1、,第一章,工程材料的性能,性 能,工藝性能：鑄造性能、可鍛性、可焊性、切削加工性和熱處理工藝性等,使用性能,力學(xué)性能：強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、疲勞強(qiáng)度等,化學(xué)性能：抗氧化性和耐腐蝕性,物理性能：密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性和 磁性等,零件失效的形式,起落架橫梁斷裂,磨損,疲勞斷裂,1.1 強(qiáng)度與塑性strength and plasticity,1.1.1 抗拉強(qiáng)度及剛度,力學(xué)性能,力學(xué)性能,在載荷作用下材料抵抗塑性變形和斷裂的能力。,測定方法： 拉伸試驗(yàn),力學(xué)性能,一、 強(qiáng)度 Strength,注：（依載荷不一樣仍有區(qū)分，但一般多指抗拉強(qiáng)度，簡稱強(qiáng)度。） 強(qiáng)度單位: MPa ( MN

2、/m2 ),力學(xué)性能,拉伸試驗(yàn)設(shè)備及標(biāo)準(zhǔn)試樣,低碳鋼拉伸時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變 The Stress-strain behavior of low carbon steel,specimen,低碳鋼拉伸時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變The Stress-strain behavior of low carbon steel,OA段: 彈性變形 elastic deformation,ABC段: 屈服 yield,CDE段: 塑性變形 plastic deformation,E: 斷裂 fracture,拉伸三個(gè)階段,彈性變形階段 0-p-e 彈塑性變形階段 (屈服-強(qiáng)化-頸縮） e-s s-s s-b b-k 斷裂

3、k,o,Fs,拉力,b,k,s,s,p,e,伸長量mm,D l,Fb,拉伸曲線,力學(xué)性能,拉伸三個(gè)階段,彈性變形階段 0-p-e 彈塑性變形階段 (屈服-強(qiáng)化-頸縮） e-s s-s s-b b-k 斷裂 k,力學(xué)性能,o,s,MPa,b,k,s,s,p,e,e =D L/Lo,b,應(yīng)力：試樣單位面積上所承受的力 應(yīng)變：試樣單位長度上的伸長量,力學(xué)性能,強(qiáng)度的指標(biāo),材料所能承受的極限應(yīng)力 = F / A,強(qiáng)度 Strength, 屈服強(qiáng)度yield strength, 抗拉強(qiáng)度tensile strength,Stress-strain curve of annealed low carbon

4、 steel,1. 屈服強(qiáng)度 Yield Strength （p 表示比例極限； e 表示彈性極限）,o,s,MPa,b,k,s,s,p,e,e =D l/Lo,b,屈服強(qiáng)度( s ) 指材料產(chǎn)生屈服時(shí)的最小應(yīng)力。,力學(xué)性能,2. 抗拉強(qiáng)度 (b ) Tensile Strength 指材料拉伸所能承受的最大應(yīng)力。,p 比例極限 e 彈性極限 s 屈服極限 b 強(qiáng)度極限,o,s,MPa,b,力學(xué)性能,應(yīng)用與判斷：,W s 不發(fā)生塑變 W b 不發(fā)生斷裂,力學(xué)性能,思考：,有了強(qiáng)度指標(biāo)，是否我們就可以成功的完成飛機(jī)的設(shè)計(jì)任務(wù)了呢？ 例如：設(shè)計(jì)飛機(jī)機(jī)翼時(shí) W s 只彈變不塑變，是否就可以了呢？,力

5、學(xué)性能,3. 剛度與彈性模量,剛度rigidity是指零件或構(gòu)件抵抗彈性變形的能力。,（取決于材質(zhì)與結(jié)構(gòu)形狀；材質(zhì)方面取決于它的彈性模量）,力學(xué)性能,彈性模量 modulus of elasticity,是指在比例極限(p )范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變之比。 E=s/e,力學(xué)性能,1.1.2 塑性 plasticity 在外力作用下材料產(chǎn)生永久變形而不被破壞的能力。,斷面收縮率()。即： A0-A1 y = 100 A0, 伸長率() L1-L0 = 100 L0,力學(xué)性能,截面收縮率 Contraction ratio of area at fracture face,塑性 Plasticity,延

