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1、第一章第一章 材料的性能材料的性能神神舟舟一一号号飞飞船船2021/9/231机械工程材料的常用性能机械工程材料的常用性能 两两方方面面材料使用性能材料使用性能材料工艺性能材料工艺性能力学性能力学性能（强度、塑性韧性等）（强度、塑性韧性等）物理性能物理性能（光、热、电、磁等）（光、热、电、磁等）化学性能化学性能（氧化、腐蚀等）（氧化、腐蚀等）生物性能（生物性能（相容性、自恢复性等）相容性、自恢复性等）加工性能加工性能（切削、锻造等）（切削、锻造等）铸造性能铸造性能（适合铸造与否）（适合铸造与否）焊接性能焊接性能（容易焊接与否）（容易焊接与否）热处理性能热处理性能（可热处理强化）（可热处理强化）
2、2021/9/232l力学行为力学行为：材料在外加载荷或环境因素的材料在外加载荷或环境因素的作用下所表现的行为。作用下所表现的行为。l现象现象：弹性变形弹性变形、塑性变形塑性变形和和断裂。断裂。五万吨水压机五万吨水压机2021/9/2332021/9/234微孔聚合型断口微孔聚合型断口解理型断口解理型断口晶间断裂晶间断裂晶内断裂晶内断裂2021/9/235低碳钢的应力低碳钢的应力-应变曲线应变曲线拉伸试样拉伸试样拉拉伸伸试试验验机机应力应力 =P/F0应变应变 =(l-l0)/l02021/9/2362021/9/237应变应变应应力力弹弹性性变变形形屈服屈服塑性塑性变形变形均匀均匀塑性变形塑
3、性变形不均匀集中不均匀集中塑性变形塑性变形断裂断裂2021/9/238一、弹性和刚度一、弹性和刚度l弹性：弹性：指标为弹性指标为弹性极限极限 e e，即，即材料承受材料承受最大弹性变形时的最大弹性变形时的应力。应力。l刚度：刚度：材料受力时材料受力时抵抗弹性变形的能抵抗弹性变形的能力。力。指标为弹性模指标为弹性模量量E E。e e2021/9/239弹性模量：弹性模量：主要取决于材料的本性，其他强主要取决于材料的本性，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。合金化等对弹性模量的影响很小。刚度：刚度：可以通过增加横截面积或改可以通过增加
4、横截面积或改变截面形状来提高。变截面形状来提高。2021/9/2310二、强度与塑性二、强度与塑性l强度：强度：材料在外力作用下材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。抵抗变形和破坏的能力。l屈服强度屈服强度 s s：材料发生微材料发生微量塑性变形时的应力值。量塑性变形时的应力值。l条件屈服强度条件屈服强度 0.20.2：残余变残余变形量为形量为0.2%0.2%时的应力值。时的应力值。l抗拉强度抗拉强度 b b：材料断裂前材料断裂前所承受的最大应力值。所承受的最大应力值。s0.22021/9/2311塑性：塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。变形的能力。指标
5、为：指标为：伸长率：伸长率：断面收缩率：断面收缩率：断裂后拉拉伸伸试试样样的的颈颈缩缩现现象象2021/9/2312l说明：说明：用用面缩率面缩率表示塑性比表示塑性比伸长率伸长率更接近真实变形。更接近真实变形。5%5%5%时，有颈缩，为时，有颈缩，为塑塑性材料表征性材料表征；2021/9/23132021/9/2314三、冲击韧性三、冲击韧性l是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。的能力。l指标为冲击韧性指标为冲击韧性值值a ak k(通过通过冲击冲击实验实验测得测得)。2021/9/2315ak=Ak/F2021/9/2316韧脆转变温度韧脆转变温度l材料的
6、冲击韧性随材料的冲击韧性随温度下降而下降。温度下降而下降。l在某一温度范围内在某一温度范围内冲击韧性值急剧下冲击韧性值急剧下降现象称降现象称韧脆转变韧脆转变。l发生韧脆转变的温发生韧脆转变的温度范围称度范围称韧脆转变韧脆转变温度温度。l材料的使用温度应材料的使用温度应高于韧脆转变温度。高于韧脆转变温度。体心立方金属具有体心立方金属具有韧脆转变温度，而韧脆转变温度，而大多数面心立方金大多数面心立方金属没有。属没有。韧2021/9/2317-59-124162479低强度铁素体钢冲击断口照片低强度铁素体钢冲击断口照片2021/9/2318TITANICTITANIC建造中的建造中的Titanic
7、Titanic 号号TITANICTITANIC的沉没与的沉没与船体材料的质量直船体材料的质量直接有关接有关2021/9/2319Titanic Titanic 号钢板号钢板（左图）（左图）和和近代船用钢板近代船用钢板（右图）（右图）的冲击试验结果的冲击试验结果TitanicTitanic近代船用钢板近代船用钢板2021/9/2320四、疲劳四、疲劳l 材料在低于材料在低于 s s的重复交变应力作的重复交变应力作用下发生断裂的用下发生断裂的现象现象。l 材料在规定次数应力循环后仍不材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为发生断裂时的最大应力称为疲劳极限疲劳极限。用用-1-1表示。表
8、示。l 钢铁材料规定次数为钢铁材料规定次数为10107 7，有色金，有色金属合金为属合金为10108 8。疲劳应力示意图疲劳应力示意图疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图2021/9/23212）循环次数（N）断裂断裂不断裂不断裂2021/9/2322l材材料料的的纯纯度度及及组组织织状状态态对对疲疲劳劳抗抗力有显著影响力有显著影响组织状态组织状态b b/MPa/MPa-1-1/MPa/MPa退火（铁素体珠光体）退火（铁素体珠光体）650650314314淬火（马氏体）淬火（马氏体）2080208077577540Cr40Cr钢组织钢组织类型对疲劳极限的影响类型对疲劳极限的影响2021/9/2323疲
