工程材料及其性能第1頁/共87頁“神州”六號載人飛船發(fā)射升空第2頁/共86頁第2頁/共87頁第3頁/共86頁第3頁/共87頁

導彈驅(qū)逐艦第4頁/共86頁第4頁/共87頁

航空母艦第5頁/共86頁第5頁/共87頁美國“奮進號”航天飛機“乘坐”波音747飛機第6頁/共86頁第6頁/共87頁鋼甲勇士第7頁/共86頁第7頁/共87頁1.1.1材料的發(fā)展1.石器時代2.青銅時代3.鐵器時代4.合成材料新時代材料是人類進化的里程碑。由于材料的重要性，歷史學家根據(jù)人類所使用的材料來劃分時代。石器鐵器

象形尊(青銅)第8頁/共86頁第8頁/共87頁材料的發(fā)展水平和利用程度已成為人類文明進步的標志。

材料的發(fā)展與人類社會簡圖第9頁/共86頁第9頁/共87頁1.1.2工程材料的分類（1）按化學組成分金屬材料有機高分子材料陶瓷材料復合材料（2）按使用性能分結構材料功能材料（3）按使用領域分信息材料能源材料建筑材料機械工程材料生物材料第10頁/共86頁第10頁/共87頁1.2金屬材料的常用力學性能1.2.1金屬材料所受載荷與常用力學

1.2.2強度

1.2.3塑性

1.2.4硬度

1.2.5沖擊韌性1.2.6疲勞強度第11頁/共86頁第11頁/共87頁1.2.1金屬材料所受載荷與常用力學載荷——金屬材料（或零件、構件）在加工和使用過程中所受的力（N）或應力。按外力的作用性質(zhì)，可分為三種：（1）靜載荷

大小不變或變化很慢的載荷。如：書放在桌子上，桌子所受的力。人站在地面上，地面所的力等等。（2）沖擊載荷突然增加或消失的載荷。如：在墻上釘釘子，釘子所受的力等等。（3）交變載荷周期性的動載荷。根據(jù)作用形式不同，載荷又可分為：拉、壓載荷，彎曲載荷，剪切載荷，扭轉(zhuǎn)載荷。第12頁/共86頁第12頁/共87頁第13頁/共86頁第13頁/共87頁2.載荷下的變形（1）彈性變形隨外力消除而消失的變形稱為彈性變形。（2）塑性變形當外力去除時，不能恢復的變形稱為塑性變形。3.常用力學性能指標

金屬材料的力學性能是指材料在各種載荷作用下表現(xiàn)出來的抵抗變形和斷裂的能力。常用的力學性能指標有：強度、塑性、硬度、沖擊韌性、疲勞強度等，它們是衡量材料性能和決定材料英語范圍的重要指標。第14頁/共86頁第14頁/共87頁1.2.2強

度

一、拉伸曲線與應力—應變曲線

1．拉伸曲線

GB228—87規(guī)定了拉伸試驗的方法和拉伸試驗試樣的制作標準。在試驗時，金屬材料制作成一定的尺寸和形狀(如圖1-1所示)，將拉伸試樣裝夾在拉伸試驗機上，對試樣施加拉力，在拉力不斷增加的過程中觀察試樣的變化，直至把試樣拉斷。

強度——材料受靜載荷作用時，抵抗塑性變形和斷裂的能力。第15頁/共86頁第15頁/共87頁長試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0返回上一頁下一頁回主頁第16頁/共86頁第16頁/共87頁根據(jù)拉伸過程中載荷(F)與試樣的伸長量(Δl)之間的關系，可以繪制出金屬的拉伸曲線。如圖1-2所示為低碳鋼的拉伸曲線，拉伸過程可分為彈性變形、塑性變形和斷裂三個階段。具體分析如下：

