1、第二章 工程材料的性能及應(yīng)用基礎(chǔ)p 工程材料的力學(xué)性能工程材料的力學(xué)性能p 材料的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶過(guò)程p 工程材料的分類、編號(hào)及用途學(xué)習(xí)要求與本章難點(diǎn)學(xué)習(xí)要求與本章難點(diǎn)要求：要求：o掌握材料的常見(jiàn)力學(xué)性能指標(biāo)與表示方法，學(xué)會(huì)材料的選擇。o了解材料的基本晶體結(jié)構(gòu)、合金的組織結(jié)構(gòu)。o了解不同類工程材料的特點(diǎn)與差異。o學(xué)會(huì)二元相圖的建立、分析與使用。難點(diǎn)：難點(diǎn)：n 二元相圖的建立、分析與使用。第一節(jié)第一節(jié) 工程材料的力學(xué)性能工程材料的力學(xué)性能 本節(jié)重點(diǎn)：本節(jié)重點(diǎn)：金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能, ,包括材料的強(qiáng)包括材料的強(qiáng) 度度 、硬度、塑

2、性、沖擊韌性、疲勞、硬度、塑性、沖擊韌性、疲勞 強(qiáng)度等。強(qiáng)度等。本節(jié)難點(diǎn)：本節(jié)難點(diǎn)：各性能指標(biāo)的物理意義和測(cè)定方法各性能指標(biāo)的物理意義和測(cè)定方法力學(xué)性能力學(xué)性能工程材料性能使用性能工藝性能強(qiáng)度、硬度、剛度塑性、韌性、彈性物理性能（密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、磁性等）熱處理性能化學(xué)性能（抗氧化性、耐腐蝕性、化學(xué)穩(wěn)定性等）塑性加工性能焊接性能切削加工性鑄造性能一、強(qiáng)度一、強(qiáng)度（strength）o材料抵抗由外力載荷所引起的變形或斷裂的能力稱為強(qiáng)度。常用的強(qiáng)度性能指標(biāo)主要是抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度強(qiáng)度的測(cè)定強(qiáng)度的測(cè)定測(cè)定方法：測(cè)定方法：拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)OE彈性變形階段；ES屈服階段；SB強(qiáng)化階段

3、；BK縮頸階段低碳鋼拉伸曲線低碳鋼拉伸曲線 將材料制成標(biāo)準(zhǔn)試樣。在材料試驗(yàn)機(jī)上對(duì)試件軸向施加靜拉力F；在坐標(biāo)上繪制拉力F（或應(yīng)力）和變形L（或應(yīng)變）的關(guān)系曲線，得到拉伸曲線圖（或應(yīng)力應(yīng)變圖）。 1）金屬材料的抗拉強(qiáng)度）金屬材料的抗拉強(qiáng)度bo當(dāng)載荷達(dá)到Fb時(shí)，試樣的局部截面縮小，產(chǎn)生所謂的“縮頸”現(xiàn)象。由于試樣局部截面逐漸縮小，故載荷也逐漸減小，當(dāng)達(dá)到拉伸曲線上k點(diǎn)時(shí)，試樣發(fā)生斷裂 。o材料在斷裂前所承受的最大應(yīng)力值稱為抗拉強(qiáng)度或強(qiáng)度極限，用b表示，單位MPa。圖中B點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值即為b。SB強(qiáng)化階段；BK縮頸階段屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度so當(dāng)載荷達(dá)到Fs時(shí)，曲線出現(xiàn)橫向震蕩或水平線段，這表示拉力不再

