第1章材料的性能

工程材料学
力学性能——疲劳
• 零件在低于屈服应力的交变应力的反复作用下，而发生的断 裂现象称为疲劳断裂。疲劳断裂是损伤的积累过程，包括疲 劳裂纹的产生、扩展、瞬间断裂三各阶段。应力大小和循环 次数有关。
高周疲劳对称应力作用趋于水平线的 最大应力为σ-1 ,作为永久可用的疲 劳强度极限。实际大多以107次未断裂 的应力来测定。 低周疲劳又称条件疲劳极限，参照零 件工作周期可能作用的次数下能承受 的应力极限值。
一个零件相对另一零件有摩擦运动而造成接触面的尺寸变化、 质量损失现象成为磨损。 磨损的后果可能因零件尺寸变化，轻则降低传动质量，影响部 件的使用性能；重则因尺寸变小造成零件断裂。 磨损主要有磨粒磨损(切削)、粘着磨损(分子作用力)；此外接 触疲劳有人作为磨损，也有人算另一类损伤形式。 测定方法让两试样组成摩擦对，在设定条件(力、润滑剂)进行 一定时间的摩擦运动后，测定试样的尺寸减小值/质量的损失值 /摩擦表面外观形貌，来比较不同材料的耐磨性。
铸铁: N = 107 非铁金属: N = 108 汽车发动机曲轴:N = 12*107 汽轮机叶片：N = 25*1010 工程材料学
疲劳断口
轴的疲劳断口
疲劳辉纹（扫描电镜照片）
通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度， 进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。
工程材料学
力学性能——耐磨性能
工程材料学
工艺性能
材料的工艺性能是材料力学、物理、化学性能的综合表现。 主要反映材料生产或零部件加工过程的可能性或难易程度。 1. 材料可生产性：得到材料可能性和制备方法。 2. 铸造性：将材料加热得到熔体，注入较复杂的型腔后冷却凝 固，获得零件的方法。 流动性：充满型腔能力 收缩率：缩孔数量的多少和分布特征 偏析倾向：材料成分的均匀性
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力学性能——刚度和强度指标
强度：是指材料抵抗变形或断裂的能力 比例极限σp :是材料应力和应变成正比的最大应力 弹性极限σe :是不产生塑性变形的最大应力 屈服强度σs :是材料开始产生塑性变形的应力 抗拉强度σb :是材料产生最大均匀塑性变形的应力 断裂强度σk :是材料发生断裂的应力 条件屈服强度σ0.2：残余变形量为0.2%时的应力值
导热率：物体内温度梯度为1℃/M时，在单位时间、单位
面积内传递的热量 W/(M.K)
热膨胀系数：温度上升1℃时，单位长度的伸长量
mm/(℃.mm)或℃-1
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物理性能
熔点：物质由固态转变为液态的温度，反映固态下原 子间
结合力。
电阻率ρ：单位长度和单位截面积导体的电阻。单位是Ω·M，
其倒数称为电导率 S/M。
工程材料学 10
力学性能——拉伸试验
AC：屈服阶段（出现塑性变形）
B：屈服极限σs
BC 段应力不增加变形不断增 加称为屈服，在材料屈服后 若卸载出现不能恢复的变形 成为塑性变形。
工程材料学 11
力学性能——拉伸试验
CD:强化阶段
D：强度极限σb
DE：颈缩阶段（局 部收缩阶段） E：断裂点
符号HBS (压头为淬火钢球)或HBW (压头为硬质合金钢球)之前的数字 表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保 持时间。如120HBS10/1000/30表示直径10mm的钢球在1000kgf (9.807kN) 载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120. 适用范围 <4 50 HBS; < 650 HBW
工程材料学 神舟一号飞船
材料的力学性能
• 材料的力学性能是指材料处于特定环境因素(温度、介质等) 时，在外力或能量以及作用下表现出来的变形和破坏的特征
材料的主要力学性能有：
弹性 强度 塑性 硬度
冲击韧性 疲劳特性 耐磨性
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力学性能——拉伸试验
• 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。 • 外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。 • 外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。 • 通常把作用在材料上的外力或能量称为载荷或负荷。
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1.2.2力学性能——洛氏硬度
洛氏硬度用于测量的硬度范围为20-67，而且压痕很小，几乎不损伤工件 表面，故可用于测定淬火钢、调质钢等成品件的硬度。
