包括兩方面材料使用性能材料工藝性能力學性能（強度、塑性、韌性等）物理性能（光、熱、電、磁等）化學性能（氧化、腐蝕等）生物性能（相容性、自恢復性等）加工性能（切削、鍛造等）鑄造性能（適合鑄造與否）焊接性能（容易焊接與否）熱處理性能（可熱處理強化）機械工程材料的常用性能第一章金屬材料的機械（力學）性能材料的性能包括:

●

使用性能(力學性能、物理、化學性能)

●

工藝性能(鑄造性、可鍛性、切削加工性)力學性能

(機械性能)_____材料在載荷(外力或能量)以及環境因素作用下表現出的變形和破斷的特性。

材料受外力作用時，將會產生變形和破壞。其過程一般是：彈性變形－塑性變形－斷裂。彈性變形是外力去除后能夠自行恢復的變形。塑性變形是外力去除后不能完全自動恢復而保留下來的變形，又稱永久變形。§1-1

靜載時材料的機械性能一、靜拉伸試驗——各種性能指標含義、單位、及影響因素。1.應力-應變曲線（分為四階段）：

●彈性變形

●屈服變形●

均勻塑性變形階段

●局部集中塑性變形——頸縮拉伸試樣拉伸試驗機*拉伸試樣：長試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0d0L0拉伸試樣的頸縮現象力—伸長曲線FesbkLFsFbO屈服彈性變形縮頸斷裂塑性變形拉伸圖bse彈性變形彈性變形、塑性變形非線性彈性變形2.強度

——材料抵抗變形、斷裂的能力，單位MN/m2

(MPa

）●屈服強度σs

——材料開始明顯塑性變形的抗力,

是設計和選材的主要依據之一。

▲σs

=Fs/Ao

▲工業上的屈服強度規定產生0.2%變形時應力值為屈服強度.即:σs

=

σ0.2

●抗拉強度σb

(質量控制指標)————抗拉強度是指試樣拉斷前所承受的最大拉應力，用符號σb表示。是零件設計的重要依據,也是評定金屬材料質量的重要指標。

▲σb

=Fb/Ao

▲鑄鐵、陶瓷、復合材料等脆性材料

σb

=σs

▲中、高碳鋼等無明顯屈服現象.●比強度σb/d——玻璃鋼d=2.0,σb=1060MN/m2，為鋁的三倍。

3.

塑性δ、ψ

——塑性是材料在靜載荷作用下產生變形而不破壞的能力。

評定材料塑性的指標是斷后伸長率和斷面收縮率。

塑性直接影響到零件的成形及使用。塑性好的材料，不僅能順利地進行軋制、鍛壓等成形工藝，而且在使用中萬一超截，由于變形而能避免突然斷裂。所以大多數機械零件除要求具有較高的強度外，還必須有一定的塑性。一般情況，伸長率達5％或斷面收縮率達10％的材料，即可滿足大多數零件的使用要求。▲

δ、ψ是表示材料塑性好壞的指標。▲塑性好的材料易加工、使用時不易突然斷裂。(1)斷面收縮率(percentagereductioninarea):

是指試樣拉斷處橫截面積A1

的收縮量與原始橫截面積A0之比。

A0–A1

ψ=×100%A0(2)伸長率(延伸率)specificelongation:

是指試樣拉斷后的標距伸長量Lk與原始標距L0之比。

Lk–L0δ=×100%L0

δ<2~5%屬脆性材科δ≈5~10%屬韌性材料δ>10%屬塑性材料二.硬度(hardness):是指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力。

布氏硬度HB洛氏硬度HR維氏硬度HV肖氏硬度HS銼刀法常用測量硬度的方法硬度

——硬度是指材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力，是衡量材料軟硬的判據，是一個綜合的物理量。是工業上質量檢驗、工藝設計最常用的試驗方法。材料的硬度越高，耐磨性越好，故常將硬度值作為衡量材料耐磨性的重要指標之一。抵抗外物壓入的能力。

●硬度的應用：▲檢驗產品質量▲衡量刀具、軸承等軟硬程度和耐磨性▲可換算為強度極限

1．布氏硬度

——用直徑為D的淬火鋼球或硬質合金球，以相應的試驗力F壓入試樣表面，保持規定的時間后卸除試驗力，在試樣表面留下球形壓痕，如左圖所示。布氏硬度值用球面壓痕單位面積上所承受的平均壓力表示。用淬火鋼球作壓頭時，布氏硬度用符號“HBS”表示;用硬質合金球作壓頭，布氏硬度用符號“HBW”表示。布氏硬度適用于未淬火的鋼、鑄鐵、有色金屬或軟質的軸承合金。

壓頭：淬火鋼球HBS硬質合金鋼球HBW布氏硬度計

●HB=F/S（MPa或kgf/mm2），F——施加的載荷

S——壓頭表面積

●

特點：

▲平均、重復性好；▲壓痕面積大，不適合于成品檢驗；▲HBS--鋼球壓頭（＜450）；

HBW--硬質合金鋼球壓頭（＞450）●

表示方法：符號HBS或HBW之前的數字表示硬度值，符號后面的數字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。如:120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。2洛氏硬度HR(Rockwllhardness)h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計10HRC≈HBS洛氏硬度

——洛氏硬度是以頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑為Φ1.588㎜的淬火鋼球作壓頭，以規定的試驗力使其壓入試樣表面。試驗時，先加初試驗力，然后加主試驗力。壓入試樣表面之后卸除主試驗力，在保留初試驗力的情況下，根據試樣表面壓痕深度，確定被測金屬材料的洛氏硬度值。