4、增加，但變形仍在進(jìn)行，此時(shí)若卸載，試樣的變形不能全部消失，產(chǎn)生微量的塑性變形。 S點(diǎn)稱屈服點(diǎn)。o屈服點(diǎn)的應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度，記為s，單位MPa。ES屈服階段 對(duì)鑄鐵、高碳鋼等脆性材對(duì)鑄鐵、高碳鋼等脆性材料料，拉伸曲線無(wú)明顯屈服現(xiàn)，拉伸曲線無(wú)明顯屈服現(xiàn)象，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用試樣標(biāo)象，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用試樣標(biāo)距長(zhǎng)度產(chǎn)生距長(zhǎng)度產(chǎn)生0.2%塑性變形塑性變形（或殘余應(yīng)變）時(shí)的應(yīng)力值（或殘余應(yīng)變）時(shí)的應(yīng)力值作為該材料的屈服強(qiáng)度，以作為該材料的屈服強(qiáng)度，以0.2表示。表示。 s 、 0.2 、b ：選材主要依據(jù)。鑄鐵拉伸曲線鑄鐵拉伸曲線o根據(jù)高分子所表現(xiàn)的力學(xué)性質(zhì)和分根據(jù)高分子所表現(xiàn)的力學(xué)性質(zhì)和分子熱運(yùn)動(dòng)特征，可以將

5、其劃分為子熱運(yùn)動(dòng)特征，可以將其劃分為玻玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)，通常稱這，通常稱這些狀態(tài)為聚集態(tài)些狀態(tài)為聚集態(tài)。o聚集態(tài)的轉(zhuǎn)變主要與溫度有關(guān)聚集態(tài)的轉(zhuǎn)變主要與溫度有關(guān)。oT Tz z( (脆韌轉(zhuǎn)變溫度）脆韌轉(zhuǎn)變溫度） T Tg g（玻璃化轉(zhuǎn)變（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）溫度） Tg)(T=Tg)bybdyabcedE聚合物拉伸時(shí)典型的應(yīng)力聚合物拉伸時(shí)典型的應(yīng)力- -應(yīng)變圖應(yīng)變圖y ：屈服應(yīng)力：屈服應(yīng)力b ：抗拉強(qiáng)度：抗拉強(qiáng)度Tg 玻璃態(tài)臨界溫度Tf 粘流態(tài)臨界溫度TgTTf ：高彈態(tài)：玻璃態(tài)gTT ：粘流態(tài)fTT oa段：普彈形變ab段：高彈形變，（b：屈服點(diǎn)）bc段：縮頸形變cd段：

6、應(yīng)變軟化de段：應(yīng)力硬化二、二、 彈性和剛度彈性和剛度彈性和彈性變形？彈性和彈性變形？材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形。當(dāng)外力去掉后變形隨形。當(dāng)外力去掉后變形隨之消失，材料恢復(fù)其原來(lái)之消失，材料恢復(fù)其原來(lái)形狀的性能稱為形狀的性能稱為彈性彈性。隨外力消除而消失的變形，隨外力消除而消失的變形，稱為稱為彈性變形彈性變形 。OE彈性變形階段剛度？剛度？o材料抵抗彈性變形的能力，稱為材料抵抗彈性變形的能力，稱為剛度剛度。o材料在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，其比值材料在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，其比值E=/稱為稱為彈性模量彈性模量。 （碳鋼E 200GPa,銅E108GPa,聚四氟乙烯

7、E1.4GPa）o彈性模量彈性模量E的大小，標(biāo)志著材料抵抗彈性變形的能力，的大小，標(biāo)志著材料抵抗彈性變形的能力，即材料即材料剛度剛度的大小。的大小。oE值的大小主要取決于材料的本性，一些處理方法（如值的大小主要取決于材料的本性，一些處理方法（如熱處理、冷熱加工、合金化等）對(duì)它影響很小。熱處理、冷熱加工、合金化等）對(duì)它影響很小。o需要注意的是，材料的剛度不等于機(jī)件的剛度，需要注意的是，材料的剛度不等于機(jī)件的剛度，機(jī)件的剛度除與材料的剛度有關(guān)外，還與機(jī)件的機(jī)件的剛度除與材料的剛度有關(guān)外，還與機(jī)件的結(jié)構(gòu)有關(guān)。結(jié)構(gòu)有關(guān)。o提高零件剛度的方法有：提高零件剛度的方法有：增加橫截面面積改變截面形狀選用彈性模

