第

三

章

材

料

的

性

能目

錄C

O

N

T

E

N

T

S化學(xué)性能01力學(xué)性能熱性能0203電性能04磁性0106光學(xué)性能材料的力學(xué)性能——強(qiáng)度?

應(yīng)力stress

=

F

/

A單位面積上的法向力無(wú)量綱0?

應(yīng)變strain

=

(l

?l0

)

/

l0?

應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系

=

(

)?

泰勒展開d

d

0

=

(

)

(

0

)

+(

?0

)d

d

=

0,

=

0,

=

=K

K

000材料的力學(xué)性能——拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)是研究材料力學(xué)性能最基本最常用的試驗(yàn)方式，可測(cè)定材料的彈性、強(qiáng)度、塑性、應(yīng)變、硬化及韌性等性能指標(biāo)，統(tǒng)稱為拉伸性能拉伸試驗(yàn)機(jī)通過(guò)自動(dòng)記錄或是繪圖裝置，記錄試件所受載荷和伸長(zhǎng)量之間的關(guān)系曲線——拉伸圖材料的力學(xué)性能——強(qiáng)度應(yīng)變片萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)拉伸試驗(yàn)加載速率比較低——靜拉伸試驗(yàn)材料的力學(xué)性能——強(qiáng)度①?gòu)椥噪A段d

d

=

K

=K

0彈性變形，卸載后變形恢復(fù)②屈服階段ultimate

tensile

strengthyield

strength屈服強(qiáng)度

σs彈塑性變形階段③應(yīng)變強(qiáng)化階段塑性變形④頸縮與斷裂階段強(qiáng)度極限

σb②③④①斷裂應(yīng)力

σk工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線材料的力學(xué)性能——強(qiáng)度初始階段Oa為直線，滿足：

=

E

(Hooke's

Law)E：彈性模量、楊氏模量σp：比例極限，直線部分的最高點(diǎn)a對(duì)應(yīng)的應(yīng)力eσe：彈性極限，保證只出現(xiàn)彈性變形的最高應(yīng)力彈性階段材料的力學(xué)性能——強(qiáng)度屈服階段bc：應(yīng)力超過(guò)彈性極限增加到某一數(shù)值時(shí)，會(huì)突然下降，然后基本不變，只做微小的波動(dòng)，但是應(yīng)變卻有明顯的增大，在應(yīng)力應(yīng)變曲線上形成近似水平的鋸齒形線段，稱為屈服（位錯(cuò)啟動(dòng)）屈服極限σs：屈服階段內(nèi)，波動(dòng)應(yīng)力中比較穩(wěn)定的最低點(diǎn)，又稱為屈服強(qiáng)度屈服階段材料的力學(xué)性能——強(qiáng)度強(qiáng)化階段ce：屈服階段后，繼續(xù)增加變形就必須增加拉力，材料增強(qiáng)了抵抗變形的能力，稱為強(qiáng)化階段位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度極限σb：強(qiáng)化階段的最高點(diǎn)e所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，是材料能承受的最高應(yīng)力強(qiáng)化階段材料的力學(xué)性能——強(qiáng)度頸縮階段ef：強(qiáng)度極限后，試樣在某一局部范圍內(nèi)橫向尺寸突然縮小，形成頸縮現(xiàn)象。頸縮部分的局部變形導(dǎo)致試樣總伸長(zhǎng)迅速加大，同時(shí)由于頸縮部分橫截面面積的快速減小，試樣承受的拉力明顯減小頸縮階段材料的力學(xué)性能——強(qiáng)度材料的力學(xué)性能——強(qiáng)度卸載：d點(diǎn)開始卸載→d'點(diǎn)，與Oa大致平行，服從直線規(guī)律，稱為卸載定律d’g：消失了的彈性變形Od'：不再消失的塑性變形卸載后短期內(nèi)再次加載，應(yīng)力應(yīng)變大致隨d'd上升，繼續(xù)沿def變化，彈性極限有所提高，屈服點(diǎn)變高如果在常溫下預(yù)拉到強(qiáng)化階段然后卸載，再次加載時(shí)，可使比例極限提高，但是降低了塑性，這種現(xiàn)象稱為冷作硬化材料的力學(xué)性能——強(qiáng)度a：拉伸斷裂前不產(chǎn)生明顯的塑性變形，脆性材料b：拉伸斷裂前只發(fā)生均勻伸長(zhǎng)，塑性變形量小，低塑性材料c：拉伸斷裂前不僅產(chǎn)生均勻的伸長(zhǎng)，而且發(fā)生頸縮現(xiàn)象，且塑性變形量大，塑性材料材料的力學(xué)性能——性能指標(biāo)強(qiáng)度指標(biāo)：屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、實(shí)際斷裂強(qiáng)度塑性指標(biāo)：lf

