第 1 章 工程材料的性能

1. 第 1章 工程材料的性能

2. 使用性能——在正常工作条件下，材料应具备的性能力学性能，物理性能，化学性能使用性能——在正常工作条件下，材料应具备的性能力学性能，物理性能，化学性能 工艺性能——材料在加工制造中表现出的性能， 显示了加工制造的难易程度 铸造性，锻造性，焊接性，切削加工性，热处理性 经济性——原材料价格，加工费用，采购与管理费用 Overview 工程材料的性能可分为

3. 1.1 材料的机械性能 1.1.1 材料在静载荷下的机械性能 1.1.2 材料在动载荷下的机械性能 1.2 材料的物理、化学和工艺性能 Contents

4. 1.1 材料的力学性能 • 力学性能是指材料在承受各种载荷时的行为。 • 通常是在实验室内模拟生产条件来确定合适的试验方法。利用不同的试验方法来确定材料的力学行为特征及评定材料力学性能的指标。 • 这些性能指标是材料设计、材料选用、工艺评定以及材料检验的重要依据。

5. 塑性 强度 硬度 韧性 疲劳强度和断裂韧度 常用 力学 性能 弹性 刚度

6. 强 度 1 拉伸实验与应力-应变曲线 1.1.1材料在静载荷下的机械性能

8. Concepts 强度：在外力作用下，材料抵抗外力而不破坏的能力。 破坏：变形和断裂。 材料强度越高，所承受的载荷越大 屈服 强度 抗拉 强度 的比值称为屈强比，是一个有意义的指标。 适合的比值在0.65~0.75之间。 屈强比

9. 能力知识点1 强度、刚度及弹性 一、拉伸曲线与应力应变曲线 拉伸试样 万能试验机

10. 1.拉伸曲线 退火低碳钢的拉伸曲线

11. 应力：试样单位面积上承受的载荷，即： 式中 F——试样所承受的载荷(N)； S0——试样的原始横截面积(㎜2)。 应变：试样单位长度的伸长量，即： 式中 ΔL——试样标距长度的伸长量； L0——试样的原始标距长度。

12. 2.应力-应变曲线 退火低碳钢的应力-应变曲线

13. 二、刚度和弹性 1.弹性模量 定义:材料在弹性范围内，应力与应变的比值称为弹性模量，即： E标志着材料抵抗弹性变形的能力。 金属的E值随温度的升高而逐渐降低。

14. 2.弹性极限 定义:材料在不产生塑性变形时所能承受的最大应力值称为弹性极限,即： 式中 Fe——试样在不产生塑性变形时所承受的最大应力值； S0——试样的原始标横截面积。

15. 三、强度 定义:强度是指金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。 1.屈服强度 屈服强度是指拉伸试验过程中，力不增加试样仍然能继续伸长时的应力，用σs表示： 式中 Fs——试样发生屈服时的载荷，即屈服载荷（N）； S0——试样的原始横截面积（mm2）。 屈服强度的定义

16. 脆性材料的屈服：试样卸除载荷后，其标距部分的残余伸长率达到试样标 距长度的0.2%时的应力，用符号σ0.2表示。 式中 F0.2——试样标距发生0.2%残余伸长时的载荷（N）； S0——试样的原始横截面积（mm2）。 规定残余伸长强度 应用：σs和σ0.2常作为零件选材和设计的依据。

17. 2.抗拉强度:抗拉强度是指材料在断裂前所承受的最大应力,又称强度极限,用σb表示，即2.抗拉强度:抗拉强度是指材料在断裂前所承受的最大应力,又称强度极限,用σb表示，即 式中 Fb——试样拉断前承受的最大载荷（N）； S0——试样的原始横截面积（mm2）。 抗拉强度的定义 应用：脆性材料制作机械零件和工程构件时的选材和设计的依据。

