Chapter1PropertiesofMaterialsApplicationProperties：Propertiesperformedwhenthematerialswereapplied,includingmechanicalproperties,physicalpropertiesandchemicalproperties.Processesproperties：Propertiesperformedwhenthematerialsweremachined,includingcasting,forging,jointing,heattreatmentandcuttingproperties.第一章材料的性能使用性能：材料在使用過程中所表現的性能。包括力學性能、物理性能和化學性能。工藝性能：材料在加工過程中所表現的性能。包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削性能等。神舟一號飛船Deformationisthealternationofshapeandsizeofmaterialsunderexternalforce.Elasticdeformationcouldrecoveraftertheexternalforceismovedaway.Plasticdeformationcouldnotrecoveraftertheexternalforceismovedaway.材料在外力的作用下將發生形狀和尺寸變化，稱為變形。外力去處后能夠恢復的變形稱為彈性變形。外力去處后不能恢復的變形稱為塑性變形。五萬噸水壓機低碳鋼的應力-應變曲線拉伸試樣拉伸試驗機應力(R)=P/F0應變

=(l-l0)/l01.ElasticityandRigidityElasticity:Elasticlimit

Re(e)，thestresswhenmaterialisbearingthemaximumdeformation.Rigidity：Young’smodulusE,thematerial’sabilitytoresistplasticdeformation.eYoung’smodulusismainlydeterminedbythenatureofthematerial,theparts’rigiditycouldbeimprovedbyincreasingthecross-sectionareaoralteringtheshapeofthecross-sectionareas.

一、彈性和剛度彈性：指標為彈性極限e(Re)，即材料承受最大彈性變形時的應力。剛度：材料受力時抵抗彈性變形的能力。指標為彈性模量E。e彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對彈性模量的影響很小。可以通過增加橫截面積或改變截面形狀來提高零件的剛度。

2.StrengthandPlasticityStrength：theabilitytoresistdeformationandruptureunderexternalforces。

Yieldstrengths：thestresswhenplasticdeformationoccurs.

Offsetyieldstrength0.2：thestresswhenresidualdeformationis0.2%.

Tensilestrengthb：themaximumstressbeforethematerialcollapse.s0.2二、強度與塑性強度：材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。

屈服強度ss：材料發生微量塑性變形時的應力值。

條件屈服強度0.2：殘余變形量為0.2%時的應力值。

抗拉強度b：材料斷裂前所承受的最大應力值。s0.2Plasticity：theabilitytobearthemaximumplasticdeformationbeforethematerialcollapseunderexternalforces.

Extensibility：Contractionrateofcrosssectionalarea：斷裂后塑性：材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。

指標為：

伸長率：斷面收縮率：斷裂后拉伸試樣的頸縮現象Instructions:①

Contractionrateofcrosssectionalareais

closertoactualdeformationthanextensibility.②Whend0isthesame,l0,.Onlywhenl0/d0isaconstant,plasticsindexiscomparable.Whenl0=10d0,

isusedforextensibility.Andwhenl0=5d0,5isusedforextensibility,obviously,5>③

When

>,nonecking,brittlematerial

When

<時,necking,plasticmaterial說明：①

用面縮率表示塑性比伸長率更接近真實變形。②直徑d0相同時，l0，。只有當l0/d0為常數時，塑性值才有可比性。當l0=10d0時，伸長率用

表示；當l0=5d0時，伸長率用5表示。顯然5>③

>時，無頸縮，為脆性材料表征

<時，有頸縮，為塑性材料表征3.Impactflexibility

Theabilitytoresistimpactloadwithoutruptures.Impactflexibilityak(obtainedbyexperiments)。三、沖擊韌性是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。指標為沖擊韌性值ak(通過沖擊實驗測得)。Ductile-brittletransitiontemperatureImpactductilityofthematerialsdecreasesastemperature.Therapiddecreaseofimpactductilityundercertaintemperaturescopeiscalledductile-brittletransition.Thetemperaturescopeofductile-brittletransitioniscalledductile-brittletransitiontemperature.Applicationtemperatureofmaterialsshouldbeabovetheductile-brittletransitiontemperature.韌Thereisaductile-brittletransitiontemperature

formetalsofbodycenteredcubicstructurehave,butnotformostfacecenteredmetals.韌脆轉變溫度材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內沖擊韌性值急劇下降的現象稱韌脆轉變。發生韌脆轉變的溫度范圍稱韌脆轉變溫度。材料的使用溫度應高于韌脆轉變溫度。韌體心立方金屬具有韌脆轉變溫度，而大多數面心立方金屬沒有。TITANIC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4.FatigueMaterialruptureoccursunderrepeatingalternatestressbelows.Fatiguelimitisthemaximumstressunderwhichthematerialdoesnotruptureaftergiventimesofstresscycles,namedas-1.Thegiventimesis107forsteelandiron,108fornonferrousmetals.疲勞應力示意圖疲勞曲線示意圖四、疲勞材料在低于s的重復交變應力作用下發生斷裂的現象。材料在規定次數應力循環后仍不發生斷裂時的最大應力稱為疲勞極限。用-1表示。鋼鐵材料規定次數為107，有色金屬合金為108。疲勞應力示意圖疲勞曲線示意圖FatiguefractureFatigueresistancecouldbeimprovedbyimprovetheshapeandstructures,lessensurfacefaults,improvesurfacesmoothness,andsurfacepeening.ThefatiguefractureofshaftFatiguestriation（bySEM）疲勞斷口通過改善材料的形狀結構，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進行表面強化等方法可提高材料疲勞抗力。軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）5.HardnessTheabilitytoresistlocalplasticdeformationonthesurfaceBrinellhardness:HB布氏硬度計五、硬度材料抵抗表面局部塑性變形的能力。布氏硬度HB布氏硬度計