?l0延伸率

=

100%lf：斷裂時(shí)長(zhǎng)度l0斷面收縮率

A0

?

AfAf：斷裂時(shí)橫截面積

=

100%A0材料的力學(xué)性能——性能指標(biāo)工程上常用的屈服標(biāo)準(zhǔn)：

比例極限

彈性極限

屈服強(qiáng)度：以規(guī)定發(fā)生一定的殘留變形為標(biāo)準(zhǔn)，通常以0.2%殘留變形的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度，用σ0.2表示抗拉強(qiáng)度：材料極限承載能力FFb：最大載荷

b

=bA0：初始面積Ao脆性材料——抗拉強(qiáng)度也代表斷裂抗力，塑性材料——抗拉強(qiáng)度表示產(chǎn)生最大均勻變形的抗力材料的力學(xué)性能——性能指標(biāo)實(shí)際斷裂強(qiáng)度：表征材料對(duì)斷裂的抗力，也稱為斷裂真實(shí)應(yīng)力FS

=

K與抗拉強(qiáng)度不同KAKFK：拉伸斷裂時(shí)的載荷AK：斷口處的真實(shí)截面積材料的力學(xué)性能——性能指標(biāo)強(qiáng)度指標(biāo)：屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、實(shí)際斷裂強(qiáng)度塑性指標(biāo)：lf

?l0延伸率

=

100%lf：斷裂時(shí)長(zhǎng)度l0斷面收縮率

A0

?

AfA

：斷裂時(shí)最小

=

100%fA0橫截面積延伸率小于5%的是脆性材料材料的力學(xué)性能——強(qiáng)度真應(yīng)力-應(yīng)變曲線F

F

A

=

=

(1+)真實(shí)應(yīng)力

S

=

=

0A

A

A

1?0dl

l11?l

e

=

=

ln

=

ln(1+)

=

ln(

)真實(shí)應(yīng)變l

ll00A：瞬時(shí)截面積l：標(biāo)距材料的力學(xué)性能——強(qiáng)度相等

S＞σ，e＜εS＞σ材料的力學(xué)性能——強(qiáng)度脆性斷口韌性斷口脆性材料和韌性材料材料的力學(xué)性能——壓縮h/d=1.5-3.0

萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)

壓力-變形，F(xiàn)-Δh曲線

圓柱狀、立方體、棱柱體（標(biāo)準(zhǔn)試樣限定高度與面積的比值）材料的力學(xué)性能——壓縮

彈性階段相同，曲線重合，楊氏模量、比例極限相同

屈服階段：屈服極限相

?s=

+s同

屈服階段以后，試樣越壓越扁，無(wú)頸縮現(xiàn)象，測(cè)不到強(qiáng)度極限低碳鋼一般以屈服極限作為抗壓強(qiáng)度材料的力學(xué)性能——壓縮拉伸曲線σ曲線無(wú)明顯線性關(guān)系，只能測(cè)得強(qiáng)度極限，彈性模量以總應(yīng)變0.1%時(shí)斜率來(lái)度量σ-b壓縮曲線σ+b

?b＞

+b破裂面與軸線呈45-50°，切應(yīng)力最大脆性材料材料的力學(xué)性能——性能指標(biāo)F抗壓強(qiáng)度：

=bcbcA0相對(duì)壓縮率：h

?

h

=

100%0kckh0相對(duì)斷面擴(kuò)展率：Ak

?