6、伸率 Tensile elongation,0,0,100%,L L,L,d,-,=,注：試樣分長短兩種，同一材料的 5 10 。與試樣的尺寸無關(guān)，、值越大，表示金屬的塑性越好。,力學(xué)性能,(、不直接用于工程設(shè)計(jì)),良好的塑性可以順利地完成某些成型工藝，如翼肋、火焰筒的冷沖壓及渦輪盤、渦輪軸的鍛造等。 良好的塑性還可以在一定程度上保證零件的工作安全，在零件使用時(shí)萬一超載，塑性變形引起的強(qiáng)化作用使零件不致于突然斷裂。 過高地追求塑性，會降低材料的強(qiáng)度,應(yīng)用,1.2 硬度 Hardness,材料抵抗表面劃傷、磨損或局部塑性變形及破壞的能力。,常用硬度測定方法: 硬物壓入法 布氏硬度: Brinel

7、l Hardness (HB) 洛氏硬度:Rockwell Hardness (HR),力學(xué)性能,1.2.1 布氏硬度(HB),硬物：球形壓頭(D = 10、5、2.5、2、1mm) 載荷：P ( kgf ),P,D,h,d,HBS:普通淬火鋼球 硬度值在450以下 HBW:硬質(zhì)合金球 硬度值在450650 HBS(HBW)= ,P,F,力學(xué)性能,布氏硬度 HB ( Brinell-hardness ),布氏硬度,F載荷 （Force） A面積 （Area ),特點(diǎn)： 壓坑面積大，受材料不均勻度影響小，故測量誤差小，硬度值準(zhǔn)確、真實(shí)。,布氏硬度(HB),1.2.2 洛氏硬度(HR),硬物： 頂

8、角 120金鋼石圓錐或直徑為1.588mm淬火鋼球,力學(xué)性能,洛氏硬度 HR ( Rockwell hardness ),HR (Hardness Rockwell),載荷： 初載荷10kg并壓入深度h1 主載荷(50kg或90kg 或140kg)使壓入深度達(dá)h2 ； 卸除主載荷、保留初載荷， 壓入深度減小為h3 。 洛氏硬度的計(jì)算深度值 h= h3 -h1。 HR = ,硬物：頂角120金鋼石圓錐(或1.588mm淬火鋼球),K-h,0.002,洛氏硬度(HR),特點(diǎn)：測量簡便迅速，直接讀數(shù)，表面壓痕小誤差稍大，需多點(diǎn)測量取平均值。,洛氏硬度(HR),幾種常用洛氏硬度標(biāo)度,1.2.3 維氏硬

9、度(HV),壓頭：頂角為136的金剛石正四棱錐體 HV = 載荷P：分為六級 (5,10,20,30,50,100Kg)。,P,F,特點(diǎn)：測量精度高，測量范圍寬，應(yīng)用廣。不同載荷下維氏硬度可以相互比較。,力學(xué)性能,維氏硬度 HV ( Vickers Hardness ),硬度的應(yīng)用: P.6,對于工具、模具和有耐磨性要求的零件的使用性能指標(biāo)，(例如：高速鋼車刀、銑刀、鉆頭等） 零件強(qiáng)度的估算，如對于低碳鋼，也可采用硬度與強(qiáng)度換算表(見手冊)。,力學(xué)性能,舊聞報(bào)道（I）,北京日報(bào)消息：2001年 9月，中國民航一架客機(jī)起飛后感覺情況異常，隨后在密云上空指定區(qū)域?qū)⑺泻娇彰河?放掉，然后降落。,W