8、量較大的材料三、三、 塑性塑性o材料在外力作用下，產(chǎn)生永久殘余變形而不斷裂的能力，稱為塑性。o工程上常用延伸率和斷面收縮率作為材料的塑性指標(biāo) 。1) 延伸率延伸率o試樣在拉斷后的相對(duì)伸長(zhǎng)量稱為延伸率，用符試樣在拉斷后的相對(duì)伸長(zhǎng)量稱為延伸率，用符號(hào)號(hào)表示，即表示，即o式中：式中：L L0 0試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度；試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度； L L1 1試樣拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度。試樣拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度。%100001LLL2) 斷面收縮率斷面收縮率o試樣被拉斷后橫截面積的相對(duì)收縮量稱為斷面試樣被拉斷后橫截面積的相對(duì)收縮量稱為斷面收縮率，用符號(hào)收縮率，用符號(hào)表示，即表示，即o式中：式中： A A0 0試樣原始的橫截面

9、積；試樣原始的橫截面積； A A1 1試樣拉斷處的橫截面積試樣拉斷處的橫截面積 %100010AAAo材料的和值越大，塑性越好。o用表示塑性更接近材料的真實(shí)應(yīng)變。 四、四、 硬度硬度o硬度是固體材料抵抗局部塑性變形、壓入或壓痕的硬度是固體材料抵抗局部塑性變形、壓入或壓痕的能力。能力。o一般情況下，材料的強(qiáng)度越高，硬度也越高。一般情況下，材料的強(qiáng)度越高，硬度也越高。)(2102.022dDDDPHB布氏硬度計(jì)布氏硬度計(jì)球冠面積，不好算，可直接查表（由d直接查HB值）式中：P試驗(yàn)力(N) D壓頭的直徑(mm) 鋼球直徑為鋼球直徑為10mm10mm，作，作用載荷用載荷1000kgf1000kgf，保

10、持，保持30s30s，測(cè)得的布氏硬度值。，測(cè)得的布氏硬度值。布氏硬度壓痕布氏硬度壓痕洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度測(cè)試示意圖h1-h0洛氏硬度計(jì)洛氏硬度計(jì) 為能測(cè)試從軟到硬各種材料的硬度標(biāo)尺壓頭總載荷（N）適用測(cè)試材料有效值HRA120金剛石圓錐體600硬質(zhì)合金、表面淬火鋼7085HRB1.588mm淬火鋼球1000退火鋼25100HRC120金剛石圓錐體1500一般淬火鋼件2067lHRAHRA用于測(cè)量高硬度材料用于測(cè)量高硬度材料, , 如硬質(zhì)合金、表面淬火層和滲碳層。如硬質(zhì)合金、表面淬火層和滲碳層。lHRBHRB用于測(cè)量低硬度材料用于測(cè)量低硬度材料, , 如有色金屬和退火、正火鋼等。如有色金屬

11、和退火、正火鋼等。lHRCHRC用于測(cè)量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。用于測(cè)量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。維氏硬度計(jì)維氏硬度計(jì)維氏硬度試驗(yàn)維氏硬度試驗(yàn)原理原理維氏硬度維氏硬度壓痕壓痕 維氏硬度的測(cè)量原理維氏硬度的測(cè)量原理與布氏硬度相同，不同點(diǎn)與布氏硬度相同，不同點(diǎn)是壓頭為一相對(duì)面夾角為是壓頭為一相對(duì)面夾角為136136金剛石正四方棱錐體，金剛石正四方棱錐體，所加負(fù)荷為所加負(fù)荷為5-120kgf5-120kgf（49.03-1176.80N49.03-1176.80N）。）。小負(fù)荷維氏硬度計(jì)小負(fù)荷維氏硬度計(jì)顯微維氏硬度計(jì)顯微維氏硬度計(jì)136四棱錐形，載荷小，壓痕淺o右圖為維氏硬度測(cè)試示

