸引的能力。根據(jù)金屬在磁場中到磁化程度的不同，可分為：鐵磁性材料：在外磁場中能強烈被磁化，有較高磁性，如：鐵、鈷、鎳；順磁性材料：在外磁場中只能微弱被磁化，如：Mn、Cr；抗磁性材料：抵抗外部磁場對材料本身的磁化作用，如：Cu、Al、Zn、塑料等）。導磁性零件：選鐵磁性材料（Fe、Co、Ni），如指南針、吸鐵石、變壓器、電機鐵芯。避免磁性干擾零件：選抗磁性材料（鋁合金、塑料），如儀器儀表外殼。1）耐腐蝕性

金屬材料抵抗水蒸氣、酸、堿等介質(zhì)的腐蝕能力稱為耐腐蝕性。常見的鋼鐵生銹、銅生銅綠等都是腐蝕現(xiàn)象。金屬材料的耐蝕性是一個很重要的性能，特別是在腐蝕性介質(zhì)中工作的金屬材料需要重點考慮。如石油化工設(shè)備接觸腐蝕介質(zhì)，就要考慮材料的耐腐蝕性。2）抗氧化性

金屬材料在高溫下抵抗氧化介質(zhì)氧化的能力稱為抗氧化性。加熱時，由于高溫促使表面強烈氧化而產(chǎn)生氧化皮，可能造成氧化、脫碳等缺陷。在高溫下工作零件，要求材料具有一定的抗氧化性。2化學性能1.2材料的使用條件和性能要求

由于零件使用工況并不穩(wěn)定，多個零件的材料性能有所波動，以及偶然的因素等情況，為保證工作安全性，一般將材料性能除以一個大于1的系數(shù)n，來規(guī)定材料的許用性能。這里的性能指：力學性能(抗拉強度、抗壓強度、屈服強度、硬度、沖擊韌度等)、耐熱性能、耐腐蝕性能、抗磨性能等之一。對材料多方面性能的要求，就是每個單方面性能要求的集合。1.2.1工程材料的使用條件1.2.2工程材料的使用性能要求1力學性能要求零件工作條件常見失效形式主要力學性能要求應(yīng)力種類載荷其他普通緊固螺栓拉應(yīng)力切應(yīng)力靜載荷

過量變形、斷裂屈服強度、抗剪強度傳動軸彎應(yīng)力扭應(yīng)力循環(huán)沖擊軸頸處摩擦，振動疲勞破壞、過量變形、軸頸處磨損綜合力學性能傳動齒輪壓應(yīng)力彎應(yīng)力循環(huán)沖擊強烈摩擦，振動磨損、麻點剝落、齒折斷表面：硬度及彎曲疲勞強