HBSisusedwhenthepressure

headissteelball,whichissuitableformaterialsbelow450.HBWisusedwhenthepressure

headishardalloyball,whichissuitableformaterialsbelow650.ThenumberbeforeHBSorHBWmeanshardness,andnumbersafteritmeandiameteroftheball,loadandholdingtimeoftheload.Forexample,120HBS10/1000/30meanshardnessis120whenthediameterofsteelballis10mm,andaloadof1000kgf(9.807kN)iskeptfor30s.布氏硬度壓痕

壓頭為鋼球時，布氏硬度用符號HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質合金球時，用符號HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。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。布氏硬度壓痕Merits:smallmeasuringerror,stabledataDemerits:largeindentation，unsuitableforthinparts,finishproductsandmaterialsharderthanthepresshead.Applicabletomeasurethehardnessofannealed,normalized,hardenedandtemperedsteel,castiron,aswellasnonferrousmetals.TherelationshipbetweenbandHB:forlowcarbonsteel:

b(MPa)≈3.6HB

forhighcarbonsteel:b(MPa)≈3.4HB

forcastiron:

b(MPa)≈1HBorb(MPa)≈

0.6(HB-40)HBb(MPa)鋼黃銅球墨鑄鐵布氏硬度的優點：測量誤差小，數據穩定。缺點：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。適于測量退火、正火、調質鋼,

鑄鐵及有色金屬的硬度。材料的b與HB之間的經驗關系：對于低碳鋼:

b(MPa)≈3.6HB

對于高碳鋼：b(MPa)≈3.4HB

對于鑄鐵：

b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈

0.6(HB-40)HBb(MPa)鋼黃銅球墨鑄鐵RockwellhardnessRockwellhardness:HR,HR=k-(h1-h0)/0.002Classifiedinto9scalesaccordingtothedifferent

pressureheadtypeandmainload,amongwhichA,BandCaremostusuallyused.h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計洛氏硬度洛氏硬度用符號HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根據壓頭類型和主載荷不同，分為九個標尺，常用的標尺為A、B、C。

h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計ThenumberbeforeHRishardness,scaleisafterHRHRAisusedtomeasurehighhardnessmaterials,suchashardalloys,surfacequenchedlayersandcarburizedlayers.HRBisusedtomeasurelowhardnessmaterials,suchasnonferrousmetals,annealedsteelsandnormalizedsteels.HRCisusedtomeasuremediumhardnessmaterials,suchashardenedandtemperedsteels,quenchedsteels.

Merits:easytooperate,smallindentation,widescopeofapplications.Demerits:largedispersiondegreeofmeasuringresults.鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕符號HR前面的數字為硬度值，后面為使用的標尺。HRA用于測量高硬度材料,如硬質合金、表淬層和滲碳層。HRB用于測量低硬度材料,如有色金屬和退火、正火鋼等。HRC用于測量中等硬度材料，如調質鋼、淬火鋼等。洛氏硬度的優點：操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。缺點：測量結果分散度大。鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕VickersHardnessVickershardmeterTestprinciplesIndentation維氏硬度維氏硬度計維氏硬度試驗原理維氏硬度壓痕Vickershardness:HV,thenumberbeforeHVishardness,andnumbersafteritmeanloadandloadholdingtime.Threetestingmethodaredefinedaccordingtothedifferentloadscope:vickershardnesstest,smallloadvickershardnesstestandmicroscopevickershardnesstest.Vickershardnesskeepsthemeritsof

brinellhardnessandrockwellhardness小負荷維氏硬度計顯微維氏硬度計維氏硬度用符號HV表示，符號前的數字為硬度值，后面的數字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。根據載荷范圍不同，規定了三種測定方法—維氏硬度試驗、小負荷維氏硬度試驗、顯微維氏硬度試驗。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優點。小負荷維氏硬度計顯微維氏硬度計6FracturetoughnessRuptureofoiltankandengineshellexplosionofPolarismissilearerelevantwithfaultsinthematerials.1943年美國T-2油輪發生斷裂北極星導彈裂紋擴展的基本形式六、斷裂韌性油輪斷裂和北極星導彈發動機殼體爆炸與材料中存在缺陷有關

1943年美國T-2油輪發生斷裂北極星導彈裂紋擴展的基本形式Stressintensityfactor:

theindextodescribethestressintensityaroundthecracktip.Fracturetoughness:

theabilitytoresisttheinternalunstablecrackgrowthCisrupturestress,aCishalflengthofcriticalcrack,itsunitisMN/m3/2應力強度因子：描述裂紋尖端附近應力場強度的指標。斷裂韌性：材料抵抗內部裂紋失穩擴展的能力。C為斷裂應力，aC為臨界裂紋半長，單位為1.1.7ThermalfatigueSomepartsworkingundertheconditionsthattemperaturealternativesdramaticallyandrepeatedly,bearingthermalstressorthermalstraincausedbythermalcycle,willbedestroyedbyfatiguedamage,whichiscalledthermalfatigue.七、熱疲勞