第17頁/共86頁第17頁/共87頁第18頁/共86頁第18頁/共87頁

Op段：試樣的伸長量與載荷呈直線關系，完全符合虎克定律，試樣處于彈性變形階段。

pe段：伸長量與載荷不再成正比關系，拉伸曲線不成直線，試樣仍處于彈性變形階段。

ss′段(拉伸曲線中的平臺或鋸齒)：外力不增加或變化不大，試樣仍繼續(xù)伸長，出現(xiàn)明顯的塑性變形，這種現(xiàn)象稱為屈服現(xiàn)象。

s′b段：這個階段，載荷增加，伸長沿整個試樣長度均勻伸長，同時，隨著塑性變形不斷增加，試樣的變形抗力也逐漸增加，這個階段是材料的強化階段。

第19頁/共86頁第19頁/共87頁

b點：載荷達到最大，試樣局部面積減小，伸長增加，形成了“縮頸”。

bk段：隨著縮頸處截面不斷減小(非均勻塑性變形階段)，承載能力不斷下降，到k點時試樣發(fā)生斷裂。拉伸曲線中，斷裂總伸長為Of，其中塑形變形伸長為Og(試樣斷后測得的伸長Δlk)，彈性伸長為gf。

第20頁/共86頁第20頁/共87頁強度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，是工程技術上重要的力學性能指標。按照載荷的性質(zhì)，材料強度有靜強度、疲勞強度等；按照環(huán)境條件，材料強度有常溫強度、高溫強度等，高溫強度又包括蠕變極限和持久強度。除了上述材料強度外，還有機械零件和構件的結構強度。工程上常用的強度指標有強度指標有屈服強度、規(guī)定殘余延伸強度、抗拉強度等。2.強度指標第21頁/共86頁第21頁/共87頁材料強度的大小通常用單位面積上所承受的力來表示，其單位為N/m2(Pa)，但Pa這個單位太小，所以實際工程中常用MPa（MPa=106Pa）作為強度的單位。一般鋼材的屈服強度在200～2000MPa之間，如建造2008年北京奧運會主體育場“鳥巢”外部鋼結構的Q460E鋼，其屈服強度為460MPa。第22頁/共86頁第22頁/共87頁

（1）彈性極限σe

彈性極限是指在產(chǎn)生完全彈性變形時材料所能承受的最大應力，即：

式中Fe——試樣完全彈性變形時所能承受的最大載荷，N；

So——試樣原始截面積，mm2。oeeSF=s第23頁/共86頁第23頁/共87頁

在實際工程應用中，在最大許用應力條件下是否產(chǎn)生或產(chǎn)生多大微量塑性變形是重要的，具有實際意義。第24頁/共86頁第24頁/共87頁（2）屈服強度（屈服點）第25頁/共86頁第25頁/共87頁①屈服現(xiàn)象在金屬拉伸試驗過程中，當應力超過彈性極限后，變形增加較快，此時除了彈性變形外，還產(chǎn)生部分塑性變形。當外力增加到一定數(shù)值時突然下降，隨后，在外力不增加或上下波動情況下，試樣繼續(xù)伸長變形，在力－伸長曲線出現(xiàn)一個波動的小平臺，這便是屈服現(xiàn)象。第26頁/共86頁第26頁/共87頁②屈服強度σs

屈服點是指材料開始產(chǎn)生明顯塑性變形（即屈服）時的應力，用符號σs（Mpa）表示即：

oSSSF=s式中FS——試樣發(fā)生屈服現(xiàn)象時的載荷，N；

So——試樣原始截面積，mm2。第27頁/共86頁第27頁/共87頁第28頁/共86頁第28頁/共87頁③規(guī)定殘余延伸強度對于高碳淬火鋼、鑄鐵等材料，在拉伸試驗中沒有明顯的屈服現(xiàn)象，無法確定其屈服強度。國標GB228-2002規(guī)定，一般規(guī)定以試樣達到一定殘余伸長率對應的應力作為材料的屈服強度，稱為規(guī)定殘余延伸強度，通常記作Rr。例如Rr0.2表示殘余伸長率為0.2%時的應力。第29頁/共86頁第29頁/共87頁

強度極限是材料在斷裂前所能承受的最大應力，用符號

σb表示。(3)強度極限（抗拉強度）obbSF=s式中Fb——試樣在斷裂前的最大載荷，N；

So——試樣原始截面積，mm2。第30頁/共86頁第30頁/共87頁抗拉強度σe的物理意義是塑性材料抵抗大量均勻塑性變形的能力。鑄鐵等脆性材料拉伸過程中一般不出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，抗拉強度就是材料的斷裂強度。斷裂是零件最嚴重的失效形式，所以，抗拉強度也是機械工程設計和選材的主要指標，特別是對脆性材料來講。第31頁/共86頁第31頁/共87頁第32頁/共86頁第32頁/共87頁