9、劳断口疲劳断口通过通过改善材料的形状结构改善材料的形状结构，减少表面减少表面缺陷缺陷，提高表面光洁度提高表面光洁度，进行表面强进行表面强化化等方法可提高材料疲劳抗力。等方法可提高材料疲劳抗力。轴的疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳辉纹（扫描电镜照片）2021/9/2324五、硬度五、硬度l材料抵抗表面局部塑性材料抵抗表面局部塑性变形的能力。变形的能力。l布氏硬度布氏硬度HBHB布布氏氏硬硬度度计计布布氏氏硬硬度度计计2021/9/2325 lHBSHBS：为为钢钢球球压压头头，适适用用于于布布氏氏硬硬度值在度值在450450以下以下的材料。的材料。lHBWHBW：为为硬硬质质合合
10、金金球球压压头头，适适用用于于布氏硬度在布氏硬度在650650以下以下的材料。的材料。l表示方法表示方法：120HBS120HBS布布氏氏硬硬度度压压痕痕2021/9/2326l布氏硬度的优点：布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定，测量误差小，数据稳定，b b与与HBHB之间有关系：如、之间有关系：如、低碳钢低碳钢 b b3.6HB3.6HB；高碳钢高碳钢 b b3.4HB3.4HB；铸铁铸铁 b b1HB1HB。l缺点：缺点：压痕大，不能用于太薄件、成压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。品件及比压头还硬的材料。HBHB b b(MPa)(MPa)钢钢黄铜黄铜球墨铸铁球墨铸铁20
11、21/9/2327l布氏硬度的应用：布氏硬度的应用：适于测量适于测量退火、正火、退火、正火、调质钢调质钢,铸铁铸铁及及有色金属有色金属的硬的硬度。度。2021/9/2328洛氏硬度洛氏硬度HRHRl根据压头类型：根据压头类型：A A、B B、C C。钢球压头与金刚钢球压头与金刚石压头石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕2021/9/2329l洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HRHR表示：表示：HR=HR=k k-(-(h h1 1-h h0 0)/0.002)/0.002h h1 1-h h0 0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛洛氏氏硬硬度度计计l表示方法：表示方法：数字数字+符号，如符号，如45
12、HRC45HRC。2021/9/2330lHRAHRA：用于测量用于测量高硬度高硬度材料材料,如硬如硬质合金、表淬层和渗碳层。质合金、表淬层和渗碳层。lHRBHRB：用于测量用于测量低硬度低硬度材料材料,如有如有色金属和退火、正火钢等。色金属和退火、正火钢等。lHRCHRC：用于测量用于测量中等硬度中等硬度材料，如材料，如调质钢、淬火钢等。调质钢、淬火钢等。2021/9/2331l洛氏硬度的洛氏硬度的优点优点：操作简便，压痕小，适用操作简便，压痕小，适用范围广。范围广。l缺点：缺点：测量结果分散度大。测量结果分散度大。2021/9/2332维氏硬度维氏硬度维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度试验原理维
13、氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕2021/9/2333l维氏硬度用符号维氏硬度用符号HVHV表示表示，符号前的符号前的数字为硬度值。数字为硬度值。l用于第二相硬度的测量。用于第二相硬度的测量。小小负负荷荷维维氏氏硬硬度度计计显微维氏硬度计显微维氏硬度计2021/9/2334l硬度的特点与实用性硬度的特点与实用性1 1）设备简单设备简单，操作方便操作方便，不破坏工件不破坏工件，且且与抗拉强度之间存在一定对应关系与抗拉强度之间存在一定对应关系。2 2）是综合性力学指标是综合性力学指标：（1 1）说明强度（）说明强度（）与塑性（）与塑性（）的）的匹匹配关系配关系；2021/9/2335（2 2
14、）使用性能指标使用性能指标，说明零件的，说明零件的耐磨性耐磨性；（3 3）可作为）可作为评价工艺制定合理程度的重评价工艺制定合理程度的重要指标。要指标。例如例如、当材料的硬度在、当材料的硬度在HB150HB150220220间时，间时，其其切削性较好切削性较好。3 3）零件图纸上往往只标注硬度值）零件图纸上往往只标注硬度值。4 4）产品质量检查）产品质量检查。2021/9/2336六、断裂韧性六、断裂韧性油轮断裂和北极星导油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关材料中存在缺陷有关 19431943年美国年美国T-2T-2油轮发生断裂油轮发生断裂北北极极星星导导弹
15、弹裂纹扩展的基本形式裂纹扩展的基本形式2021/9/2337l应力强度因子：应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。指标。断裂韧性：断裂韧性：材料抵抗内部材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。裂纹失稳扩展的能力。C C为断裂应力，为断裂应力，a aC C为临界为临界裂纹半长，单位为裂纹半长，单位为 2021/9/2338K KI I K KICIC 构件发生构件发生脆性断裂脆性断裂K KI I K KICIC 构件发生低应力脆性断构件发生低应力脆性断裂的裂的临界条件临界条件断裂判据断裂判据2021/9/23394 4、高、低温载荷作用时：、高、低温载荷作用时：1 1）蠕变强度蠕变强度（T T/t/t）；）；2 2）持久强度持久强度（T Tt t）；）；2021/9/2340