1、,項(xiàng)目一 工程材料的性能,工藝性能在制造機(jī)械零件的過程中，材料適應(yīng)各種冷、熱加工和熱處理的性能。,使用性能材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能,力學(xué)性能,物理性能,化學(xué)性能,鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、沖壓性能、切削加工性能、熱處理工藝性能,任務(wù)一 靜載時(shí)材料的力學(xué)性能,材料的力學(xué)性能,指材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能，主要有強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度等。,材料的性能,強(qiáng)度與塑性,作用在機(jī)件上的外力載荷,F = F,（MPa）,外力 內(nèi)力應(yīng)力,靜載荷,動(dòng)載荷,R= F /S,一.常用術(shù)語,1.應(yīng)力與應(yīng)變,應(yīng)力：物體內(nèi)部任一截面單位面積上的相互作用力。同截面垂直的稱為“正應(yīng)力”或“法向應(yīng)力”

2、，同截面相切的稱為“剪應(yīng)力”或“切應(yīng)力”。,F,F,拉伸前,拉伸后,應(yīng)變：物體形狀尺寸所發(fā)生的相對(duì)改變。 物體內(nèi)部某處的線段在變形后長(zhǎng)度的改變值同線段原長(zhǎng)之比值稱為“線應(yīng)變”,l/l0=R,（1）彈性變形：,材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后恢復(fù)其原來形狀，這種隨外力消失而消失的變形，稱為彈性變形。,2.兩種基本變形,（2）塑性變形:,材料在外力作用下產(chǎn)生永久的不可恢復(fù)的變形，稱為塑性變形。,拉伸試驗(yàn),F,F,L,拉伸前,拉伸后,z,m,m 極限載荷點(diǎn),F,e,e 彈性極限點(diǎn),el,eL 屈服點(diǎn),z 斷裂點(diǎn),拉伸曲線,o,材料的拉伸曲線,1、oe段：彈性變形階段，直線、彈性變形,2、eel

3、段：微量塑性變形階段，曲線、彈性變形+塑性變形,5、mZ曲線：縮頸階段，出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，即試樣局部截面明顯縮小試樣承載能力降低，拉伸力達(dá)到最大值，而后降低，但變形量增大，z點(diǎn)時(shí)試樣發(fā)生斷裂。,3、eL eL段：屈服階段，水平線（略有波動(dòng)）明顯的塑性變形屈服現(xiàn)象，作用的力基本不變，試樣連續(xù)伸長(zhǎng)。,4、eLm曲線：彈性變形+均勻塑性變形,el,Fm,FeL,1強(qiáng)度,材料在外力作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。,（1） 彈性極限（Re）,指金屬材料能保持彈性變形的最大應(yīng)力。,Re =Fe/S0 （MPa）,它表征了材料抵抗彈性變形的能力。,（2） 屈服強(qiáng)度（Rel）,指材料在外力作用下，產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)

4、的最小應(yīng)力。,Rel =FeL/S0 （MPa）,它表征了材料抵抗微量塑性變形的能力。,當(dāng)材料單位面積上所受的應(yīng)力ReReL時(shí)，材料將產(chǎn)生明顯的塑性變形。,條件屈服強(qiáng)度:,R0.2=F 0.2/S0 （MPa）,屈服強(qiáng)度 是塑性材料選材和評(píng)定的依據(jù)。,0.2%l0,對(duì)于低塑性材料或脆性材料：,Rm =Fm/S0 （MPa）,（3）抗拉強(qiáng)度（Rm ）,抗拉強(qiáng)度是材料在拉斷前承受最大載荷時(shí)的應(yīng)力。,它表征了材料在拉伸條件下所能承受的最大應(yīng)力。,抗拉強(qiáng)度 是脆性材料選材的依據(jù)。,物理意義是在于它反映了最大均勻變形的抗力,屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值ReL / Rm稱為屈強(qiáng)比。 屈強(qiáng)比小，工程構(gòu)件的可靠性

5、高，說明即使外載荷或某些意外因素使金屬變形，也不至于立即斷裂。但若屈強(qiáng)比過小，則材料強(qiáng)度的有效利用率太低。,2. 塑性,常用 A( ) 和 Z() 作為衡量塑性的指標(biāo)。,伸長(zhǎng)率,材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不引起破壞的能力。,斷面收縮率:,良好的塑性是金屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。,A=lk-l0/lo100%,Z=S0-SK/S0100%,3剛度,在彈性階段：,材料在外力作用下抵抗彈性變形的能力稱為剛度。,比例系數(shù)E 稱為彈性模量，它反映材料對(duì)彈性變形的抗力，代表材料的“剛度” 。,所以：,彈性模量的大小主要取決于材料的本性，隨溫度升高而逐漸降低。,4、硬度,定義：材料抵抗表面局部彈塑