強度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，一般鋼材的屈服強度在200～1000MPa之間。強度越高，表明材料在工作時越可以承受較高的載荷。當載荷一定時，選用高強度的材料，可以減小構件或零件的尺寸，從而減小其自重。因此，提高材料的強度是材料科學中的重要課題，稱之為材料的強化。強度的意義第33頁/共86頁第33頁/共87頁

強度極限是材料在斷裂前所能承受的最大應力，用符號

E表示。(4)彈性模量（剛度）ε

=Ε式中——應力，Mpa；

ε——應變，即單位長度的伸長量，mm2。σσε=ΔLL第34頁/共86頁第34頁/共87頁剛度是指材料抵抗彈性變形的能力，金屬材料剛度的大小一般用彈性模量E表示。在拉伸曲線上，彈性模量就是直線（OP）部分的斜率。對于材料而言，彈性模量E越大，其剛度越大。剛度第35頁/共86頁第35頁/共87頁彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對彈性模量的影響很小?？梢酝ㄟ^增加橫截面積或改變截面形狀來提高零件的剛度。第36頁/共86頁第36頁/共87頁材料彈性模量E/105MPa彈性極限σe/MPa中碳鋼2.1310彈簧鋼2.1965硬鋁0.724125銅1.127.5鈹青銅1.2588磷青銅1.01450第37頁/共86頁第37頁/共87頁結構的剛度除取決于組成材料的彈性模量外，還同其幾何形狀、截面尺寸等因素以及外力的作用形式有關，在彈性模量E一定時，零件或構件的截面尺寸越大，其剛度越高。對于一些須嚴格限制變形的結構（如機翼、高精度的裝配件等），須通過剛度分析來控制變形。許多結構（如建筑物、船體結構等）也要通過控制剛度以防止發(fā)生振動、顫振或失穩(wěn)。第38頁/共86頁第38頁/共87頁1.2.3塑性指標第39頁/共86頁第39頁/共87頁（二）衡量指標金屬材料斷裂前發(fā)生永久變形的能力。斷面收縮率ψ：伸長率δ：試樣拉斷后，標距的伸長與原始標距的百分比。試樣拉斷后，頸縮處的橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比。返回上一頁下一頁回主頁（一）定義第40頁/共86頁第40頁/共87頁1.伸長率（δ

）l1-l0l0×100%δ=l1——試樣拉斷后的標距,mm;l0——試樣的原始標距,mm。返回上一頁下一頁回主頁

是指試樣拉斷后的伸長量與試樣原長度比值的百分數(shù)。第41頁/共86頁第41頁/共87頁同一材料的試樣長短不同，測得的斷后伸長率略有不同。由于大多數(shù)韌性金屬材料的集中塑性變形量大于均勻塑性變形量，因此，比例試樣的尺寸越短，其斷后伸長率越大，用短試樣（L0＝5d0）測得的斷后伸長率δ略大于用長試樣（L0＝10d0）測得的斷后伸長率δ11.3。第42頁/共86頁第42頁/共87頁2.斷面收縮率（ψ）S0-S1S0ψ=×100%S0——試樣原始橫截面積,mm2；S1——頸縮處的橫截面積,mm2

。返回上一頁下一頁回主頁

是指試樣拉斷處的橫截面積的收縮量與試樣原橫截面積之比的百分數(shù)。第43頁/共86頁第43頁/共87頁3.塑性的意義任何零件都要求材料具有一定的塑性。很顯然，斷后伸長率δ和斷面收縮率ψ越大，說明材料在斷裂前發(fā)生的塑性變形量越大，也就是材料的塑性越好。意義：