A

ck

=

100%0A0Fbc：壓縮斷裂時(shí)的載荷h

、h

：原始高度、斷裂時(shí)高度0kA

、A

：原始橫截面積、斷裂時(shí)截面積0k材料的力學(xué)性能——扭轉(zhuǎn)τrτ'

無(wú)正應(yīng)力

橫截面上的各點(diǎn)處，只產(chǎn)生垂直于半徑的均勻分布的剪應(yīng)力τ，沿周向大小不變，方向與該截面的扭矩方向一致

剪應(yīng)變：rl

=

l

=

r材料的力學(xué)性能——扭轉(zhuǎn)應(yīng)力分布特點(diǎn)mm彈性變形階段，橫截面上各點(diǎn)的切應(yīng)力與半徑方向垂直，大小與該點(diǎn)距中心的距離成正比，中心切應(yīng)力為零，表面處切應(yīng)力m最大。

=Wt：截面系數(shù)，m：扭矩maxWt材料的力學(xué)性能——扭轉(zhuǎn)

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)

圓柱形試件

M-φ關(guān)系曲線。M：扭矩，φ：中心角材料的力學(xué)性能——扭轉(zhuǎn)脆性材料塑性材料MMbMbM0.3MpM-φ關(guān)系曲線→τ-γ扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)可以測(cè)定：剪切模量、扭轉(zhuǎn)比例極限、扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度材料的力學(xué)性能——扭轉(zhuǎn)

塑性材料M剪切模量：

=G扭轉(zhuǎn)比例極限：MbMM0.3

p

=pMpW扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度：殘余扭轉(zhuǎn)相對(duì)切應(yīng)變（塑性變形）：M

=0.30.3W

d

=

k

0

100%Mk抗扭強(qiáng)度：

b

=2lb0W材料的力學(xué)性能——彎曲彈性變形范圍內(nèi)，梁橫截面上彎曲正應(yīng)力：MyI

=慣性矩z橫截面上的最大正應(yīng)力：MMyI

===maxWzzmaxymax抗彎截面模量I

Wzz矩形：圓形：bh2

d3Wz

=Wz

=632材料的力學(xué)性能——彎曲梁彎曲后，橫截面形心在垂直于梁軸方向的位移，稱為撓度ω：2

d

M=2dx

EI材料的力學(xué)性能——彎曲梁彎曲后，橫截面形心在垂直于梁軸方向的位移，稱為撓度ω：三點(diǎn)彎四點(diǎn)彎材料的力學(xué)性能——彎曲高塑性材料：彎曲試驗(yàn)不能使試樣斷裂，其彎曲曲線最后部分可以延伸很長(zhǎng)，難以測(cè)得塑性材料的強(qiáng)度，塑性材料的力學(xué)性能由拉伸試驗(yàn)測(cè)定脆性材料：只測(cè)定斷裂時(shí)的抗彎強(qiáng)度：M

=bbbW由彎曲曲線直線部分可獲得彎曲模量，對(duì)于矩形試樣：ml34bh3Eb

=材料的力學(xué)性能——硬度硬度是表示材料軟硬程度的力學(xué)性能指標(biāo)作用形式：某一物體抵抗另一物體產(chǎn)生變形能力的度量變形形式：抵抗彈性變形、塑性變形和破壞的能力，或材料抵抗殘余變形和破壞的額能力，所以是一個(gè)綜合性能指標(biāo)，不是材料獨(dú)立的力學(xué)性能硬度測(cè)量：將一定形狀和尺寸的壓頭以一定的壓力接觸被測(cè)材料表面，然后測(cè)量材料的變形來(lái)反應(yīng)材料的硬度。影響因素：材料本身特性、測(cè)量條件、測(cè)量方法硬度不僅取決于材料的成分和顯微組織，還取決于測(cè)量的方法和條件——硬度不是一個(gè)物理常量材料的力學(xué)性能——硬度按照載荷作用方式分類：?

