工程材料-第二章-性能

工程材料第2章
2.7 理化性能
2.7.1 物理性能
密度是单位体积物质的质量。密度小于5×103 kg/m3 的金属称为 轻金属；密度大于5×103 kg/m3的金属称为重金属。 熔点是金属从固态向液态转变时的温度。熔点高的金属称为难熔金 属；熔点低的金属称为易熔金属。 导热性通常用热导率来衡量。银的导热性最好,；合金的比纯金属差 热膨胀性是材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称。热胀冷缩会 引起材料形状和应力的变化。 导电性指金属传导电流的能力称导电性，用电阻率来衡量。 根据材料的磁性可分为在外磁场中能强烈地被磁化的铁磁性材料； 在外磁场中只能微弱地被磁化的顺磁性材料；能抗拒或削弱外磁场 对材料本身的磁化作用的抗磁性材料
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2.6 疲劳断裂
2.6.4 疲劳分类
疲劳试验有多种分类方法。 按试样破断时应力（应变）循环周次高低可分为：低周疲劳 试验、高周疲劳试验。失效循环周次大于5X104的称为高周 疲劳试验，小于5X104的称为低周疲劳试验。 按试验环境可分为：室温疲劳试验、低温疲劳试验、高温疲 劳试验、热疲劳试验、腐蚀疲劳试验、接触疲劳试验、微动 磨损疲劳试验等。 按应力循环的类型可分为：等幅疲劳试验、变频疲劳试验、 程序疲劳试验、随机疲劳试验等 。
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2.4 硬度与冲击韧性
2.4.1 硬度
材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。
硬度是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。 常用的硬度测定方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等 测试方法 钢铁材料常规表示有布氏（HB）、洛氏（HRC）、维氏 （HV）、里氏（HL）硬度等。HB应用范围较广，HRC适 用于表面高硬度材料，HV-适用于显微镜分析，便携式里氏 硬度计（HL）测量方便。 用不同方法测试的硬度值不能直接比较，但可以换算为同一种 硬度值。 硬度值与强度值之间具有近似的对应关系。
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2.1 力学性能的概念与常用指标
2.1.3 常用的力学性能
刚度、弹性、强度、硬度、塑性 — 静态载荷 冲击韧性 — 动态载荷 — 冲击载荷 断裂韧性 — 宏观缺陷 疲劳 — 动态载荷 — 交变应力或应变
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2.2 拉伸试验
2.2.1 拉伸试验与应力-应变曲线
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材料或者结构的刚度主要取决于材料的弹性模量百度文库，还同 其几何形状 、边界条件等因素以及外力的作用形式有关
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1.3 弹性和刚度、强度、塑性
1.3.2 强度
金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。 强度根据载荷作用方式可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强 度、抗剪强度等。 拉伸试验可以测试材料的屈服强度和抗拉强度。 屈服强度是材料开始发生塑性变形（屈服）的临界应力值。无 明显塑性变形的脆性材料通常以发生微量的塑性变形（ 0.2％） 时的应力作为该钢材的屈服强度，称为条件屈服强度 。 抗拉强度是材料在拉断前能够承受的最大应力值 。
临界应力场强度因子即断裂韧性为KIC
K IC Y C aC
Y为系数，C为断裂应力，aC为临界裂纹半长，单位为MN / m3 2
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2.6 疲劳断裂
2.6.1 疲劳
疲劳是材料承受交变循环应力或应变时所引起的局部结构变化 和内部缺陷发展的过程。
产生疲劳断裂的原因是在应力集中或者强度低的缺陷部位，受交 变应力或者应变的作用，发生微观尺度的塑性变形，引起位错的 运动和积聚，形成微裂纹，微裂纹形成宏观的疲劳裂纹并不断扩 展。
2.2 拉伸试验
1.2.2 塑性材料的拉伸试验
屈服
缩颈
断裂
弹性变 形阶段
塑性变形阶段
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2.3 弹性和刚度、强度、塑性
2.3.1 刚度与弹性
刚度是指物体在外力作用下抵抗弹性变形的能力。 刚度越高，物体表现的越“硬”。 弹性是指物体在外力作用下发生形变，当外力撤消后能 恢复原来大小和形状的性质 。
工程材料
第二章 金属材料的力学性能
学习内容
2.1 力学性能 2.2 拉伸试验 2.3 弹性和刚度、强度、塑性 2.4 硬度与冲击韧性 2.5 断裂韧性 2.6 疲劳 2.7 理化性能
工程材料第2章
2.1 力学性能的概念与常用指标
2.1.1 材料的性能
工艺性能
材料适应制造加工的性能。主要指适应铸 锻焊机加工热处理等工艺的性能
低碳钢的韧脆转变曲线
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2.5 断裂韧性
2.5.1 低应力脆性