a）安全，防止產(chǎn)生突然破壞；

b）緩和應力集中；

c）軋制、擠壓等冷熱加工變形。第44頁/共86頁第44頁/共87頁強度與塑性是一對相互矛盾的性能指標。在金屬材料的工程應用中，要提高強度，就要犧牲一部分塑性。反之，要改善塑性，就必須犧牲一部分強度。正所謂“魚和熊掌二者不能兼得”。但通過細化金屬材料的顯微組織，可以同時提高材料的強度和塑性。第45頁/共86頁第45頁/共87頁通常情況下金屬的伸長率不超過90%，而有些金屬及其合金在某些特定的條件下，最大伸長率可高達1000%～2000%，個別的可達6000%，這種現(xiàn)象稱為超塑性。由于超塑性狀態(tài)具有異常高的塑性，極小的流動應力，極大的活性及擴散能力，在壓力加工、熱處理、焊接、鑄造、甚至切削加工等很多領域被中應用。超塑性第46頁/共86頁第46頁/共87頁1.2.4硬度第47頁/共86頁第47頁/共87頁材料抵抗表面局部塑性變形的能力。第48頁/共86頁第48頁/共87頁（一）布氏硬度（二）洛氏硬度1.原理2.應用3.優(yōu)缺點1.原理2.應用3.優(yōu)缺點返回上一頁下一頁回主頁第49頁/共86頁第49頁/共87頁（一）布氏硬度布氏硬度試驗是指用一定直徑的硬質(zhì)合金球以相應的試驗力壓入式樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后卸除試驗力，用測量的表面壓痕直徑計算硬度的一種壓痕硬度試驗。返回上一頁下一頁回主頁第50頁/共86頁第50頁/共87頁第51頁/共86頁第51頁/共87頁

布氏硬度試驗原理圖第52頁/共86頁第52頁/共87頁1.原理布氏硬度=

FS凹=2FπD[D-（D2-d2）?]（一）布氏硬度返回上一頁下一頁回主頁第53頁/共86頁第53頁/共87頁布氏硬度實際測試時，硬度值是不用計算的，利用刻度放大鏡測出壓痕直徑d，根據(jù)值d查平面布氏硬度表即可查出硬度值（詳見附表B）。目前，金屬布氏硬度試驗方法執(zhí)行時GB/T231-2002標準，用符號HBW表示，布氏硬度試驗范圍上限為650HBW。第54頁/共86頁第54頁/共87頁

測量比較軟的材料。測量范圍<650HBW的金屬材料。3.優(yōu)缺點2.應用

壓痕大，測量準確，但不能測量成品件。返回上一頁下一頁回主頁第55頁/共86頁第55頁/共87頁1.

原理（二）洛氏硬度返回上一頁下一頁回主頁加初載荷加主載荷卸除主載荷讀硬度值第56頁/共86頁第56頁/共87頁返回上一頁下一頁回主頁第57頁/共86頁第57頁/共87頁2.應用范圍20~671500N120°金剛石圓錐體HRC25~1001000N1.588mm鋼球HRB70~85600N120°金剛石圓錐體HRA返回上一頁下一頁回主頁常用洛氏硬度標度的試驗范圍第58頁/共86頁第58頁/共87頁優(yōu)點：操作簡便、迅速，效率高，可直接測量成品件及高硬度的材料。3.優(yōu)缺點缺點：壓痕小，測量不準確，需多次測量。返回上一頁下一頁回主頁第59頁/共86頁第59頁/共87頁

（三）維氏硬度(HV)

(1)測試原理和布氏硬度試驗原理基本相同。(2)表示方法

例如：640HV30/20。(3)適用范圍

用于測量金屬鍍層薄片材料和化學熱處理后的表面硬度。

維氏硬度測試原理示意第60頁/共86頁第60頁/共87頁各硬度值之間大致有以下關系：布氏硬度值在200～450HBW范圍內(nèi)，HBW=10HRC；布氏硬度值小于450HBW，

HBW≈HV第61頁/共86頁第61頁/共87頁1.沖擊載荷在很短時間內(nèi)作用物體上的載荷稱為沖擊載荷。加載時間短，加載速率高；有時利用，有時盡量避免或減小。載荷作用效果大，所以必須考慮材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力，即沖擊韌性。1.2.5沖擊韌度第62頁/共86頁第62頁/共87頁2.沖擊韌性的概念