靜態(tài)壓痕硬度?

動(dòng)態(tài)壓痕硬度?

劃痕硬度材料的力學(xué)性能——硬度靜態(tài)壓痕硬度：通過(guò)球體、金剛石錐體、其他錐體將載荷施加在被測(cè)材料表面，使材料產(chǎn)生壓痕，再根據(jù)施加載荷與所產(chǎn)生壓痕面積或深度之間的關(guān)系，給出硬度值如：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等靜態(tài)壓痕硬度反應(yīng)了材料抵抗塑性變形的能力。材料的力學(xué)性能——硬度動(dòng)態(tài)壓痕硬度：一個(gè)具有標(biāo)準(zhǔn)重量與尺寸的物體（鋼球）從某一高度下落到被測(cè)物體表面，并從其表面彈起，根據(jù)其回彈高度來(lái)確定被測(cè)物體的硬度值如：肖氏硬度動(dòng)態(tài)壓痕硬度反應(yīng)了材料的彈性性質(zhì)。材料的力學(xué)性能——硬度劃痕硬度：在小曲率半徑的硬質(zhì)壓頭上施加一定的法向載荷，并使壓頭沿試樣表面刻劃，通過(guò)試樣表面的劃痕來(lái)評(píng)價(jià)其硬度如：莫氏硬度、馬爾頓斯劃痕硬度劃痕硬度反應(yīng)了材料的彈性性質(zhì)、塑性性質(zhì)。材料的力學(xué)性能——硬度按照壓頭壓力的大小分類：?

宏觀硬度：10N或2N以上?

顯微硬度：10mN以上，10N或2N以下?

納米硬度：700mN以下與材料的尺寸有關(guān)材料的力學(xué)性能——硬度硬度是力學(xué)性能常用的一種方法：?

留在試件表面上的試驗(yàn)痕跡很小，不會(huì)被破壞（無(wú)損）?

試件不需要加工成特殊形狀，不同大小、厚薄及形狀的硬度都有相應(yīng)的測(cè)試方法?

硬度試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單、迅速?

硬度與其它力學(xué)性能有一定的關(guān)系，綜合性能指標(biāo)，如硬度和強(qiáng)度，一般來(lái)說(shuō)，硬度越高，強(qiáng)度越大材料的力學(xué)性能——布氏硬度用一定直徑的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓頭壓入試樣表面，并在規(guī)定載荷下保持一段時(shí)間后卸除壓力，在試樣表面留下壓痕，測(cè)量壓痕的直徑或深度計(jì)算出壓身面積，單位壓痕表面積上所承受的平均壓力定義為布氏硬度值（單位：千克力/毫米2）h)球冠面積：A

=

Dhh

D

D

D=1

(?2

?

2i2壓痕直徑F

FHB=

=A

Dh布氏硬度：材料的力學(xué)性能——硬度硬度的表示形式：150HBS(W)10/3000/30載荷作用時(shí)間（s）布氏硬度值載荷大?。╧gf）壓頭直徑布氏硬度鋼球類型：S——淬火鋼球W——硬質(zhì)合金球材料的力學(xué)性能——硬度布氏硬度測(cè)試的實(shí)際情況：?

同一材料，壓頭直徑和載荷變化時(shí)硬度值不為定值?

不同材料，壓頭直徑和載荷變化時(shí)，硬度差值也不為定值，解決方法：應(yīng)取硬度值不隨載荷變化而變化的區(qū)域，這樣載荷變化時(shí)，硬度值不變，壓頭直徑(D)和壓痕直徑(d)滿足關(guān)系式：0.25

D＜d＜0.

