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1、第一章第一章 材料的性能材料的性能性性能能工艺性工艺性能能：铸造性能、可锻性、可焊性、切削铸造性能、可锻性、可焊性、切削加工性和热处理工艺性等加工性和热处理工艺性等使用性使用性能能力学性力学性能能：强度、硬度、塑性、强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等韧性、疲劳强度等化学性化学性能能：抗氧化性和耐腐蚀性抗氧化性和耐腐蚀性物理性物理性能能：密度、熔点、导电性、密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性和磁性等导热性、热膨胀性和磁性等l使用性能：使用性能：材料在使用材料在使用过程中所表现的性能。过程中所表现的性能。包括包括力学性能、物理性力学性能、物理性能能和和化学性能。化学性能。l工艺性能：工艺性能：材
2、料在加工材料在加工过程中所表现的性能。过程中所表现的性能。包括包括铸造铸造、锻压、焊接、锻压、焊接、热处理热处理和和切削性能等切削性能等。神舟一号飞船l力学性能力学性能：在外力作用下反映出来的性能；：在外力作用下反映出来的性能；l材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形变形。l外力去处后能够恢复的变形称为外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形弹性变形。l外力去处后不能恢复的变形称为外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形塑性变形。五万吨五万吨水压机水压机应力应力 =P/F0应变应变 =(l-l0)/l0拉拉伸伸试试验验机机低低碳碳钢钢的的应应力力-
3、应应变变曲曲线线拉伸前拉伸前断裂后断裂后拉伸试样拉伸试样一、弹性和刚度一、弹性和刚度l弹性：弹性：即即材料承受最大弹材料承受最大弹性变形时的应力。性变形时的应力。指标为指标为弹性极限弹性极限 e e。l刚度：刚度：材料受力时抵抗弹材料受力时抵抗弹性变形的能力。性变形的能力。指标为指标为弹弹性模量性模量E E：弹性模量弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、逐渐降低外，其他强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。可以通过增加横截面积合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增
4、加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。或改变截面形状来提高零件的刚度。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：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 0.2：残余变形量为残余变形量为0.2%时的应力值。时的应力值。l抗拉强度抗拉强度 b：材料断裂前所承受的最大材料断裂前所承受的最大应力值。应力值。0.2塑性：塑性：塑性：塑性：材料受力破坏前可承受最材料受力破坏前可承受最材料受力破坏前可承受最材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。大塑性变
5、形的能力。大塑性变形的能力。大塑性变形的能力。指标为：指标为：指标为：指标为：断面收缩率断面收缩率 ：拉拉伸伸试试样样的的颈颈缩缩现现象象伸长率伸长率 ：拉伸前拉伸前断裂后断裂后l说明：说明：l 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。l 直径直径d0 相同时，相同时，l0，。只有当只有当l0/d0 为常数时，为常数时，塑性值才有可比性。塑性值才有可比性。l当当l0=10d0 时，伸长率用时，伸长率用 表示；表示；l当当l0=5d0 时，伸长率用时，伸长率用 5 表示，显然表示，显然 5 l 时，无颈缩，为脆性材料表征时，无颈缩，为脆性材料表征 时，有颈
6、缩，为塑性材料表征时，有颈缩，为塑性材料表征无无颈缩试样颈缩试样有颈缩试样有颈缩试样三、冲击韧性三、冲击韧性l是指材料抵抗冲击载荷是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。作用而不破坏的能力。l指标为冲击指标为冲击韧性值韧性值ak(通通过过冲击实验冲击实验测得测得)。l韧脆转变温度：韧脆转变温度：材料的冲击韧性随温材料的冲击韧性随温度下降而下降。度下降而下降。在某一温度范围内冲在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变韧脆转变.发生韧脆转变的温度范围称发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变韧脆转变温度温度。材料的使用温度应高于韧脆转材料的使用温度应高于韧脆转变温度。变温
7、度。体心立方金体心立方金属具有韧脆属具有韧脆转变温度，转变温度，而大多数面而大多数面心立方金属心立方金属没有没有.解理断口解理断口韧窝断口韧窝断口TITANIC建造中的建造中的Titanic TITANIC 的沉没的沉没与船体材料的质量与船体材料的质量直接有关直接有关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Titanic近代船用钢板近代船用钢板四、疲劳四、疲劳l材料在低于材料在低于 s重复交变应力作用下发生断裂的现象重复交变应力作用下发生断裂的现象.l材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大材料在规定次数应力循环后
