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1、1 CAD工程中心工程中心 赵永胜赵永胜 2012/09l金属材料金属材料合金合金l高分子材料高分子材料高聚物高聚物l陶瓷材料陶瓷材料无机非金属无机非金属l 复合材料复合材料工程材料导论工程材料导论第一章 材料的性能l使用性能：使用性能：材料在使用过程材料在使用过程中所表现的性能。中所表现的性能。包括包括力学力学性能、物理性能性能、物理性能和和化学性能。化学性能。l工艺性能：工艺性能：材料在加工过程材料在加工过程中所表现的性能。中所表现的性能。包括包括铸造、铸造、锻压、焊接、热处理锻压、焊接、热处理和和切削切削性能等性能等。神舟一号飞船l材料在外力的作用下发生形状和尺寸变化，称为材料在外力的作
2、用下发生形状和尺寸变化，称为变形变形。l随着外力消失而消失的变形称为随着外力消失而消失的变形称为弹性弹性变形变形。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塑性变形变形。五万吨水压机五万吨水压机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)/l0一、弹性和刚度一、弹性和刚度l弹性指标：弹性指标：为弹性极限为弹性极限 e e，即即材料承受最大弹性变形时材料承受最大弹性变形时的应力。的应力。l刚度：刚度：材料受力时抵抗弹性材料受力时抵抗弹性变形的能力。变形的能力。指标为弹性模指标为弹性模量量E E。e弹
3、性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升弹性模量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、冷高而逐渐降低外，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或改变截面形状来提高零件的刚度。增加横截面积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。屈服强度屈服强度 s：材料发生微量材料发生微量塑性变形时的应力值。塑性变形时的应力值。条件屈服强度条件屈服强度 0.2：
4、残余变残余变形量为形量为0.2%时的应力值。时的应力值。抗拉强度抗拉强度 b：材料断裂前所材料断裂前所承受的最大应力值。承受的最大应力值。s0.2塑性：塑性：塑性：塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。指标为：指标为：指标为：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l说明：说明：l 断面缩率不受试样尺寸的影响，因此断面缩率不受试样尺寸的影响，因此能更接近真实地反映材料的塑性。能更接近真实地反映材料的塑性。l 直径直径d
5、0 相同时，相同时，l0，。只有当。只有当l0/d0 为常数时（为常数时（5.65），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，有颈缩，为塑性材料表征时，有颈缩，为塑性材料表征三、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指标为冲指标为冲击韧性值击韧性值ak(通过冲通过冲击实验测击实验测得得)。Titanic 号钢板号钢板（左图）（左图）和
6、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的重复交变应力作用下发生断裂的现象。的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应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。l布氏硬度
7、布氏硬度HBHB布布氏氏硬硬度度计计 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，适适用用于于布布氏硬度在氏硬度在650以下的材料。以下的材料。l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）载载荷荷作作用用下下保保持持30s测测得得的的布布氏氏硬度值为硬度值为120。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
8、，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,铸铁及有色金属的铸铁及有色金属的硬度。硬度。洛氏硬度洛氏硬度h1-h0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洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HR表示，表示，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，常用的标尺为常用的标尺为A、B、C。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
9、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l布氏硬度值与洛氏硬度值可通过特制表格布氏硬度值与洛氏硬度值可通过特制表格互换互换（HRA、HRB与与HRC之间不可以换算）之间不可以换算）l硬度与强度的关系：硬度与强度的关系：对于低碳钢对于低碳钢:b(MPa)0.36HB 对于高碳钢：对于高碳钢：b(MPa)0.34HB 对于铸铁：对于铸铁：b(MPa)0.1HB 调质合金钢调质合金钢 b(MPa)0.325HBHB b(MPa)钢黄铜球墨铸铁六、材料的工艺性能六、材料的工艺性能l切削性切削性l铸造性铸造性l可锻性可锻性l焊接性焊接性