18. 能力知识点2 塑性 （一） 定义 金属材料在静载荷作用下产生永久变形而不致引起破坏的性能。 （二）衡量指标 伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。 断面收缩率：试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。

19. 伸长率（ δ） 式中 LU——试样拉断后标距的长度(mm)； L0——试样的原始标距(mm)。

20. 断面收缩率（Ψ） 式中 SU——试样拉断后断裂处的最小横截面积； S0——试样的原始横截面积（mm2）。 超塑状态 通常情况下金属的伸长率不超过90% ，而有些金属及其合金在某些特定的条件下，最大伸长率可高达1000%~2000% ，个别的可达6000% ，这种现象称为超塑性。由于超塑状态具有异常高的塑性，极小的流动应力，极大的活性及扩散能力，在压力加工、热处理、焊接、铸造、甚至切削加工等很多领域被中应用。

21. 2、强度与塑性 强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。 屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。 条件屈服强度0.2：残余变形量为0.2%时的应力值。 抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。

22. 断面收缩率： 拉伸试样的颈缩现象 塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。 指标为： 伸长率： 说明： 用面缩率表示塑性比伸长率更接近 真实变形。

23. 刚 度 2 材料在受力时抵抗弹性变形的能力称为刚度，它表示材料弹性变形的难易程度。 刚 度 材料的刚度大小通常用弹性模量E来评价。

24. E • E的大小主要取决于金属键，即与材料的原子间结合力有关，与显微组织的关系不大，合金化、热处理、冷变形等工艺因素对其影响很小，生产中一般不考虑也不检验它的大小，基体金属一经确定，其弹性模量值就基本确定了。在材料不变的情况下，只改变零件的截面尺寸或结构，才能改变零件的刚度。 • 常用材料的E • 铁：21400Kg/mm2 • 铜：132400Kg/mm2 • 铝：7200Kg/mm2 • 零件的刚度：除了与材料的刚度有关外，还与零件的截面尺寸有关。EA称为零件的刚度。

25. 工程上常用伸长率和断面收缩率 作为材料的塑性指标 伸长率 断面收缩率 塑 性 3 • 塑性是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不断裂的能力。

26. 重要说明 • 良好的塑性是顺利进行压力加工的重要条件。 如：10钢，延伸率>31%，断面收缩率>55% • 塑性是保证零件强度发挥出来的条件。 • 如陶瓷材料强度高，但是塑性=0，易断裂

27. 强度 塑性 材料抵抗外力而不破坏的能力 材料在载荷作用下产生塑性变形而不断裂的能力 强 调 • 强度和塑性是材料的一对矛盾。 • 选材就是正确处理强度和塑性（韧性）之间的关系。 • 通过热处理等工艺方法可以适当的调整材料的强度和塑性配合，以满足某种零件工作条件的要求。

28. 不同材料的应力-应变曲线

29. 硬 度 4 硬度实验 • 硬度实验是静载实验的一种方法。 • 硬度是衡量金属材料软硬程度的指标。它是表征材料强度和塑性的一个综合判据。 • 硬度测定的优越性： • (1) 材料硬度与强度之间有一定的关系； • (2) 简单易行； • (3) 非破坏性实验。 • 因此在设计图纸的技术条件中大多数规定材料的硬度值。

30. 硬度试验分类 硬度试验按照加载方式不同可分为： （1）压入法——静载压入：布氏、洛氏、维氏、努氏 动载压入（回弹法） ：肖氏、理氏 （2）划痕法：莫氏、锉刀法

31. 金刚石压头和淬火钢球压头 硬度实验过程

32. (1) 布氏硬度 • 布氏硬度试验方法是把规定直径的淬硬钢球或硬质合金钢球以一定的试验力压入材料表面，保持规定的时间后，测量表面压痕直径d，并计算压痕球缺表面积A如图，其硬度计算公式： （不写单位：kgf/mm2）