10、hy?,力學(xué)性能,舊聞報(bào)道(II),北京電臺消息：2002年 8月北京飛往莫斯科的俄羅斯航空公司的一架伊爾86客機(jī)，在飛抵中蒙邊境后，由于意外原因不得不返回北京，返回后，又由于重量原因，在北京首都機(jī)場上空盤旋了1小時(shí) 20分鐘后，才重新降落北京首都機(jī)場。,力學(xué)性能,力學(xué)性能,1.3 沖擊韌性 Impact Toughness （力與速度，能量參數(shù)）,大能量一次沖擊試驗(yàn),力學(xué)性能,沖擊試驗(yàn)機(jī),沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖 impact test,Ak=G(H-h) ak = (J/cm2),沖擊,h,試樣,擺錘,H,備注：P.6 金屬材料的ak 不能直接用于零件的設(shè)計(jì)計(jì)算,沖擊吸收功（AK）：沖斷試

11、樣所消耗的功(J)沖擊韌性（aK）：沖斷試樣橫截面單位面積上所消耗的功(J/cm2),Ak,S,力學(xué)性能,沖擊韌性ak,Ak - Impact work ( J ) S - Area of fracture face（cm 2） Ak ak = (J/cm2) S,19世紀(jì)瓦特發(fā)明了蒸汽機(jī)，隨后火車得到應(yīng)用，再隨后一段時(shí)間，火車輪軸成批斷裂 考查結(jié)果： W s,歷史事件,？,力學(xué)性能,1.4 疲勞斷裂和疲勞強(qiáng)度,機(jī)械零件在交變載荷作用下，其工作應(yīng)力遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度，甚至小于屈服強(qiáng)度時(shí)，在長時(shí)間工作后發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象稱為: 疲勞斷裂,力學(xué)性能,機(jī)理： 缺陷處首先產(chǎn)生疲勞裂紋，并隨應(yīng)力循環(huán)不斷擴(kuò)展

12、，直至突然斷裂。,疲勞斷口圖,力學(xué)性能,疲勞實(shí)驗(yàn),試樣,負(fù)荷,計(jì)數(shù)器,電機(jī),軸承支座,力學(xué)性能,疲勞曲線是維勒Wohler在1860年為解決火車車軸斷裂失效時(shí)首先提出的，所以也稱維勒曲線,一般鋼鐵的循環(huán)基數(shù)N取107 次，有色金屬的循環(huán)基數(shù)N取108 次。材料承受對稱循環(huán)交變應(yīng)力時(shí)的疲勞強(qiáng)度用-1 表示。鋼材的-1 只有b 的50左右。,力學(xué)性能,疲勞強(qiáng)度 fatigue strength 是指材料經(jīng)無限多次應(yīng)力循環(huán)仍不斷裂時(shí)的最大應(yīng)力。它表征了材料抵抗疲勞斷裂的能力。,采取改進(jìn)設(shè)計(jì)(避免尖角連接、降低表面粗糙度值等) 采取表面強(qiáng)化工藝(表面淬火、化學(xué)熱處理、噴丸、滾壓等) 加強(qiáng)原材料和零件成

13、品的內(nèi)部缺陷檢查也可減少或避免疲勞斷裂。,預(yù)防措施：,1.5 高溫力學(xué)性能 Thermal Properties,當(dāng)約比溫度T/Tm大于0.5時(shí)為高溫，反之為低溫。,蠕變 就是金屬材料長時(shí)間的在一定溫度、一定應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力小于0.2 或 s ,也會緩慢地發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象。,典型的蠕變曲線分為三個(gè)階段。 蠕變減速階段。 穩(wěn)態(tài)蠕變階段。 蠕變加速階段， 直至斷裂。,a,a,b,c,d,o,變形,第二階段,第三階段,第一 階段,時(shí)間,溫度壓力恒定,力學(xué)性能,1.5.1 蠕變強(qiáng)度,蠕變強(qiáng)度 是指材料在高溫長時(shí)載荷作用下抵抗塑性變形的能力。 (1)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到規(guī)定變形量的蠕變強(qiáng)度， 記為/

