工程材料的基础性能课件.ppt

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1、机械工程材料第2章 工程材料的基础性能 学习要点：2.1 静载时材料的力学性能2.2 材料的动载力学性能2.3 材料的高、低温力学性能2.4 材料的物理和化学性能机械工程材料使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。力学性能是指材料受到外加载荷作用时所反映出来的性能。工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造性能、热处理性能、可锻性、可焊性和切削加工性等。机械工程材料2.1 静载时材料的力学性能第2章 工程材料的基础性能根据机械零件在机械中所处的部位不同，外加载荷的性质有以下三种：(1)静载荷：即施加载荷的速度比较缓慢，是指大小不随时间的变化而发生变化的载

2、荷。(2)冲击载荷：施加载荷的速度很快，带有冲击的性质。(3)交变载荷：所施加的载荷大小、方向随时间而变化。机械工程材料2.1 静载时材料的力学性能2.1 静载时材料的力学性能第2章 工程材料的基础性能1拉伸试验与应力应变曲线图2-1标准试样和低碳钢的拉伸曲线机械工程材料2.1 静载时材料的力学性能第2章 工程材料的基础性能图2-2 几种典型材料的拉伸曲线曲线1高碳钢淬火低温回火曲线2低合金结构钢曲线3黄铜曲线4陶瓷、玻璃类脆性材料 曲线5橡胶类材料曲线6工程塑料机械工程材料2.1 静载时材料的力学性能2弹性与刚度第2章 工程材料的基础性能弹性不产生永久变形的能力。Re为不产生永久变形的最大应

3、力，称 为弹性极限。刚度产生单位弹性变形时所需应力的大小。指标为弹性模量E。弹性模量是一个结构不敏感参数，即E主要取决于基体金属的性质。除随温度升高而降低外，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。一般可以通过增加横截面积或改变截面形状的方法来提高零件的刚度。机械工程材料2.1 静载时材料的力学性能3强度第2章 工程材料的基础性能强度材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。根据外力加载方式不同，有拉伸强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。（1）上屈服强度Reff 试样发生屈服而力首次下降前的最高应力。式中：Reff试样发生屈服而力首次下降前的最高应力，N；

4、S0试样的原始横断面积，mm2；（MPa）机械工程材料2.1 静载时材料的力学性能（2）下屈服强度ReL 在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力。第2章 工程材料的基础性能（MPa）式中：FeL在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力N图2-3 上屈服强度和下屈服强度机械工程材料2.1 静载时材料的力学性能（3）规定非比例延伸强度Rp第2章 工程材料的基础性能非比例延伸率等于规定的引申计标距百分率时（例如：p），对应的应力称为规定非比例延伸强度，用Rp表示。图2-4 规定非比例延伸强度机械工程材料2.1 静载时材料的力学性能（3）规定非比例延伸强度Rp第2章 工程材料的基础性能非比例延伸率等

5、于规定的引申计标距百分率时（例如：p），对应的应力称为规定非比例延伸强度，用Rp表示。图2-4 规定非比例延伸强度Rp0.2表示规定非比例延伸率p为0.2%时的应力 机械工程材料2.1 静载时材料的力学性能（4）规定残余延伸强度Rr 第2章 工程材料的基础性能 卸除应力后残余延伸率等于规定的引伸计标距百分率时（例如：r），对应的应力为称为残余延伸强度，用符号为Rr 表示。Rr0.2表示规定残余延伸率r为0.2%时的应力。机械工程材料2.1 静载时材料的力学性能（5）抗拉强度Rm 材料在拉断前所能承受的最大拉应力值 第2章 工程材料的基础性能（MPa）式中：Fm试样断裂前所承受的最大载荷，N。机