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力学性能——维氏硬度
维氏硬度(HV)：用对面夹角136度四棱锥 金刚石压头，在力P作用下压入材料，保 持规定时间后，用测量压痕对角线长度， 用压痕单位面积上承受的力作为材料硬度 的度量。
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力学性能——耐磨性能
马丁代尔耐磨性试验机
水泥胶沙耐磨性试验机
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物理性能
材料的物理性能是指材料本身的具有各种物理量(热、电、光、 磁等)以及环境变化时他们的变化程度。
密度与比容 导热性λ
主要物理性能参数
电阻与电导 电阻温度系数
热膨胀系数α 熔点
导磁率
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物理性能
3 密度与比容： 单位体积物质的质量 Kg/M 单位质量的物质所占的体积 M3/Kg
力学性能——硬度试验
• 硬度是衡量材料软硬程度的指标,是反映材料抵抗局部塑 性变形的能力。
常见测量硬度的指标：
布氏硬度测量仪 维氏硬度测量仪
洛氏硬度测量仪
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力学性能——布氏硬度试验
用直径D钢球在力P的 作用下压在试样上一 定时间,压痕直径为d。 适用于较软的塑性材 料。
工程材料学
力学性能——布氏硬度试验
工程材料学 24
力学性能——莫氏硬度
莫氏硬度:表示矿物硬度的一种标准。 应用划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所试矿物的表面而发生划痕，用测得的 划痕的深度分十级来表示硬度。
矿物学或宝石学上都是用莫氏硬度。野外作业时应用方便。
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力学性能应用
工程材料学 26
力学性能-韧性
韧性：材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的 能力，是材料强度和塑性的综合表现。
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力学性能——拉伸试验
拉颈伸 材料表现为弹性变
形、均匀塑性变形、 颈缩、断裂。
工程材料学
力学性能——拉伸试验
低碳钢拉伸曲线的4个阶段
OA ：弹性阶段（卸载可逆）
A’：比例极限σP A ：弹性极限σe
（两者很接近）
在OA’段为直线，即应力与应变成正比，变 化规律服从虎克定律。并且在外力卸载后试 样恢复到原始长度。可以达到的最大应力成 为弹性极限(比例极限)。 OA段去掉外力，变形立刻恢复，这种不 发生永久变形的能力称为弹性。
• 冲击韧性值a k 就是试样缺口处单位 截面积上所消耗的冲击功。
aK=AK/S, (J/cm2)
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力学性能——断裂韧性
断裂韧性是材料中存在缺陷时，材料抵抗脆性断裂的能力。
1943年美国T-2油轮发生断裂 20世纪50年代北极星导弹爆炸事故
工程材料学
力学性能——断裂韧 •
大型构件不可避免存在各种缺陷，在缺陷前端有不同的 应力作用，都存在应力集中，其中裂纹受张开应力作用 为最危险。以下为几种裂纹扩展的方式：
可以测量目前工业上所用到的几乎全部金属材料，从很 软的材料（几个维氏硬度单位）到很硬的材料（3000个 维氏硬度单位）都可测量。 工程材料学 23
力学性能——肖氏硬度
肖氏硬度(HS)：将顶端为金刚石的冲头从固定高度h1自由下落到试样 表面，测量其回跳高度h2，其计算式为：
h2 HS = K h1
一种动态力试验，一种轻便的手提式仪器，便于 现场测试，其结构简单，便于操作，测试效率高。
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工艺性能
3. 锻造性（塑性加工型）：材料进行压力加工(锻造、压延、 轧制、拉拔、挤压等)的可能性或难易程度的度量。 塑性变形能力：材料不破坏的前提下的最大变形量。 塑性变形抗力：发生塑性变形所需要的最小外力。 4. 焊接性：利用部分熔体，将两块材料连接在一起。 连接能力：焊接头部位强度与母材的差别程度。 焊接缺陷：焊接处出现气孔、裂纹可能性的大小或母材变 形程度。
工程材料学 19
力学性能——布氏硬度试验
根据金属材料的种类、试样硬度范围和厚度的不同，选择试验压头 （钢头）的直径D、试验力F及保持时间。
工程材料学 20
力学性能——洛氏硬度
洛氏硬度(HR)是以 一定的压力将压头 压入试样表面，以 残留在表面的压痕 深度来表示材料的 硬度 a：预加载荷 b：加主载荷 c：卸主载荷
第一章 材料的性能
Outline
1 2
