第一章金屬材料的性能

第一章金屬材料的性能1.1工程材料的分類一、按來源分為天然材料和人工材料二、接用途分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料結(jié)構(gòu)材料以力學(xué)性能為主，主要用于機(jī)械工程和建筑行業(yè)中。結(jié)構(gòu)材料以特殊的物理、化學(xué)性能為主，具有聲、光、電、磁和熱等功能和效應(yīng)的材料。聲——隔音材料光——光纖三、按化學(xué)性質(zhì)分為電——半導(dǎo)體材料，如二極管、晶體管等用于集成電路和通訊設(shè)備中磁——磁性材料，磁性是物質(zhì)普遍存在的屬性。

磁性材料：只可以通過磁光、磁電或磁熱效應(yīng)應(yīng)用于各類功能器件的材料。主要用于信息記錄和存儲(chǔ)。是計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備的關(guān)鍵材料，也是軟件和信息庫(kù)的基礎(chǔ)，用作磁記錄介質(zhì)。如，磁帶、磁卡、磁盤等。四、工程材料的常見分類1、無機(jī)材料（金屬、金屬間化合物、無機(jī)非金屬材料（玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷2、有機(jī)材料（有機(jī)天然材料、有機(jī)合成高分子材料）3、復(fù)合材料

（金屬基、陶瓷基、樹脂基、金屬間化合物基）復(fù)合材料——由兩種或兩種以上、具有明顯界面和特殊性能的人工合成的多相固體材料。組成包括基體和增強(qiáng)相。例如，玻璃鋼（基體：樹脂+增強(qiáng)相：玻璃纖維），具有高的比強(qiáng)度，密度小，耐熱，耐絕緣。主要用于軸承，軸承架，齒輪，車身。五.工程材料的性能使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。工藝性能：材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削性能等。1.2材料的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能主要有：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度、疲勞極限和斷裂韌度。（一）強(qiáng)度的概念（二）強(qiáng)度的測(cè)定——拉伸實(shí)驗(yàn)（三）強(qiáng)度指標(biāo)一、強(qiáng)度返回上一頁(yè)下一頁(yè)回主頁(yè)（一）強(qiáng)度的概念

1.定義

指金屬在靜載荷作用下，抵抗塑性變形或斷裂的能力。

載荷的類型通常分為：靜載荷、動(dòng)載荷和變載荷。彈性變形：卸去載荷后，試樣能恢復(fù)到原狀的變形。塑性變形：卸去載荷后，試樣不能恢復(fù)到原狀的變形。

2.應(yīng)用

強(qiáng)度是機(jī)械零件（或工程構(gòu)件）在設(shè)計(jì)、加工、使用過程中的主要性能指標(biāo)，特別是選材和設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。返回上一頁(yè)下一頁(yè)回主頁(yè)（二）強(qiáng)度的測(cè)定——拉伸實(shí)驗(yàn)1.拉伸試樣（GB6397-86）和拉伸試驗(yàn)機(jī)2.力—伸長(zhǎng)曲線（以低碳鋼試樣為例）3.脆性材料的拉伸曲線返回上一頁(yè)下一頁(yè)回主頁(yè)1.拉伸試樣（GB6397-86）長(zhǎng)試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0返回上一頁(yè)下一頁(yè)回主頁(yè)拉伸試驗(yàn)機(jī)2.力——伸長(zhǎng)曲線彈性變形階段屈服階段頸縮現(xiàn)象拉伸試驗(yàn)中得出的拉伸力與伸長(zhǎng)量的關(guān)系曲線。強(qiáng)化階段返回上一頁(yè)下一頁(yè)回主頁(yè)

拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象ΔLF03.脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對(duì)比）脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象。

返回上一頁(yè)下一頁(yè)回主頁(yè)低碳鋼的拉伸曲線脆性材料的拉伸曲線（三）強(qiáng)度指標(biāo)

2.屈服點(diǎn)在拉伸試驗(yàn)過程中，載荷不增加，試樣仍能繼續(xù)伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力，用符號(hào)σs表示。返回上一頁(yè)下一頁(yè)回主頁(yè)