6、械工程材料2.1 静载时材料的力学性能4塑性第2章 工程材料的基础性能u 材料在载荷作用下，产生塑性变形而不被破坏的能力称为塑性。可以用延伸率和断面收缩率来表示。(1)断后伸长率：(2)断面收缩率：u 金属材料的断后伸长率(A)和断面收缩率(Z)数值越大，表示材料的塑性越好。机械工程材料2.1 静载时材料的力学性能5硬度第2章 工程材料的基础性能u硬度是指金属材料抵抗比它更硬的物体压入其表面的能力，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。u根据测量用压力和压头的不同，可以获得不同的硬度指标。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。机械工程材料P荷载，N；D球体直径，mm；h压痕深度，mm；d压痕

7、平均直径，mm。1)布氏硬度第2章 工程材料的基础性能2.1 静载时材料的力学性能机械工程材料布氏硬度的表示方法：第2章 工程材料的基础性能硬度数值HBW硬质合金球直径试验力试验力保持时间。例2-1 200HBWl0100030 表示用直径为10mm的硬质合金球，在9800N的载荷下保持30s 时测得布氏硬度值为200。2.1 静载时材料的力学性能机械工程材料第2章 工程材料的基础性能布氏硬度的优缺点：l优点：测量误差小，数据稳定；l缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及硬度大于 650HBW的材料。主要用于硬度较低的退火钢、正火钢、调质钢、铸铁、有色金属及轴承合金等的原料和半成品的硬度测量。

8、不适合于测定薄件以及成品件。2.1 静载时材料的力学性能机械工程材料第2章 工程材料的基础性能2）洛氏硬度洛氏硬度=。h卸除主试验力后，在初试验力下压痕残留的深度，即残余压痕深度，mm；S给定标尺的硬度单位，mm；N给定标尺的硬度数。2.1 静载时材料的力学性能机械工程材料第2章 工程材料的基础性能。根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，A、B、C、D、E、F、G、H、K、N与T标尺，常用的洛氏硬度有HRA、HRB、HRC三种，其中HRC在生产中应用最广。洛氏硬度的表示方法为：硬度值+硬度符号 例如，59HRC表示用洛氏硬度的C标尺测得的洛氏硬度值为59。2.1 静载时材料的力学性能机械工程

9、材料第2章 工程材料的基础性能。洛氏硬度的优缺点：l 优点：操作简便，压痕小，测量范围大，可用于成品及薄件的检验；l 缺点：测量结果分散度大，重复性差，不适用具有粗大、不均匀组织材料的硬度测定，测量结果也不及布氏硬度试验准确。2.1 静载时材料的力学性能机械工程材料第2章 工程材料的基础性能。3）维氏硬度 HVP/Av1.8544 P/d2P载荷（N）；d压痕直径（mm）2.1 静载时材料的力学性能机械工程材料第2章 工程材料的基础性能。维氏硬度的标注方法与布氏硬度相同。硬度数值写在符号的前面，试验条件写在符号的后面。例如：640HV30/20 表示在30kgf（294.2N）试验力作用下，保

10、持20s（1015s 不标注），测得的维氏硬度值为640。640HV30表示在30kgf（294.2N）试验力作用下，保持1015s，测得的维氏硬度值为640。标准规定，对于钢及铸铁的试验力保持时间为1015s时，可以不标注。2.1 静载时材料的力学性能机械工程材料第2章 工程材料的基础性能。维氏硬度的主要特点：u测得的硬度值精确；u所用载荷小，压痕深度浅，适用于测量零件薄的表面硬化层、金属镀层及薄片金属的硬度；u载荷可调范围大，故对软硬材料均适用，测定范围01000HV。u需要精确测定材料硬度时，常采用维氏硬度。u各硬度试验法测得硬度值不能直接进行比较，必须通过硬度换算表换算成同一种硬度值后

11、，方可比较其大小。2.1 静载时材料的力学性能机械工程材料第2章 工程材料的基础性能。2.2 材料的承受冲击载荷时力学性能2.1 静载时材料的力学性能 2.2 材料的承受冲击载荷时力学性能2.2.1冲击韧度材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力，称为材料的韧性。它是材料强度和塑性的综合表现。评定材料韧性的指标主要有冲击韧度和多冲抗力。机械工程材料第2章 工程材料的基础性能。2.1 静载时材料的力学性能 2.2 材料的承受冲击载荷时力学性能1.冲击韧度机械工程材料Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果Titanic近代船用钢板机械工程材料第2章 工程材料的基础性