33. (1) 布氏硬度 布氏硬度测量 优点：测量数值稳定，准确 缺点：操作慢，不适用批量生产 和薄形件 布氏硬度适用于 • 铸铁，有色金属 • 退火、正火、调质处理钢 • 原材料，毛坯 • 当HBS<450时有效 (HBW450-650)

34. (2) 洛氏硬度 • 洛氏硬度试验是目前应 用最广的硬度试验方法， 它采用直接测量压痕深度 来确定硬度值，比布氏、 维氏测试迅速，适合批量 生产的工件进行硬度测量。

35. 测量洛氏硬度时需要两次加载，0-0位置为未加载测量洛氏硬度时需要两次加载，0-0位置为未加载 1-1：h1加预载后的压痕深度 2-2：h2加主载荷后的压痕深度（弹性和塑性变形） 卸主载荷后，弹性恢复量he ，压头稍抬高到3-3位置。 h为主载荷引起的残余压痕深度即洛氏硬度。

36. 但这样直接以压痕深度来表示硬度，会出现硬金属的硬度值小（压痕浅），软金属硬度值大（压痕深）的现象，这与布氏硬度所标志的硬度大小概念矛盾。为了与习惯上数值越大硬度越高的概念一致，采用K常数减去h差值表示硬度值。为了简便又规定每0.002mm压入深度为一个硬度单位（表盘刻度上一小格）但这样直接以压痕深度来表示硬度，会出现硬金属的硬度值小（压痕浅），软金属硬度值大（压痕深）的现象，这与布氏硬度所标志的硬度大小概念矛盾。为了与习惯上数值越大硬度越高的概念一致，采用K常数减去h差值表示硬度值。为了简便又规定每0.002mm压入深度为一个硬度单位（表盘刻度上一小格） • 计算公式 HR=（K-h）/0.002 • 金刚石压头K=0.2， HRC，HRA=100-h/0.002 • 淬火钢球K=0.26，HRB=130-h/0.002 • 实际实验时，直接从表盘上读出数据即可。

37. 洛氏硬度特点 洛氏硬度测量 优点：操作简便，压痕小，可用于成品和薄形件 缺点：测量数值分散 HRC洛氏硬度适用于 • 淬火钢，调质钢 批生产零件 • 当HRC20~70时有效

38. 纳米材料硬度测量 Measurement Ranges Maximum Load 500 mN Load Resolution 0.04 microNewtons Maximum Depth 0-20&0-200 microns Depth Resolution 0.04 & 0.3 nm 显微硬度 手持式硬度计 (3) 其他硬度

39. 铝 钢 压痕硬度原理图

40. P D d 布氏硬度原理图 一、布氏硬度 • 布氏硬度试验是指用一定直径的 球体（钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入式样表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量的表面压痕直径计算硬度的一种压痕硬度试验。

41. 布氏硬度试验原理图

42. 布氏硬度试验 • 原理 • 表示方法 • 压头选择 • 优缺点

43. F A凹 • 布氏硬度= 2F πD[D-（D²-d ²）½] = • 1. 原理

44. 布氏硬度试验 • 原理 • 表示方法 • 压头选择 • 优缺点

45. F A凹 • 布氏硬度= 2F πD[D-（D²-d ²）½] = • 1. 原理

46. 使用刚球压头时布氏硬度值用符号HBS表示；使用硬度合金压头时用符号HBW表示。使用刚球压头时布氏硬度值用符号HBS表示；使用硬度合金压头时用符号HBW表示。 在实际测试时，不必用公式计算，一般用读数显微镜测出压痕直 径d，然后根据 d大小查表，即可求出所测的硬度值。

47. 2. 应用 测量比较软的材料。测量范围 HBS<450、HBW<650的金属材料。 3. 优缺点 压痕大，测量准确，但不能测量成品件。

48. 二、洛氏硬度试验 • 原理 • 试验条件和应用 • 优缺点

49. 加初载荷 加主载荷 卸除主载荷 读硬度值 • 1.原理