8、仍不发生断裂时的最大应力称为应力称为疲劳极限疲劳极限。用。用-1表示。表示。l钢铁材料规定次数为钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为，有色金属合金为108。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疲劳断口疲劳断口通过通过改善材料形状结构改善材料形状结构，减少表面缺陷减少表面缺陷，提高表面提高表面光洁度光洁度，进行表面强化进行表面强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）五、硬度五、硬度l材料抵抗表面局部塑性变形材料抵抗表面局部塑性变形的能力。的能力。1 1、布氏硬度布氏硬度HB布布氏氏硬硬度度
9、计计布氏硬度测试原理布氏硬度测试原理 l压压头头为为钢钢球球时时，布布氏氏硬硬度度用用符符号号HBS表表示示，适适用用于于布氏硬度值在布氏硬度值在450以下的材料。以下的材料。l压压头头为为硬硬质质合合金金球球时时，用用符符号号HBW表表示示，适适用用于于布氏硬度在布氏硬度在650以下的材料。以下的材料。l符符号号HBS或或HBW之之前前的的数数字字表表示示硬硬度度值值，之之后后的的数数字字按按顺顺序序分分别别表表示示球球体体直直径径、载载荷荷及及载载荷荷保持时间保持时间,如如120HBS10/1000/30 表表示示直直径径为为10mm的的钢钢球球在在1000kgf(9.807kN)载载荷荷
10、作用下保持作用下保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120。布布氏氏硬硬度度压压痕痕l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。l缺点：缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。还硬的材料。l适于测量适于测量退火、正火、调质钢退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。铸铁及有色金属的硬度。l材料的材料的 b与与HB之间经验关系：之间经验关系：对于低碳钢对于低碳钢:b(MPa)3.6HB 对于高碳钢对于高碳钢:b(MPa)3.4HB 对于铸铁对于铸铁:b(MPa)1HB或或 b(MPa)0.6(HB-
11、40)HB b(MPa)钢黄铜球墨铸铁2、洛氏硬度、洛氏硬度洛洛氏氏硬硬度度计计l洛洛 氏氏 硬硬 度度 用用 符符 号号 HR表表 示示，HR=k-(h1-h0)/0.002l根根据据压压头头类类型型和和主主载载荷荷不不同同,分分为为九九个个标标尺尺,常常用的标尺为用的标尺为A、B、C。洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图l符号符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。lHRA用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料,如如硬质合金、表淬层和渗碳层硬质合金、表淬层和渗碳层。lHRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料,如如有色金属和退火有色金属和退火、正火钢
12、等。正火钢等。lHRC用于测量中等硬度材料，用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。如调质钢、淬火钢等。l洛氏硬度的优点：洛氏硬度的优点：操作简便，操作简便，压痕小，适用范围广。压痕小，适用范围广。l缺点：缺点：测量结果分散度大。测量结果分散度大。钢球压头与钢球压头与金刚石压头金刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度原理维氏硬度原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕3、维氏硬度维氏硬度l维氏硬度用符号维氏硬度用符号HV表示表示，符号前的数字为硬度值，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。示载荷值及载荷保持时间。小小负负荷荷维维氏
13、氏硬硬度度计计显微维氏硬度计显微维氏硬度计l根据载荷范围不同，规定了三根据载荷范围不同，规定了三种测定方法种测定方法 维氏硬度试验维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验小负荷维氏硬度试验、显微维显微维氏硬度试验氏硬度试验。l维氏硬度保留了布氏硬度和洛维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点氏硬度的优点。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 北北极极星星导导弹弹裂纹扩展的基本形式裂纹扩展的基本形式1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂l应力强度因子：应力强度因子：描述裂纹尖描述裂纹尖端附近应力场强
14、度的指标。端附近应力场强度的指标。l断裂韧性：断裂韧性：材料抵抗内部裂材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。纹失稳扩展的能力。l C为断裂应力，为断裂应力，aC为临界裂为临界裂纹半长，单位为纹半长，单位为 1.6 材料的物理及化学性能材料的物理及化学性能1.6.1 材料的物理性能材料的物理性能轻金属：轻金属：密度密度小于小于5103kgm3的金属，的金属，如铝、镁、钛及它们的合金。如铝、镁、钛及它们的合金。重金属：重金属：密度大于密度大于5103kgm3的金属，的金属，如铁、铅、钨等。如铁、铅、钨等。1.金属的物理性能金属的物理性能（1）密度）密度 单位体积物质的质量称为该物质的密度：单位体积物质的