12、能。2.1 静载时材料的力学性能 2.2 材料的承受冲击载荷时力学性能u冲击吸收功是一个由强度和塑性共同决定的综合性机械性能指标。u实验表明，塑性、韧性越高，材料抵抗大能量冲击的能力越强。u但在小能量多次冲击的情况下，决定材料抗冲击能力的主导因素是强度，提高材料的冲击吸收功值并不能有效提高使用寿命。u因此，根据AK值可评定材料对大能量冲击载荷的抵抗能力。机械工程材料第2章 工程材料的基础性能。2.1 静载时材料的力学性能 2.2 材料的承受冲击载荷时力学性能2.多冲抗力测定材料在一定冲击能量下，开始出现裂纹和最后破断的冲击次数作为多冲抗力的指标。用冲击次数N来表示。机械工程材料第2章 工程材料

13、的基础性能。2.1 静载时材料的力学性能 2.2 材料的承受冲击载荷时力学性能u金属材料受到很大能量的冲击载荷作用时，其冲击抗力主要决定于k值。u在小能量多次冲击条件下，其冲击抗力则主要取决于材料的强度和塑性。u当冲击能量高时，材料的塑性起主导作用；在冲击能量低时，则强度起主导作用。u因此，k值一般不直接用于冲击强度计算，而仅作参考。机械工程材料第2章 工程材料的基础性能。2.1 静载时材料的力学性能 2.2 材料的承受冲击载荷时力学性能2.2.2.疲劳强度疲劳断裂是指在交变载荷的作用下，零件经过较长时间工作或多次应力循环后所发生的断裂现象。交变应力是指应力的大小和方向随着时间发生周期性循环变

14、化的应力。疲劳断裂有如下特点：1引起疲劳断裂的应力很低，常常低于静载下的屈服强度；2断裂时无明显的宏观塑性变形，无预兆而是突然地发生，为脆性断裂。3疲劳断口能清楚地显示出裂纹的形成、扩展和最后断裂三个阶段。机械工程材料第2章 工程材料的基础性能。2.1 静载时材料的力学性能 2.2 材料的承受冲击载荷时力学性能2.2.2.疲劳强度疲劳断裂是指在交变载荷的作用下，零件经过较长时间工作或多次应力循环后所发生的断裂现象。交变应力是指应力的大小和方向随着时间发生周期性循环变化的应力。机械工程材料第2章 工程材料的基础性能。2.1 静载时材料的力学性能 2.2 材料的承受冲击载荷时力学性能l 当应力低于

15、一定值时，试样可以经受无限周期循环而不破坏，此应力值称为材料的疲劳极限(亦称疲劳强度)。l 钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。提高零件的疲劳极限的措施：l 改善零件的结构形状，l 避免应力集中，l 降低零件表面粗糙度值l 采取各种表面强化处理如喷丸处理、表面淬火及化学热处理等机械工程材料第2章 工程材料的基础性能。2.1 静载时材料的力学性能 2.2 材料的承受冲击载荷时力学性能l 低应力脆断是在应力作用下，裂纹发生的扩展，当裂纹扩展到一定临界尺寸时，裂纹发生失稳扩展（即自动迅速扩展），造成构件突然断裂。2.2.3 断裂韧性图2-10 含中心穿透裂纹的无限大板的拉伸机械工程材料第

16、2章 工程材料的基础性能。2.1 静载时材料的力学性能 2.2 材料的承受冲击载荷时力学性能l 断裂韧性：材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。l C为断裂应力，aC为临界裂纹半长，单位为 l 应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。机械工程材料第2章 工程材料的基础性能。2.1 静载时材料的力学性能 2.2 材料的承受冲击载荷时力学性能l 断裂韧度取决于材料成分、组织和结构。因此，适当调整成分，通过合理的冶炼、加工和热处理以获得最佳的组织，从而大幅度提高材料的断裂韧度，提高裂纹构件的承载能力。l 该指标应用于抗断设计。机械工程材料第2章 工程材料的基础性能。2.1 静载时材料的力学性能2.