14、t 單位（MPa） 例如 0.2/1000 = 60MPa (2)穩(wěn)態(tài)蠕變速度達(dá)到規(guī)定值時(shí)的蠕變強(qiáng)度，記為 T / v 單位（MPa） 例如 110 -5 = 60MPa,800,T,600,力學(xué)性能,1.5.2 持久強(qiáng)度,持久強(qiáng)度是指材料在高溫長時(shí)載荷作用下抵抗斷裂的能力。記為T / t 例如 1000 = 30MPa,700,力學(xué)性能,1.6 材料的物理及化學(xué)性能 P.9,1.6.1金屬的物理Physical、 化學(xué)性能Chemical Properties,物理性能,輕金屬： 密度小于5103kgm3的金屬，如鋁、鎂、鈦及它們的合金。 (多用于航天航空器上)重金屬：密度大于5103kgm

15、3的金屬，如鐵、鉛、鎢等。,1. 金屬的物理性能,（1）密度單位體積物質(zhì)的質(zhì)量稱為該物質(zhì)的密度：=m/V,物理性能,(2)熔點(diǎn)金屬從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度稱為熔點(diǎn)，純金屬都有固定的熔點(diǎn)。難熔金屬，如鎢、鉬、釩等，可以用來制造耐高溫零件，如在火箭、導(dǎo)彈、燃?xì)廨啓C(jī)和噴氣飛機(jī)等方面得到廣泛應(yīng)用。易熔金屬，如錫、鉛等，可用于制造保險(xiǎn)絲和防火安全閥零件等。,物理性能,(3)導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性通常用熱導(dǎo)率來衡量。熱導(dǎo)率的符號是，單位是WmK。熱導(dǎo)率越大，導(dǎo)熱性越好。金屬的導(dǎo)熱性以銀為最好，銅、鋁次之。合金的導(dǎo)熱性比純金屬差。在制造散熱器、熱交換器與活塞等零件時(shí)，要選用導(dǎo)熱性好的金屬材料。,物理性能,(4)導(dǎo)電性

16、傳導(dǎo)電流的能力稱導(dǎo)電性，用電阻率來衡量，電阻率的單位是m。電阻率越小，金屬材料導(dǎo)電性越好，金屬導(dǎo)電性以銀為最好，銅、鋁次之。合金的導(dǎo)電性比純金屬差。電阻率小的金屬(純銅、純鋁)適于制造導(dǎo)電零件和電線。電阻率大的金屬或合金(如鎢、鉬、鐵、鉻)適于做電熱元件。,物理性能,(5)熱膨脹性熱膨脹性用線膨脹系數(shù)aL和體脹系數(shù) av來表示。由膨脹系數(shù)大的材料制造的零件，在溫度變化時(shí)，尺寸和形狀變化較大。軸和軸瓦之間要根據(jù)其膨脹系數(shù)來控制其間隙尺寸；在熱加工和熱處理時(shí)也要考慮材料的熱膨脹影響，以減少工件的變形和開裂。,物理性能,(6)磁性鐵磁性材料：在外磁場中能強(qiáng)烈地被磁化，如鐵、鈷等；順磁性材料：在外磁場

17、中只能微弱地被磁化，如錳、鉻等；抗磁性材料：能抗拒或削弱外磁場對材料本身的磁化作用如銅、鋅等。鐵磁性材料可用于制造變壓器、電動機(jī)、測量儀表等。抗磁性材料則用于要求避免電磁場干擾的零件和結(jié)構(gòu)材料，如航海羅盤。鐵磁性材料當(dāng)溫度升高到一定數(shù)值時(shí)，磁疇被破壞，變?yōu)轫槾朋w，這個(gè)轉(zhuǎn)變溫度稱為居里點(diǎn)，如鐵的居里點(diǎn)是770。,物理性能,2.金屬的抗蝕性,在周圍介質(zhì)的作用下， 使金屬逐漸受到破壞的現(xiàn)象。,化學(xué)性能,腐蝕,化學(xué)反應(yīng),-腐蝕的原因 化學(xué)腐蝕 電化學(xué)腐蝕,化學(xué)性能,材料抵抗環(huán)境介質(zhì)腐蝕的能力叫做 材料的抗蝕性。,金屬的抗蝕性,化學(xué)性能,1）化學(xué)腐蝕 金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生純化學(xué)作用產(chǎn)生的腐蝕,金屬在干燥氣

