第一章材料的性能

神舟一号飞船 第一章材料的性能使用性能是指为保证零件能正常工作和有一定工作寿命材料应具备的性能，包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能是指为保证材料加工顺利进行材料应具备的性能，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等。

拉伸试验机 低碳钢的应力-应变线拉伸试样拉伸图与应力-应变曲线应力= P/F0 应变= (l-l0)/l0

1、刚度和弹性 • 刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量E。 • 弹性：指标为弹性极限e，即材料承受最大弹性变形时的应力。低碳钢的应力-应变曲线

s   2、强度 • 强度是指材料在静载荷作用下，抵抗产生塑性变形或断裂的能力。 • 强度分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等 • 使用中一般多以屈服强度和抗拉强度作为最基本的强度指标。

拉伸试样的颈缩现象 断裂后 3、塑性 • 塑性：材料在载荷作用下，产生永久变形而不破坏的能力。断面收缩率：延伸率：

3、硬度 硬度是衡量材料软硬程度的指标。它反映了材料抵抗局部塑性变形的能力，是检验毛坯或成品件、热处理件的重要性能指标。布氏硬度布氏硬度试验原理示意图 P的单位：kgfD、d的单位：mm HB的单位：kgf /mm2

布氏硬度压痕 • 压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。 • 压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。 • 符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值, 符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如 120HBS10/1000/30 表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。

钢 b(MPa) 黄铜球墨铸铁 HB • 布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。 • 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。 • 适于测量退火、正火、调质钢, 铸铁及有色金属的硬度。 • 材料的b与HB之间的经验关系： • 对于低碳钢:b(MPa)≈3.6HB • 对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB • 对于铸铁：b(MPa)≈1HB或 • b(MPa)≈0.6(HB-40)

洛氏硬度计 洛氏硬度测试示意图 h1-h0 洛氏硬度 • 洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002 • 根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。

钢球压头与金刚石压头 洛氏硬度压痕常用HRA、HRB、HRC三种标尺，符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。 • HRA用于测量高硬度材料, 如硬质合金、表淬层和渗碳层。 • HRB用于测量低硬度材料, 如有色金属和退火、正火钢等。 • HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。 • 洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。 • 缺点：测量结果分散度大。

维氏硬度压痕 维氏硬度计维氏硬度试验原理维式硬度和显微硬度维式硬度为了能在同一硬度标尺上，测定由极软到极硬金属材料的硬度值，特制定了维氏硬度实验法。

小负荷维氏硬度计 显微维氏硬度计 • 维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。 • 根据载荷范围不同，规定了三种测定方法—维氏硬度试验小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。 • 维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的 • 优点。

显微硬度 显微硬度试验实质上就是小载荷的维氏硬度试验，其原理与维氏硬度一样，所不同的是载荷以克计量，压痕对角线以微米计量。主要用来测定组成相得硬度和表面硬化层的硬度分布，显微硬度值用HM表示。显微维氏硬度计

4、疲劳 轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力(也称循环应力)。在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为金属的疲劳。疲劳断口是由以裂纹源(疲劳源)为中心逐渐向内扩展的若干弧线的光亮区和最后断裂的粗糙区(结晶状或纤维状)所组成的疲劳断口示意图

疲劳抗力指标 疲劳曲线示意图疲劳极限条件疲劳强度一般钢铁材料的σ-N曲线属于图中曲线1的形式，当循环应力小于某一数值时循环周次可以达到很大甚至无限大而试样仍不发生疲劳断裂，这是试样不发生疲劳断裂的最大循环应力，该应力值称为疲劳极限，用σ-1表示光滑试样的对称弯曲疲劳极限。用N=107为基数来确定一般钢铁材料的疲劳极限。一般有色金属、高强度钢及腐蚀介质作用下的钢铁材料的σ-N曲线属于图中曲线2的形式，所受应力σ随着循环周次N的增加而不断降低，不存在曲线1所示的水平线段。这类材料以断裂前循环周次为N时所能承受的最大应力来表示，称为“条件疲劳强度” 。N=5×107～108为基数来确定其条件疲劳强度。