15、质量称为该物质的密度：=m/V(2)(2)熔点熔点 金属从固态向液态转变时的温度称为熔点，纯金金属从固态向液态转变时的温度称为熔点，纯金属都有固定的熔点。属都有固定的熔点。难熔金属难熔金属，如钨、钼、钒等，可以用来制造耐高，如钨、钼、钒等，可以用来制造耐高温零件，如在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方温零件，如在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。面得到广泛应用。易熔金属易熔金属，如锡、铅等，可用于制造保险丝和防，如锡、铅等，可用于制造保险丝和防火安全阀零件等。火安全阀零件等。(3)导热性导热性 导热性通常用热导率来衡量。热导率的符号导热性通常用热导率来衡量。热导率的符号是是，单
16、位是单位是WmK。热导率越大，导热性越好。金属的导热性以银为最热导率越大，导热性越好。金属的导热性以银为最好，铜、铝次之。合金的导热性比纯金属差。好，铜、铝次之。合金的导热性比纯金属差。在制造散热器、热交换器与活塞等零件时，要选用在制造散热器、热交换器与活塞等零件时，要选用导热性好的金属材料。导热性好的金属材料。(4)导电性导电性 传导电流的能力称导电性，用电阻率来衡量，电阻率传导电流的能力称导电性，用电阻率来衡量，电阻率的单位是的单位是m。电阻率越小，金属材料导电性越好电阻率越小，金属材料导电性越好，金属导电性以银，金属导电性以银为最好，铜、铝次之。合金的导电性比纯金属差。为最好，铜、铝次之
17、。合金的导电性比纯金属差。电阻率小的金属电阻率小的金属(纯铜、纯铝纯铜、纯铝)适于制造适于制造导电零件和电导电零件和电线线。电阻率大的金属或合金。电阻率大的金属或合金(如钨、钼、铁、铬如钨、钼、铁、铬)适于做适于做电热元件。电热元件。(5)热膨胀性热膨胀性 热膨胀性用线膨胀系数热膨胀性用线膨胀系数aL和体胀系数和体胀系数av来表示。来表示。aL=L2-L1 L1tav 3aL 由膨胀系数大的材料制造的零件，在温度变化时，尺由膨胀系数大的材料制造的零件，在温度变化时，尺寸和形状变化较大寸和形状变化较大。轴和轴瓦之间要根据其膨胀系数来控。轴和轴瓦之间要根据其膨胀系数来控制其间隙尺寸；在热加工和热处
18、理时也要考虑材料的热膨制其间隙尺寸；在热加工和热处理时也要考虑材料的热膨胀影响，以减少工件的变形和开裂胀影响，以减少工件的变形和开裂。(6)磁性磁性铁磁性材料铁磁性材料：在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钴等；钴等；顺磁性材料顺磁性材料：在外磁场中只能：在外磁场中只能微弱地被磁化微弱地被磁化，如，如锰、铬等；锰、铬等；抗磁性材料抗磁性材料：能：能抗拒或削弱外磁场对材料本身的抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用磁化作用如铜、锌等。如铜、锌等。铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。抗磁性材料则用于要求避免电磁场
19、干扰的零件和结构材抗磁性材料则用于要求避免电磁场干扰的零件和结构材料，如航海罗盘。铁磁性材料当温度升高到一定数值时，料，如航海罗盘。铁磁性材料当温度升高到一定数值时，磁畴被破坏，变为顺磁体，这个转变温度称为居里点，磁畴被破坏，变为顺磁体，这个转变温度称为居里点，如铁的居里点是如铁的居里点是770。材料材料抵抗环境介质腐蚀的能力抵抗环境介质腐蚀的能力叫做材料的抗蚀叫做材料的抗蚀性。性。1.6.2.材料的化学性能材料的化学性能分为：化学腐蚀分为：化学腐蚀 电化学腐蚀。电化学腐蚀。(1)(1)耐腐耐腐蚀蚀性性1）化学腐蚀）化学腐蚀 金属与周围介质发生金属与周围介质发生纯化学作用纯化学作用产生的腐蚀产
20、生的腐蚀金属在干燥气体中的腐蚀。金属在干燥气体中的腐蚀。如高温燃气对涡轮喷气式发动机零部件的腐蚀。如高温燃气对涡轮喷气式发动机零部件的腐蚀。金属在非电解液中的腐蚀。金属在非电解液中的腐蚀。如飞机管路系统受汽油、滑油的腐蚀。如飞机管路系统受汽油、滑油的腐蚀。特点：特点：腐蚀过程中腐蚀过程中不产生电流不产生电流。腐蚀速度慢、危害小。腐蚀速度慢、危害小。条件：条件：必须有两相或两种电极电位不同的金属必须有两相或两种电极电位不同的金属有电解液有电解液三者相互接触三者相互接触i2）电化学腐蚀）电化学腐蚀指金属和周围介质发生电指金属和周围介质发生电化学作用而产生的腐蚀。化学作用而产生的腐蚀。特点：特点：伴
21、有电流产生，腐蚀速伴有电流产生，腐蚀速度快，危害大度快，危害大 材料材料抵抗高温氧化的能力抵抗高温氧化的能力叫做材料的抗氧化性。叫做材料的抗氧化性。(2)(2)抗氧化性抗氧化性 抗氧化的金属材料抗氧化的金属材料经经常在表面形成一常在表面形成一层层致密的致密的保保护护性氧化膜性氧化膜,阻碍氧的阻碍氧的进进一步一步扩扩散散.耐腐耐腐蚀蚀性和抗氧化性性和抗氧化性统统称称为为材料的材料的热稳热稳定性定性.浇浇注注时时,液液态态金属充金属充满满比比较较复复杂杂的的铸铸型并型并获获得得优质铸优质铸件件 的能力的能力.1.7 材料的工材料的工艺艺性能性能(1)铸铸造性造性(2)可可锻锻性性金属易于金属易于锻压锻压成型的能力成型的能力.(3)可可焊焊性性材料易于被材料易于被焊焊接到一起并接到一起并获获得得优质焊缝优质焊缝的能力的能力.(4)切削加工性切削加工性材料容易被切削加工成型并得到准确的形状和高的表面材料容易被切削加工成型并得到准确的形状和高的表面光光洁洁度的能力度的能力.