6、性變形的能力。 1)布氏硬度HB,布氏硬度計(jì),壓頭為鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。 壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，用符號(hào)HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。,120HBS10/1000/30 表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf載荷作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為120。,布氏硬度壓痕,表示方法：硬度值+HBS(HBW)+D+F+t,布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。 缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。 應(yīng)用：適于測(cè)量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼, 鑄鐵及有色金屬的硬度。 材料的b與HB之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系： 對(duì)于低碳鋼: b(MPa)3

7、.6HB 對(duì)于高碳鋼：b(MPa)3.4HB 對(duì)于鑄鐵： b(MPa)1HB或 b(MPa) 0.6(HB-40),2) 洛氏硬度,洛氏硬度用符號(hào)HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002 根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個(gè)標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為A、B、C。,符號(hào)HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。50HRC,HRA用于測(cè)量高硬度材料, 如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。2088 HRB用于測(cè)量低硬度材料, 如有色金屬和退火、正火鋼等。20100 HRC用于測(cè)量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。2070 洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，壓痕小，適用范圍廣。 缺點(diǎn)：測(cè)量結(jié)果分散度大。,3) 維氏硬度,

8、維氏硬度用符號(hào)HV表示，符號(hào)前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時(shí)間。640HV30/30 維氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)。,1沖擊韌度（沖擊韌性）,AKU =mg（H1 H2）（J） a K = AKU/S （J/cm2）,材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力。,第二節(jié) 動(dòng)態(tài)時(shí)材料的力學(xué)性能,材料的a K值愈大，韌性就愈好；材料的a K值愈小，材料的脆性愈大 通常把a(bǔ) K值小的材料稱為脆性材料 研究表明，材料的a K值隨試驗(yàn)溫度的降低而降低。 加載速度越快，溫度越低，表面及冶金質(zhì)量越差， a K在值越低。,標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣有兩種，一種是形缺口試樣，另一種是形缺口試樣。它

9、們的沖擊韌度值分別以a KU和a KV。,TITANIC,建造中的Titanic 號(hào),TITANIC的沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān),Titanic 號(hào)鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果,2疲勞強(qiáng)度,工程上一些機(jī)件工作時(shí)受交變應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)力作用，即使工作應(yīng)力低于材料的s ，但經(jīng)過一定循環(huán)周次后仍會(huì)發(fā)生斷裂，這樣的斷裂現(xiàn)象稱之為疲勞。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，約80%的機(jī)件失效為疲勞破壞。 當(dāng)零件所受的應(yīng)力低于某一值時(shí)，即使循環(huán)周次無窮多也不發(fā)生斷裂，稱此應(yīng)力值為疲勞強(qiáng)度或疲勞極限,N0,N,鋼：,有色金屬：,N0 循環(huán)基數(shù),影響疲勞強(qiáng)度的因素:內(nèi)部缺陷、表面劃痕、殘留應(yīng)力等,有的大型轉(zhuǎn)動(dòng)零件、高壓

10、容器、橋梁等，常在其工件應(yīng)力遠(yuǎn)低于S的情況下突然發(fā)生斷裂低應(yīng)力脆性斷裂。,1943年美國(guó)T-2油輪發(fā)生斷裂,北極星導(dǎo)彈,第三節(jié) 斷裂韌度（斷裂韌性）,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因與機(jī)件內(nèi)部存在著微裂紋和其它缺陷以及它們的擴(kuò)展。,材料中存在裂紋時(shí)，在裂紋尖端就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而形成裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)。,應(yīng)力強(qiáng)度因子：描述裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的指標(biāo)。,Y為與裂紋形狀、加載方式和試樣幾何尺寸有關(guān)的無量綱系數(shù),C為斷裂應(yīng)力，aC為臨界裂紋半長(zhǎng) K KIC，材料必發(fā)生裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展而脆斷。 K KIC，材料中裂紋不擴(kuò)展或擴(kuò)展緩慢。 KIC可通過試驗(yàn)來測(cè)定，它與材料成分、熱處理及加工工藝等有關(guān),隨應(yīng)力的增大，KI不斷增大，當(dāng)KI增大到某一定值時(shí)，這可使裂紋前沿的內(nèi)應(yīng)力大到足以使材料分離，從而導(dǎo)致裂紋突然擴(kuò)展，材料快速發(fā)生斷裂。 這個(gè)應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值，稱為材料的斷裂韌度，用KIC表示。 斷裂韌性：材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。,力學(xué)性能,三、力學(xué)性能與失效形式的關(guān)系,失效形式,斷裂 塑性變形 過量彈變 磨損,材料性能總