17、2 材料的承受冲击载荷时力学性能2.3 材料的高、低温力学性能2.3 材料的高、低温力学性能2.3.1高温机械性能u 材料在高温下机械性能的一个重要特点就是产生蠕变。u 蠕变是指材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。由于蠕变变形而最后导致金属材料的断裂称为蠕变断裂。u 常用的材料蠕变性能指标为蠕变极限和持久强度极限。机械工程材料第2章 工程材料的基础性能。2.1 静载时材料的力学性能2.2 材料的承受冲击载荷时力学性能2.3 材料的高、低温力学性能u 是指在给定温度T(单位)下和规定的试验时间t(单位h)内，使试样产生一定蠕变伸长量所能承受的最大应力。用符号 表示。u 例如

18、=100MN/m2，即表示材料在500，105h内，产生的变形量为l时所能承受的应力为100MN/m2。蠕变极限机械工程材料第2章 工程材料的基础性能2.1 静载时材料的力学性能2.2 材料的承受冲击载荷时力学性能2.3 材料的高、低温力学性能u 是指材料在给定温度T(单位)和规定的持续时间t(单位h)内引起断裂的最大应力值，用符号 表示。u 例如=300MN/m2，表示材料在700经1000h所能承受的断裂应力为300MN/m2。持久强度极限机械工程材料第2章 工程材料的基础性能2.1 静载时材料的力学性能2.2 材料的承受冲击载荷时力学性能2.3 材料的高、低温力学性能2.3.2 低温机械

19、性能u 当试验温度低于某一温度Tk时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，即低温脆性，转变温度Tk称为韧脆转变温度，亦称冷脆转变温度。图2-11 冲击功随温度的变化曲线体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金属没有.机械工程材料第2章 工程材料的基础性能2.1 静载时材料的力学性能2.2 材料的承受冲击载荷时力学性能2.4 材料的物理和化学性能2.4 材料的物理和化学性能2.4.1 材料的物理性能材料的物理性能包括密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等。1密度u 密度是指材料单位体积的质量，单位为kg/m3。密度是材料的一种特性。u 一般将密度小于4.510 3 kg

20、/m3的金属称为轻金属，密度大于4.510 3 kg/m3的金属称为重金属。u 比强度材料的抗拉强度与材料比重之比。比强度可以比较不同材料在相同质量下的强度。机械工程材料第2章 工程材料的基础性能2.1 静载时材料的力学性能2.2 材料的承受冲击载荷时力学性能2.4 材料的物理和化学性能2熔点u 熔点是指金属由固态转变成液态时的温度。u 通常，材料的熔点越高，在高温下保持高强度的能力越强。机械工程材料第2章 工程材料的基础性能2.1 静载时材料的力学性能2.2 材料的承受冲击载荷时力学性能2.4 材料的物理和化学性能3导电性u 根据导电性的好坏，常把材料分成导体、绝缘体和半导体。u 金属一般具

21、有较好的导电性，当金属的组织变化时，将引起电阻率的变化。例如，杂质元素增加或形成固溶体将使电阻率升高；淬火时马氏体相变或冷变形也使电阻率升高。u 通常，随温度的升高金属的电阻率增加，而非金属材料的电阻率随温度的升高而降低。机械工程材料第2章 工程材料的基础性能2.1 静载时材料的力学性能2.2 材料的承受冲击载荷时力学性能2.4 材料的物理和化学性能4磁性u 磁性是指材料所具有的导磁性能。按在外磁场中表现出来的磁性强弱，金属材料可分为铁磁性材料、顺磁性材料和抗磁性材料。l 铁磁性材料是指在外加磁场中能强烈地被磁化的材料；l 顺磁性材料是指在外加磁场中只能微弱地被磁化；l 抗磁性材料是指能抗拒或