容器或构件，特别是大型构件和容器，在应力水平不高，甚 至低于材料屈服极限的情况下所发生的脆性断裂现象称为低 应力脆断。
低应力脆断多与结构件中存在 宏观缺陷(一般均可以当量为裂 纹)有关 ，而这种宏观缺陷在实 际材料中往往是不可避免的。
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2.6 疲劳断裂
2.6.2 疲劳断裂
承受交变应力的零件，在工作应力低于屈服强度的条件下发生 断裂称为疲劳断裂。 疲劳断裂属于脆性断裂，既使塑性很好 的材料，在疲劳断裂时也没有明显的塑 性变形。 疲劳断裂的过程分为疲劳裂纹产生、疲 劳裂纹扩展和瞬间断裂三个阶段。与此 对应，疲劳宏观断口分为疲劳源、光亮 的疲劳裂纹扩展区（类似年轮的贝壳纹） 汽车板簧的疲劳断口 和粗糙的瞬时断裂区三个区域。
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2.5 断裂韧性
2.5.3 临界应力场强度因子
在弹塑性条件下，当应力场强度因子增大到某一临界值，裂纹 便失稳扩展而导致材料断裂，这个临界或失稳扩展的应力场强 度因子即断裂韧性 应力场强度因子是描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。用KⅠ， KⅡ，KⅢ表示，下标表示裂纹扩展方式。
K I Y a
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2.4 硬度与冲击韧性
2.4.5 韧脆转变温度
材料的ak值随温度的降低而减小，且在某一温度范围内，ak值发生 急剧降低，这种现象称为韧脆转变，发生韧脆转变的温度范围称为 “韧脆转变温度（Tk）”。 在脆性转变温度区域以上，金 属材料处于韧性状态，断裂形 式主要为韧性断裂；在脆性转 变温度区域以下，材料处于脆 性状态，断裂形式主要为脆性 断裂(如解理)。脆性转变温度 越低，说明钢材的抵抗冷脆性 能越高。
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2.3 弹性和刚度、强度、塑性
2.3.3 塑性
固体金属在外力作用下产生非断裂的永久变形的能力称为塑性。 通常用延伸率d和截面收缩率y。表示材料的塑性 拉伸试验可以测试材料的延伸率d和截面收缩率y。 延伸率是材料在拉伸断裂后，总伸长量与原始标距长度的百分比。
断面收缩率是材料在拉伸断裂后、断面最大缩小面积与原断面 面积的百分比 。
裂纹扩展的基本形式
裂纹的扩展可分为三种类型。 实践表明，张开型（Ⅰ型）最 危险，最容易引起脆性断裂 。
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2.5 断裂韧性
2.5.2 断裂韧性
断裂韧性表征材料抵抗裂纹扩展及发生断裂的性能参数， 也称断裂韧度 。 断裂韧性是材料固有的特性，只与材料本身、热处理及 加工工艺有关；和裂纹本身的大小、形状及外加应力大 小无关。 常用的断裂韧性指标主要有临界应力强度因子(KIC)、临 界裂纹张开位移(δc)和临界J积分(JIC)。
工程材料第2章
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2.7 理化性能
2.7.2 化学性能
金属材料的化学性能主要指耐腐蚀性和抗氧化性，二者合称 化学稳定性。 抗氧化性指金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称抗氧化 性。加入Cr、Al、Si等元素，可提高钢的抗氧化性。 金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏 作用的能力称耐腐蚀性。碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差；钛及 其合金、不锈钢的耐腐蚀性好；铝合金和铜合金有较好的耐 腐蚀性。
工程材料第2章
2.4 硬度与冲击韧性
2.4.2 硬度测试
工程材料第2章
2.4 硬度与冲击韧性
2.4.3 冲击试验
工程材料第2章
2.4 硬度与冲击韧性
2.4.4 冲击韧性
冲击韧性表示材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。 冲击韧性用冲击韧度ak表示，冲击韧度是冲击试样在单位截 面积上的冲击吸收功 ak值的大小表示材料的韧性好坏。一般把ak值低的材料称为脆性 材料，ak值高的材料称为韧性材料。 不同类型和尺寸的试样，其ak值不能直接比较。ak值取决于材料 及其状态，同时与试样的形状、尺寸有很大关系。ak值对材料的 内部结构缺陷、显微组织的变化很敏感。
材
料
的
物理性能：熔点、密度、电、磁、热等
性
能
使用性能 化学性能：抗氧化性、耐腐蚀性等
力学性能：强 性、度断、裂塑韧性、性等硬度、疲劳、冲击韧
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2.1 力学性能的概念与常用指标
2.1.2 材料的力学性能
力学性能就是材料在某种条件（温度、介质）下，承受外加载荷 作用后的变形或断裂行为。 力学性能也成为机械性能
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2.6 疲劳断裂
2.6.3 疲劳极限和疲劳曲线
材料经历无限次应力循环而不疲劳时的交变应力的最大应力， 称为材料的疲劳极限，或称持久极限。 材料的疲劳极限是材料本身所固有的性质，因循环特征、 试件变形的形式以及材料所处的环境等不同而不同，需疲 劳试验测定。 通过疲劳试验可以得到应 力—寿命曲线，简称S-N曲 线。由疲劳曲线可以确定疲 劳极限值。