18、體中的腐蝕。如高溫燃?xì)鈱u輪噴氣式發(fā)動機(jī)零部件的腐蝕。 金屬在非電解液中的腐蝕。 如飛機(jī)管路系統(tǒng)受汽油、滑油的腐蝕。,特點(diǎn)：腐蝕過程中不產(chǎn)生電流。腐蝕速度慢、危害小。,化學(xué)性能,條件：必須有兩相或兩種電極電位不同的金屬有電解液三者相互接觸,i,2）電化學(xué)腐蝕指金屬和周圍介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)作用而產(chǎn)生的腐蝕。,特點(diǎn)：伴有電流產(chǎn)生，腐蝕速度快，危害大,化學(xué)性能,1.6.2 高分子材料的物理、 化學(xué)性能 Properties of Polymers,非金屬物理化學(xué)性能,1.絕緣性高聚物分子的化學(xué)鍵為共價(jià)鍵，不能電離，沒有自由電子和可移動的離子，因此是良好的絕緣體，絕緣性能與陶瓷相當(dāng)。另外，由于高聚物的分子

19、細(xì)長、卷曲，在受到熱和聲的影響之后振動困難，所以對熱、聲也有良好的絕緣性能。例如，塑料的導(dǎo)熱性就只有金屬的百分之一以下。,非金屬物理化學(xué)性能,2.耐熱性高聚物的耐熱性是指它對溫度升高時(shí)性能明顯降低的抵抗能力。塑料的耐熱性常采用馬丁耐熱溫度表達(dá)。將標(biāo)準(zhǔn)試樣(120mm15mm10mm)置于馬丁耐熱儀中，施加一定的靜彎應(yīng)力(5MPa)，緩慢加熱，使試樣末端彎曲到指定大小(6mm)時(shí)的溫度，即為該塑料的馬丁耐熱溫度()。,非金屬物理化學(xué)性能,熱固性塑料的耐熱性比熱塑性塑料高。常用熱塑性塑料如聚乙烯、聚氯乙烯、尼龍等，長期使用溫度一般在100以下；熱固性塑料如酚醛塑料的長期使用溫度為130150；耐高

20、溫塑料如有機(jī)硅塑料等，可在200300使用。 同金屬比較，高聚物的耐熱性是較低的，這是高聚物的一大不足。,非金屬物理化學(xué)性能,3.耐蝕性高聚物的化學(xué)穩(wěn)定性很高。它們耐水和無機(jī)試劑、耐酸和堿的腐蝕。尤其是被譽(yù)為塑料王的聚四氟乙烯，不僅耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等強(qiáng)腐蝕劑，甚至在沸騰的王水中也很穩(wěn)定。耐蝕性好是塑料的優(yōu)點(diǎn)之一。,非金屬物理化學(xué)性能,4.老化老化是指高聚物在長期使用和存放過程中，由于受各種因素的作用，性能隨時(shí)間不斷惡化，逐漸喪失使用價(jià)值的過程。,非金屬物理化學(xué)性能,1.6.3陶瓷(ceramics)的物理和化學(xué)性能1.熱膨脹性能熱膨脹是溫度升高時(shí)物質(zhì)原子振動振幅增大，原子間距增大所導(dǎo)致的體積長大現(xiàn)象。熱膨脹系數(shù)的大小與晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)合鍵強(qiáng)度密切相關(guān)。鍵強(qiáng)度高的材料熱膨脹系數(shù)低；結(jié)構(gòu)較緊密的材料的熱膨脹系數(shù)較大，所以陶瓷的線膨脹系數(shù)比高聚物低，比金屬更低。,非金屬物理化學(xué)性能,2.導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性為在一定溫度梯度作用下熱量在固體中的傳導(dǎo)速率。陶瓷的熱傳導(dǎo)主要依靠原子的熱振動，由于沒有自由電子的傳熱作用，陶瓷的導(dǎo)熱性比金屬小。受其組成和結(jié)構(gòu)的影響，一般導(dǎo)熱系數(shù)A250W(mK)。陶瓷中的氣孔對傳熱不利。所以，