材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力，稱為沖擊韌性。示例：玻璃在沖擊載荷作用下非常容易破裂，說明其沖擊韌性很低。第63頁/共86頁第63頁/共87頁3.沖擊試驗沖擊試樣沖擊試驗原理一次擺錘沖擊試驗沖擊韌性的表示方法第64頁/共86頁第64頁/共87頁1、試驗方法：一次擺錘沖擊彎曲實驗2、試樣：U形或V形缺口沖擊韌性試驗原理第65頁/共86頁第65頁/共87頁3、試驗原理：試樣從一定高度被擊斷后，缺口處單位橫截面面積上吸收的功——沖擊韌度lH1H2F沖擊吸收功Aku=FL（cosβ-cosα）沖擊韌度αku=Aku/S第66頁/共86頁第66頁/共87頁第67頁/共86頁第67頁/共87頁如不能制備標準試佯，可采用寬度7.5mm或5mm等小尺寸試祥,試樣的其他尺寸及公差與相應缺口的標準試樣相同，缺口應開在試樣的窄面上。其中5mm×10mm×55mm試樣常用于薄板材料的檢驗。焊接接頭沖擊試樣的形狀和尺寸與相應的標準試樣相同，但其缺口軸線應當垂直焊縫表面。第68頁/共86頁第68頁/共87頁缺口沖擊試驗最大的優(yōu)點就是測量迅速簡便用于控制材料的冶金質(zhì)量和鑄造、鍛造、焊接及熱處理等熱加工工藝的質(zhì)量。用來評定材料的冷脆傾向（測定韌脆轉(zhuǎn)變溫度）。設計時要求機件的服役溫度高于材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。4.沖擊試驗的應用第69頁/共86頁第69頁/共87頁低溫脆性——隨溫度降低，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的現(xiàn)象。冷脆：材料因溫度降低導致沖擊韌性的急劇下降并引起脆性破壞的現(xiàn)象。對壓力容器、橋梁、汽車、船舶的影響較大。

第70頁/共86頁第70頁/共87頁體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而大多數(shù)面心立方金屬沒有。第71頁/共86頁第71頁/共87頁沖擊韌性與溫度有密切的關系，溫度降低，沖擊韌性隨之降低。當?shù)陀谀骋粶囟葧r材料的韌性急劇下降，材料將由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。這一溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度（Tt

）。轉(zhuǎn)變溫度（Tt

）越低，表明材料的低溫韌性越好，對于在寒冷地區(qū)使用的材料要十分重要。第72頁/共86頁第72頁/共87頁1.2.6疲勞強度（疲勞極限）第73頁/共86頁第73頁/共87頁

人工作久了就會感到疲勞，難道金屬工作久了也會疲勞嗎？金屬的疲勞能得到恢復嗎？金屬材料在受到交變應力或重復循環(huán)應力時，往往在工作應力小于屈服強度的情況下突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。第74頁/共86頁第74頁/共87頁1998年6月3日，德國發(fā)生了戰(zhàn)后最慘重的一起鐵路交通事故。一列高速列車脫軌，造成100多人遇難。事故的原因已經(jīng)查清，是因為一節(jié)車廂的車輪“內(nèi)部疲勞斷裂”引起的。首先是一個車輪的輪箍發(fā)生斷裂，導致車輪脫軌，進而造成車廂橫擺，此時列車正好過橋，橫擺的車廂以其巨大的力量將橋墩撞斷，造成橋梁坍塌，壓住了通過的列車車廂，并使已通過橋洞的車頭及前5節(jié)車廂斷開，而后面的幾節(jié)車廂則在巨大慣性的推動下接二連三地撞在坍塌的橋體上，從而導致了這場近50年來德國最慘重的鐵路事故。第75頁/共86頁第75頁/共87頁第76頁/共86頁第76頁/共87頁疲勞斷裂零件在循環(huán)應力作用下,在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累積損傷,經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后突然產(chǎn)生斷裂的過程,稱為疲勞斷裂.

疲勞斷裂由疲勞裂紋產(chǎn)生—擴展—瞬時斷裂三個階段組成。

第77頁/共86頁第77頁/共87頁盡管疲勞失效的最終結果是部件的突然斷裂,但實際上它們是一個逐漸失效的過程，從開始出現(xiàn)裂紋到最后破斷需要經(jīng)過很長的時間。疲勞斷裂的宏觀斷口一般由三個區(qū)域組成，即疲勞裂紋產(chǎn)生區(qū)（裂紋源）、裂紋擴展區(qū)和最后斷裂區(qū)。1.疲勞斷口第78頁/共86頁第78頁/共87頁軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）第79頁/共86頁第79頁/共87頁當應力低于某值時，材料經(jīng)受無限次循環(huán)應力也不發(fā)生疲勞斷裂，此應力稱為材料的疲勞極限，記作σR（R為應力比），就是S-N曲線中的平臺位置對應的應力。通常，材料的疲勞極限是在對稱彎曲疲勞條件下（R＝－1）測定的，對稱彎曲疲勞極限