6D一般取中間值：d=0.375D此時(shí)，壓入角：44°材料的力學(xué)性能——布氏硬度的相似原理在保證硬度不變的區(qū)域?qū)ν环N材料，用不同直徑的壓頭并施加不同的載荷進(jìn)行布氏硬度測(cè)試，選擇：d=0.375D此時(shí)壓入角：44°得到如圖的兩個(gè)具有相同壓入角和不同直徑的壓痕，由于壓入角相同，壓痕幾ɑ：壓入角何相似——測(cè)量的硬度值為常數(shù)材料的力學(xué)性能——布氏硬度的相似原理根據(jù)布氏硬度值的定義：F2FHB

=

=

A

?D

D

D

d2?2由圖可知：

d

=

Dsin2FD22HB=

2

1?

1?sin

2

材料的力學(xué)性能——布氏硬度的相似原理若變換壓頭直徑和載荷，分別用F

、F

為載荷，壓頭直徑分別12為D

、D

，壓痕直徑d

、d

，分別獲得硬度值HB

、HB121212對(duì)于同一種材料，布氏硬度應(yīng)相等：HB1=HB2則：F

F

F=

=

=K

常數(shù)1222D

D

D212為保證不同硬度的材料能得到相同的壓入角，滿足0.25

D＜d＜0.6D國(guó)標(biāo)規(guī)定了7種不同K值布氏硬度的K值選擇表材料的力學(xué)性能——布氏硬度測(cè)試1、首先根據(jù)試樣的厚度選擇合適的壓頭和載荷試件的厚度至少應(yīng)為壓痕深度的10倍，當(dāng)厚度足夠時(shí)，盡可能選擇直徑10mm的壓頭，然后根據(jù)材料及硬度值范圍選擇合適的K值，從而計(jì)算出載荷。試驗(yàn)后，校驗(yàn)是否滿足關(guān)系式0.25D＜d＜0.6D，如果不滿足，應(yīng)重新選擇載荷試驗(yàn)。2、對(duì)試件施加載荷保證載荷與材料表面垂直，載荷均勻3、保持載荷一定時(shí)間不同材料保持時(shí)間不同，越軟的材料發(fā)生塑性變形時(shí)間越長(zhǎng)，壓入時(shí)間越長(zhǎng)材料的力學(xué)性能——布氏硬度測(cè)試布氏硬度特點(diǎn)：?

壓頭直徑大、施加載荷大、壓痕面積大能反映出較大范圍內(nèi)材料各組成相的綜合平均性能，不受個(gè)別相和微區(qū)不均勻性的影響?

分散性好、重復(fù)性好適用于具有粗大晶?；虼执蠼M成相的材料，特別是較軟的金屬材料布氏硬度缺點(diǎn)：?

壓痕尺寸大、測(cè)量壓痕誤差大、壓頭變形不能忽略材料的力學(xué)性能——布氏硬度測(cè)試不適用范圍：?

零件表面的硬度測(cè)試?

薄件或表面硬化層的硬度測(cè)試?

大批量樣品的硬度測(cè)試材料的力學(xué)性能——洛氏硬度將主載荷去除，若試件表面的壓痕完全回復(fù)，此時(shí)硬度值為k將主載荷去除，若試件表面的壓痕深度為h，此時(shí)硬度值為hhHR

=

k

?無(wú)量綱0

.

002k值為一個(gè)與壓頭類型有關(guān)的無(wú)量綱常數(shù)（金剛石壓頭k=100，淬火鋼球壓頭k=130）材料的力學(xué)性能——洛氏硬度洛氏硬度試驗(yàn)常用的壓頭：?

頂角為120度的金剛石錐體?