12、意圖。右圖為維氏硬度測(cè)試示意圖。 在用規(guī)定的壓力在用規(guī)定的壓力P P將金剛石壓頭壓入被測(cè)試件表將金剛石壓頭壓入被測(cè)試件表面并保持一定時(shí)間后卸去載荷，測(cè)量壓痕投影面并保持一定時(shí)間后卸去載荷，測(cè)量壓痕投影的兩對(duì)角線的平均長(zhǎng)度的兩對(duì)角線的平均長(zhǎng)度d d，據(jù)此計(jì)算出壓痕的表，據(jù)此計(jì)算出壓痕的表面積面積S S，最后求出壓痕表面積上平均壓力，最后求出壓痕表面積上平均壓力（P P/ /S S），以此作為被測(cè)材料的維氏硬度值。），以此作為被測(cè)材料的維氏硬度值。228544. 168sin2dPdPSPHVo計(jì)算公式如下：計(jì)算公式如下：o優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：所測(cè)定的硬度值比布氏、洛氏硬度精確，所測(cè)定的硬度值比布氏、洛氏

13、硬度精確，壓入深度淺，適于測(cè)定經(jīng)表面處理零件的表面壓入深度淺，適于測(cè)定經(jīng)表面處理零件的表面層的硬度，改變負(fù)荷可測(cè)定從極軟到極硬的各層的硬度，改變負(fù)荷可測(cè)定從極軟到極硬的各種材料的硬度；種材料的硬度；o缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：測(cè)定過(guò)程比較麻煩測(cè)定過(guò)程比較麻煩。4 4、布氏硬度與、布氏硬度與洛氏硬度洛氏硬度的特點(diǎn)比較的特點(diǎn)比較 o沖擊韌性是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能沖擊韌性是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力力 。 衡量衡量指指標(biāo)標(biāo)用用akak表示，由試驗(yàn)而得。表示，由試驗(yàn)而得。沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖ak = AK/A （Jcm-2） o為了確定材料的沖

14、擊韌度為了確定材料的沖擊韌度a k值，常采用一次沖擊彎曲試驗(yàn)法。值，常采用一次沖擊彎曲試驗(yàn)法。o由于在沖擊載荷作用下材料的塑性變形得不到充分發(fā)展，為由于在沖擊載荷作用下材料的塑性變形得不到充分發(fā)展，為了能靈敏地反映出材料的沖擊韌性，通常采用帶缺口的試樣了能靈敏地反映出材料的沖擊韌性，通常采用帶缺口的試樣進(jìn)行試驗(yàn)。進(jìn)行試驗(yàn)。o標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣有兩種，一種是夏比形缺口試樣，另一種是標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣有兩種，一種是夏比形缺口試樣，另一種是夏比形缺口試樣。夏比形缺口試樣。o同一條件下同一材料制作的兩種試樣，其形試樣的同一條件下同一材料制作的兩種試樣，其形試樣的a k值明值明顯大于形試樣的顯大于形試樣的a k，所

15、以這兩種試樣的值，所以這兩種試樣的值a k不能相互比不能相互比較。較。關(guān)于沖擊試驗(yàn)關(guān)于沖擊試驗(yàn)形缺口試樣V形缺口試樣o試驗(yàn)時(shí)，將試樣放在試驗(yàn)機(jī)兩支座上，將一定重量試驗(yàn)時(shí)，將試樣放在試驗(yàn)機(jī)兩支座上，將一定重量G的擺錘升的擺錘升至一定高度至一定高度H，使它獲得位能為，使它獲得位能為GH；再將擺錘釋放，使其刀；再將擺錘釋放，使其刀口沖向試樣缺口的背面；沖斷試樣后擺錘在另一邊的高度為口沖向試樣缺口的背面；沖斷試樣后擺錘在另一邊的高度為h，相應(yīng)位能為相應(yīng)位能為Gh，沖斷試樣前后的能量差即為擺錘沖斷試樣所，沖斷試樣前后的能量差即為擺錘沖斷試樣所消耗的功，或是試樣變形和斷裂所吸收的能量，稱為沖擊吸收消耗的功