材料的定义 材料的使用性能 材料的工艺性能 材料的性能总结
3 4
材料的定义
• 原材料：一般把来自采掘工业和农业的劳动对象称 为“原料”。 • 材料：把经过工业加工的原料成为“材料”。
原材料——木材
材料——金属片
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材料的性能
• 使用性能：材料在使用过 程中所表现的性能。包括 力学性能、物理性能和化 学性能。 工艺性能：材料在加工过 程中表现出来的应能。包 括铸造、锻压、焊接、热 处理和切削性能等。
工程材料学 43
工艺性能
5. 切削加工性：材料进行切削加工的难易程度。它与材料的种 类、成分、硬度、韧性、导热性等有关。 切削抗力 加工表面质量 排屑难易程度 切削刀具的使用寿命 6. 热处理性能：可以实施的热处理方法和材料在热处理时性能 改变的程度。
随着科技进步的发展，对材料工艺性能的评价标准也在不断发展和变化。 工程材料学
工程材料学
力学性能——冲击韧性 Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图） 的冲击试验结果
Titanic 近代船用钢板
工程材料学
力学性能——冲击韧性
常用一次弯曲冲击韧性试验Ak值来表示材料的冲击韧性。 • 试样冲断时所消耗的冲击功A k为:
• A k = m g H – m g h (J)
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力学性能——弹性和塑性指标
弹性：指材料弹性变形的大小。
通常用弹性变形时的吸收能 u 来表示。
弹性能为应力-应变曲线下面弹性变形部分所 包围的面积。 材料的弹性极限越高，弹性模量E越低，弹性 能越大，材料的弹性越好。 弹性指标→弹性能
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力学性能——弹性和塑性指标
塑性：指材料断裂前发生塑性变形的能力。
通常用断后伸长率δ和断面收缩率ψ来衡量。
L1 − L0 ×100% L0
δ 伸长率=
A0 − A1 断面收缩率 ψ = ×100% A0
δ、ψ越大，材料的塑性越好。 塑性指标→伸长率δ和断面收缩率ψ
δ 小于 2-5%属脆性材料 δ 在5-10%之间属韧性材料 δ 大于 10%属塑性材料
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• 反映材料与各种化学试剂发生化学反应的可能性和反应速 度大小的相关参数。 工程材料主要考虑其耐腐蚀性，电化学材料有的考察电极 电位、储能密度等。 材料由于周围环境介质侵蚀而造成的损伤和破坏均称为腐蚀。 发生腐蚀的化学过程有化学腐蚀(氧化)、电化学腐蚀和应力腐 蚀等不同形式。腐蚀速度与材料、介质、温度、应力、辐 照……因素有关。腐蚀不仅影响零件表明质量，并且可以造成 零件早期损坏，防腐设计应考虑材料的选择和防腐措施相结合。
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力学性能——刚度和强度指标
刚度：是指零（构）件在受力时抵抗弹性变形的能力等于 材料弹性模量与零（构）件截面积的乘积。
σ ε
F A F
= = 单向拉伸时： E
ε
即
EA =
ε
EA为零件的刚度，代表产生单位弹性变形所需载荷的大小。
弹性模量E是表征材料刚度的性能指标. 它只与材料的化学成分有关，与温度有关。与其组 织变化无关，与热处理状态无关。
评定材料韧性的力学性能是：冲击韧性和断裂韧性 冲击载荷与静载荷的主要区别： 在加载速率不同，前者加载速率高，后者加载速率低。 应变速率增加，使材料变脆倾向增大。
工程材料学 27
力学性能——冲击韧性
冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。
工程材料学
力学性能——冲击韧性
TITANIC
TITANIC的沉没与 船体材料的质量直 接有关
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力学性能-拉伸实验（最常用的试验）
拉伸试验机
圆形或板型的试样
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力学性能——拉伸试验
过程：外力增加，试样伸长。 得到P－∆l曲线，换算为σ－ε 曲线。材料表现为弹性变形、 塑性变形、断裂。
应力 低碳钢的应力-应变曲线
P
∆l
P σ = S 0 MPa
应变
ε =
∆l l
σ
%
ε
σ − ε曲线
电阻温度系数：温度上升1℃时，电阻率ρ 的变化系数，单
位℃-1 。 电子导电的特点是温度升高，电阻率上升；离子 导电是热激活过程，温度升高，电阻率下降。 超导现象是材料在很低温度下，电阻突然从某个值降为零 的特征。每种材料有自己的转变温度，某些化合物的转变 温度达到100K以上。
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化学性能