22、削弱外加磁场对本身的磁化作用的材料。u 磁性只存在于一定温度内，在高于一定温度时，其磁性就会消失。如铁在770以上就没有磁性，这一温度称为居里点。机械工程材料第2章 工程材料的基础性能2.1 静载时材料的力学性能2.2 材料的承受冲击载荷时力学性能2.4 材料的物理和化学性能5导热性u 导热性是指材料传导热量的能力，通常用热导率表示。u 热导率是指单位时间内，通过垂直于热流方向单位截面积上的热流量，单位为W/(mK)。u 材料导热性受温度影响，一般随温度增高而稍有增加。机械工程材料第2章 工程材料的基础性能2.1 静载时材料的力学性能2.2 材料的承受冲击载荷时力学性能2.4 材料的物理和化学

23、性能6热膨胀性u 热膨胀是指随着温度变化，材料的体积也发生变化(膨胀或收缩)的现象，是衡量材料热稳定性好坏的一个重要指标，一般用线膨胀系数衡量，即温度变化1 时，材料长度的增减量与其在0 时的长度之比。机械工程材料第2章 工程材料的基础性能2.1 静载时材料的力学性能2.2 材料的承受冲击载荷时力学性能2.4 材料的物理和化学性能2.4.2 材料的化学性能化学性能通常指材料与周围介质发生化学或电化学反应的性能。1耐腐蚀性 耐腐蚀性是指材料抵抗各种介质侵蚀的能力。2抗氧化性 抗氧化性是指材料在高温条件下抗空气、水蒸气、炉气等氧化的能力。金属抗氧化的机理是在高温下材料表面迅速氧化形成一层致密的并与

24、母体结合牢固的保护性氧化膜，阻止进一步氧化。机械工程材料第2章 工程材料的基础性能2.1 静载时材料的力学性能2.2 材料的承受冲击载荷时力学性能2.4 材料的物理和化学性能3化学稳定性l化学稳定性是耐腐蚀性和抗氧化性的总称。l高温下的化学稳定性称为热稳定性。机械工程材料第2章 工程材料的基础性能2.1 静载时材料的力学性能2.2 材料的承受冲击载荷时力学性能2.4 材料的物理和化学性能2.5 材料的工艺性能2.5.1 铸造性能 材料在铸造成形过程中获得形状准确、内部健全铸件的能力，称为金属的铸造性能，它表示了金属铸造成形时的难易程度。金属的铸造性能主要用流动性、收缩性、吸气性、偏析等来衡量。

25、金属材料中，灰铸铁和青铜的铸造性能较好。机械工程材料第2章 工程材料的基础性能2.1 静载时材料的力学性能2.2 材料的承受冲击载荷时力学性能2.4 材料的物理和化学性能2.5.2 锻压性能 金属的锻压性能(又称可锻性)是指金属经受塑性变形而不开裂的能力。锻压性能的优劣常用金属的塑性和变形抗力来综合衡量。材料塑性越好，变形抗力越小，则锻压性能越好。机械工程材料第2章 工程材料的基础性能2.1 静载时材料的力学性能2.2 材料的承受冲击载荷时力学性能2.4 材料的物理和化学性能2.5.3 焊接性 焊接性是指材料可以在限定的施工条件下焊接成满足设计要求的构件，并达到预定工作要求的能力(亦称可焊性)。机械工程材料第2章 工程材料的基础性能2.1 静载时材料的力学性能2.2 材料的承受冲击载荷时力学性能2.4 材料的物理和化学性能2.5.4 切削加工性能u 切削加工性是指材料被刀具切削加工而成为合格工件的难易程度。u 通过对被切削材料进行适当的热处理，可以改善切削加工性。机械工程材料第2章 工程材料的基础性能2.1 静载时材料的力学性能2.2 材料的承受冲击载荷时力学性能2.4 材料的物理和化学性能2.5.5 热处理工艺性能