16、，或是試樣變形和斷裂所吸收的能量，稱為沖擊吸收功功Ak，即，即Ak = GHGh，單位為，單位為J。o試驗(yàn)時(shí)，沖擊功的數(shù)值可從沖擊試驗(yàn)機(jī)的刻度標(biāo)盤上直試驗(yàn)時(shí)，沖擊功的數(shù)值可從沖擊試驗(yàn)機(jī)的刻度標(biāo)盤上直接讀出。接讀出。o沖擊吸收功除以試樣缺口底部處橫截面積沖擊吸收功除以試樣缺口底部處橫截面積F獲得沖擊韌獲得沖擊韌度值度值ak ，即，即a k =Ak/ F，單位為，單位為J/cm2。有些國(guó)家。有些國(guó)家（如美、英、日等國(guó)）直接用沖擊吸收功（如美、英、日等國(guó)）直接用沖擊吸收功 Ak作為沖擊作為沖擊韌性指標(biāo)。韌性指標(biāo)。o材料的材料的a k 值愈大，韌性就愈好；材料的值愈大，韌性就愈好；材料的a k 值愈小

17、，值愈小，材料的脆性愈大。材料的脆性愈大。o通常把通常把a(bǔ) k 值小的材料稱為脆性材料。值小的材料稱為脆性材料。o研究表明，材料的研究表明，材料的a k 值隨溫度的降低而降低。當(dāng)溫度值隨溫度的降低而降低。當(dāng)溫度降至某一數(shù)值或范圍時(shí)，降至某一數(shù)值或范圍時(shí)，a k 值會(huì)急劇下降，材料則由值會(huì)急劇下降，材料則由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，這種轉(zhuǎn)變稱為冷脆轉(zhuǎn)變，相韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，這種轉(zhuǎn)變稱為冷脆轉(zhuǎn)變，相應(yīng)溫度稱為冷脆轉(zhuǎn)變溫度。材料的冷脆轉(zhuǎn)變溫度越低，應(yīng)溫度稱為冷脆轉(zhuǎn)變溫度。材料的冷脆轉(zhuǎn)變溫度越低，說(shuō)明其低溫沖擊性能越好，允許使用的溫度范圍越大。說(shuō)明其低溫沖擊性能越好，允許使用的溫度范圍越大。因此對(duì)

18、于寒冷地區(qū)的橋梁、車輛等機(jī)件用材料，必須作因此對(duì)于寒冷地區(qū)的橋梁、車輛等機(jī)件用材料，必須作低溫（一般為低溫（一般為40）沖擊彎曲試驗(yàn)，以防止低溫脆）沖擊彎曲試驗(yàn)，以防止低溫脆性斷裂。性斷裂。3、材料沖擊韌度的意義、材料沖擊韌度的意義 -N 曲線 疲勞輝紋（掃描電鏡照片）疲勞輝紋（掃描電鏡照片）八、八、 斷裂韌性斷裂韌性K KI Io有的大型轉(zhuǎn)動(dòng)零件、高壓容器、橋梁等，常在其工件應(yīng)力遠(yuǎn)低于s的情況下突然發(fā)生低應(yīng)力脆斷。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。o材料中存在裂紋時(shí)，在裂紋尖端就會(huì)產(chǎn)材料中存在裂紋時(shí)，在裂紋尖端就會(huì)產(chǎn) 生應(yīng)力生應(yīng)力集中，從而形成裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)，按斷裂力學(xué)分集中，從而形成裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)，按斷裂力學(xué)分析，應(yīng)力場(chǎng)的大小可用析，應(yīng)力場(chǎng)的大小可用K KI I來(lái)描述，其單位為來(lái)描述，其單位為MPa mMPa m1/21/2。oKI值的大小決定于裂紋尺寸（2a）和外加應(yīng)力場(chǎng)，它們之間的關(guān)系由下式表示： KY 式中：Y為與裂紋形狀、加載方式和試樣幾何尺 寸有關(guān)的無(wú)量綱系數(shù) 為外加應(yīng)力場(chǎng)，單位為MPa； a為裂