直徑為1.588mm的鋼球壓頭采用不同壓頭并施加不同的壓力，可以組成不同的洛氏硬度標(biāo)尺。生產(chǎn)上常用的為A、B、C三種標(biāo)尺，其中C最普遍，測(cè)得的硬度分別記為HRA、HRB、HRC材料的力學(xué)性能——布氏硬度測(cè)試初始

主載

總載標(biāo)

硬度尺

符號(hào)測(cè)量硬度范圍壓頭類型載荷荷荷應(yīng)用（kgf）（kgf）（kgf）硬質(zhì)合金、硬化薄鋼板、表面薄層硬化鋼頂角120°的金A

HRAB

HRBC

HRC10101050906020-88剛石圓錐體低碳鋼、銅合金、鐵素體可鍛鑄鐵直徑1.588mm100

22-100鋼球淬火鋼、高硬度鑄件、珠光體可鍛鑄鐵頂角120°金剛140

150

20-70石圓錐體材料的力學(xué)性能——洛氏硬度a）加預(yù)載荷，壓入表面的深度為h0b）加主載荷，測(cè)得深度為h1c）去掉主載荷，保留預(yù)載荷，壓入深入為eh殘余深度：h=e-h0HR

=

k

?0

.

002材料的力學(xué)性能——洛氏硬度標(biāo)尺的選擇?

一般選用C標(biāo)尺?

A標(biāo)尺：堅(jiān)硬或薄的材料，對(duì)于堅(jiān)硬的材料，主載荷過(guò)大會(huì)損傷壓頭，不能選用B、C標(biāo)尺，對(duì)于薄的材料，主載荷過(guò)大壓入較深破壞材料。?

B標(biāo)尺：不適用于過(guò)軟（HRB＜25）或過(guò)硬（HRB＞100）的材料，軟金屬受載荷作用變形時(shí)間長(zhǎng)，硬金屬壓入深度淺，影響測(cè)量精度材料的力學(xué)性能——洛氏硬度樣品要求：表面平坦、無(wú)裂縫或凹坑載荷以及加載時(shí)間要求：加載必須平穩(wěn)無(wú)沖擊，與表面垂直，沒有振動(dòng)，加載時(shí)間4-6s，越軟的材料加載時(shí)間越長(zhǎng)材料的力學(xué)性能——洛氏硬度優(yōu)點(diǎn)：?

硬度值可以直接讀出，簡(jiǎn)便，效率高?

產(chǎn)生的壓痕與布氏硬度相比較小，沒有明顯的損傷?

有預(yù)載荷，可以消除表面輕微的不平度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響?

采用金剛石或鋼球做壓頭，不同的主載荷可根據(jù)材料的軟硬加以選用材料的力學(xué)性能——洛氏硬度缺點(diǎn)：?

不同標(biāo)尺之間測(cè)得的數(shù)值不能相互比較?

壓痕小，對(duì)材料組織不均勻性很敏感，不同位置測(cè)出的數(shù)值可能不同，重復(fù)性差，不適用于具有粗大、不均勻組織材料的硬度測(cè)定?

所用載荷較大，不適用測(cè)量較薄的樣品材料的力學(xué)性能——洛氏硬度表示方法：45HRA：45

表示硬度值HR表示洛氏硬度A

表示標(biāo)尺材料的力學(xué)性能——維氏硬度實(shí)驗(yàn)原理：選用面角為136°的金剛石錐體作壓頭，在一定的靜載荷作用下，壓入試樣的表面，保持一定時(shí)間后卸除載荷，測(cè)量恢復(fù)后的壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度，計(jì)算出壓痕凹印面積，求出單位面積上承受的載荷大小。材料的力學(xué)性能——維氏硬度維氏硬度計(jì)算：P

2Psin

68

PHV

=

==1.854d：對(duì)角線長(zhǎng)度22Sdd壓痕維氏硬度表示：維氏硬度640HV30/20

載荷作用時(shí)間/s維氏硬度值載荷大小/kgf載荷一般為5kgf，10kgf，20kgf，30kgf，50kgf，100kgf硬度值＞500HV，不采用50kgf以