提高疲劳抗力的途径 • 改善零件的结构形状以避免应力集中； • 提高零件表面加工光洁度； • 尽可能减少各种热处理缺陷(如脱碳、氧化、淬火裂纹等)； • 采用表面强化处理，如化学热处理、表面淬火、表面喷丸和表面滚压等强化处理

冲击韧性就是将冲击功Ak除以试样断口处的横截面积。冲击韧性就是将冲击功Ak除以试样断口处的横截面积。冲击韧性冲击试验

温度对冲击韧性值的影响 韧脆转变温度 • 材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。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。

断裂韧性 是指零件在较低的工作应力，甚至远远低于其屈服强度，韧性和塑性指标也不低于规定值的情况下发生的脆性断裂现象低应力脆断原因：由于材料内部裂纹发生扩展的结果影响裂纹扩展和零件断裂的因素有二：外加载荷大小；裂纹的尺寸裂纹试样

裂纹一般分为穿透裂纹、表面裂纹和深埋裂纹（一般Y=1~2）裂纹扩展的三种类型 I—张开型 Ⅱ—滑开型Ⅲ—撕开型

6、金属材料的理化性能 金属的物理性能 • 密度单位体积物质的质量密度小于5×103 kg/m3 的金属称为轻金属, 如铝、镁、钛及它们的合金。密度大于5×103 kg/m3的金属称为重金属 • 熔点金属从固态向液态转变时的温度 • 导热性导热性通常用热导率来衡量。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 • 导电性电阻率越小，金属材料导电性越好，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 • 热膨胀性金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性 • 磁性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干扰的零件和结构材料，如航海罗盘。

金属的化学性能 • 耐腐蚀性。金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力称耐腐蚀性，碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差；钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好。铝合金和铜合金有较好的耐腐蚀性。 • 抗氧化性。金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称抗氧化性。加入Cr、Si等元素, 可提高钢的抗氧化性。如4Cr9Si2可制造内燃机排气阀及加热炉炉底板, 料盘等。

7、材料的工艺性能 • 铸造性铸造性主要包括流动性、收缩率、偏析倾向等指标。流动性好、收缩率小、偏析倾向小的材料其铸造性也好。对某些工程塑料而言，在其成型工艺方法中，也要求有较好的流动性和小的收缩率。 • 可锻性可锻性好坏主要以材料的塑性和变形抗力来衡量。 • 可焊性一般用焊接处出现各种缺陷的倾向来衡量。低碳钢可焊性优良，铸铁和铝合金的可焊性很差。某些工程塑料也有良好的可焊性 • 切削加工性与材料种类、成分、硬度、韧性、导热性及内部组织状态等许多因素有关。 • 热处理性能热处理工艺性能包括淬透性、热应力倾向、加热和冷却过程中的裂纹形成倾向等。

思考题与习题 1-1 什么是金属材料的力学性能？金属材料的力学性能包含哪些方面？ 1-2 什么是强度？在拉伸试验中衡量金属强度的主要指标有哪些？它们在工程应用上有什么意义？ 1-3 什么是塑性？在拉伸试验中衡量塑性的指标有哪些？ 1-4 什么是硬度？指出测定金属硬度的常用方法和各自的优缺点。 1-5 在下面几种情况下，该用什么方法来测试硬度？写出硬度符号。（1）检查锉刀、钻头成品硬度；（2）检查材料库中钢材硬度；（3）检查薄壁工件的硬度或工件表面很薄的硬化层；（4）黄铜轴套；（5）硬质合金刀片。 1-6 什么是冲击韧性？αk指标有什么实用意义？ 1-7 为什么疲劳断裂对机械零件有很大的潜在危险？交变应力与重复应力有什么区别？试举出一些零件在工作中分别存在这两种应力的例子。

第一章 材料的性能