優點：操作簡便、可直接讀數。壓痕小；適于各種硬度值的測量；是目前工廠應用最為廣泛的試驗方法。缺點：重復率低●HR

（120金剛石圓錐體壓頭或Φ1.588mm的鋼球）▲HRB（鋼球壓頭，100kg載荷）——測量未淬火鋼，有色金屬。▲HRC（圓錐壓頭，150kg載荷）——測量調質鋼、淬硬鋼制品。

▲HRA（圓錐壓頭，60kg載荷）

——測量硬、薄試件、硬質合金。

●表面洛氏硬度（HR15NHR30NHR45N）鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕3維氏硬度HV

(diamondpenetratorhardness)適用范圍:

測量薄板類;

HV≈HBS;用壓痕兩對角線的平均長度來計算。HV=F/Saad維氏硬度（HV）

——金剛石正四棱錐壓頭，精確，但操作復雜，用于科學試驗。

●壓力可選5～120kg間的特定值；適于各種硬度值的測量；壓痕小，可測表面硬化層、薄片零件。工件4.肖氏硬度HS(drophardness)254mm2.5gh5．顯微硬度（HM）壓力小于10kg的HV，可測組成相的硬度。小負荷維氏硬度計顯微維氏硬度計6.銼刀法:一組硬度差為5HRC的銼刀。例如:10HRC、15HRC、20HRC等。HRA、HRB、HRC分別測得的硬度，不可直接比較大小例如：50HRC<70HRA〤50HRB>40HRC〤硬度之間互換的關系：

200~600HBS時：

10HRc~HBS硬度小于450HBS時：

HBS~HV§1-2

動載時材料的機械性能

一、沖擊韌性（impacttoughness）

——材料抵抗沖擊載荷的能力

●aku=沖擊破壞所消耗的功Ak/試樣斷口截面積F(J/cm2

或MJ/m2)

▲Ak——變形功及斷裂功（J）

●影響因素：材料、T、試樣大小、缺口形狀等。

●

應用——汽車緊急制動；蒸汽錘；沖床等動載荷。

●脆性材料——斷裂前無明顯變形，斷口呈結晶狀，有金屬光澤。

●

韌性材料

——

斷裂前明顯塑變，斷口呈灰色纖維狀，無光澤。

沖擊韌性(notchtoughness):材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。沖擊試驗機沖擊試樣和沖擊試驗示意圖試樣沖斷時所消耗的沖擊功Ak為:

Ak=mgH–mgh(J)

沖擊韌性值ak就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。

AK

ak

=(J/cm2)S0TITANIC建造中的Titanic號TITANIC的沉沒與船體材料的質量直接有關Titanic號鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗結果Titanic近代船用鋼板二、疲勞強度(fatiguestrength):●疲勞：材料在交變應力作用下，在遠小于強度極限，甚至小于屈服極限的應力下發生斷裂。

▲

疲勞占失效零件的70%以上，80%的斷裂由疲勞造成。

●

疲勞極限：表示材料經無數次交變載荷作用而不致引起斷裂的最大應力值。

▲對稱彎曲疲勞強度σ-1

●

疲勞原因

——劃痕、內應力集中引起微裂紋展

●影響因素：循環應力特征、溫度、材料成分和組織、夾雜物、表面狀態、殘余應力等。

▲陶瓷、高分子材料的疲勞抗力很低；

▲金屬材料，纖維增強復合材料疲勞強度較高。鋼材的循環次數一般取

N=107有色金屬的循環次數一般取

N=108鋼材的疲勞強度與抗拉強度之間的關系:

σ-1

=(0.45～0.55)σb疲勞斷口的特點疲勞源區和疲勞裂紋擴展區的微觀形貌一個疲勞源兩個疲勞源微裂紋疲勞條紋疲勞源區疲勞裂紋擴展區本節中所講的材料的力學性能指標及應用剛度：在設計中，考慮構件在受力時發生的彈性變形量，需要用剛度。主要力學性能是材料的彈性模量。如鏜床的鏜桿、齒輪軸等彈性指標：彈性極限和彈性模量是設計彈性零件考慮的性能指標。如汽車板簧和各類彈簧等強度和塑性指標：屈服強度和塑性用于一般零件的抗斷裂設計。硬度：在耐磨零件中必須考慮的性能指標。如滾珠軸承、活塞環等.

§1-3

高溫下的機械性能

●

溫度升高→硬度、強度、彈性模量下降；塑性、韌性增加。

●

蠕變——常溫下工作的有機材料，隨時間的延長，應變量緩慢增加，甚至發生斷裂。

§1-4

斷裂韌性KIC

●

低應力脆斷——應力遠小于屈服強度時發生突然脆性斷裂

●

機理——微裂紋、缺陷、應力集中→裂紋擴展→

失穩擴展。

●

斷裂韌性——裂紋失穩擴展抗力

●

影響因素——成分、熱處理、加工工藝。

低應力脆斷：

有些零件在工作應力遠遠低于屈服點時就會發生脆性斷裂.這種現象稱為低應力脆斷。如1943.1.16日,美國T-2型油船停泊在裝貨碼頭時沿甲板擴展,斷成兩半,計算的甲板應力為7kg/mm2.破壞是突然發生的,當時海面平靜,天氣溫和,其計算的甲板應力只有7.0kg/mm2