1.彈性極限材料產(chǎn)生完全變形時(shí)所承受的最大應(yīng)力值，用符號(hào)σe表示。FsA0σs=計(jì)算公式脆性材料（如高碳鋼或經(jīng)過熱處理后的鋼）的屈服點(diǎn)（規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力）：試樣卸除載荷后，其標(biāo)距部分的殘余伸長(zhǎng)率達(dá)到試樣標(biāo)距長(zhǎng)度的0.2%時(shí)的應(yīng)力，用符號(hào)σ0.2表示。返回上一頁(yè)下一頁(yè)回主頁(yè)F0.2A0σ0.2=應(yīng)用：σs和σ0.2常作為零件選材和設(shè)計(jì)的依據(jù)。3.抗拉強(qiáng)度

材料在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力，用符號(hào)σb表示。σb=FbA0計(jì)算公式應(yīng)用：脆性材料制作機(jī)械零件和工程構(gòu)件時(shí)的選材和設(shè)計(jì)的依據(jù)。返回上一頁(yè)下一頁(yè)回主頁(yè)（二）衡量指標(biāo)二、塑性金屬材料斷裂前發(fā)生永久變形的能力。塑性的測(cè)定——拉伸實(shí)驗(yàn)斷面收縮率：斷后伸長(zhǎng)率：試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距的百分比。試樣拉斷后，頸縮處的橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比。返回上一頁(yè)下一頁(yè)回主頁(yè)（一）定義斷后伸長(zhǎng)率（δ）l1-l0l0×100%δ=l1——試樣拉斷后的標(biāo)距,mm;l0——試樣的原始標(biāo)距,mm。返回上一頁(yè)下一頁(yè)回主頁(yè)斷面收縮率（Ψ）S0-S1S0Ψ=×100%S0——試樣原始橫截面積,mm2；S1——頸縮處的橫截面積,mm2

。返回上一頁(yè)下一頁(yè)回主頁(yè)三、硬度返回上一頁(yè)下一頁(yè)回主頁(yè)（一）定義材料抵抗表面局部塑性變形的能力。（二）分類按照壓力法，有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、顯微硬度等。(1)原理布氏硬度=

FA凹=2FπD[D-（D2-d2）?]１．布氏硬度返回上一頁(yè)下一頁(yè)回主頁(yè)（2）應(yīng)用測(cè)量比較軟的材料。測(cè)量范圍HBS<450、HBW<650的金屬材料。返回上一頁(yè)下一頁(yè)回主頁(yè)壓頭為鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金時(shí)，用符號(hào)HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。符號(hào)HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)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(cè)得的布氏硬度值為120。（3）優(yōu)缺點(diǎn)布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點(diǎn)：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(cè)量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼,鑄鐵及有色金屬的硬度。材料的b與HB之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：

對(duì)于低碳鋼:

b(MPa)≈3.6HB對(duì)于高碳鋼:b(MPa)≈3.4HB

對(duì)于鑄鐵：

b(MPa)≈1HB或0.6(HB-40)返回上一頁(yè)下一頁(yè)回主頁(yè)（1）原理2.洛氏硬度返回上一頁(yè)下一頁(yè)回主頁(yè)加初載荷加主載荷卸除主載荷讀硬度值洛氏硬度用符號(hào)HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個(gè)標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為A、B、C。

h1-h0洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度計(jì)（2）應(yīng)用范圍20~671500N120°金剛石圓錐體HRC25~1001000N1.588mm鋼球HRB70~85600N120°金剛石圓錐體HRA返回上一頁(yè)下一頁(yè)回主頁(yè)常用洛氏硬度標(biāo)度的試驗(yàn)范圍優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便、迅速，效率高，可直接測(cè)量成品件及高硬度的材料。（3）優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)：壓痕小，測(cè)量不準(zhǔn)確，需多次測(cè)量。返回上一頁(yè)下一頁(yè)回主頁(yè)3.維氏硬度維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度計(jì)維氏硬度用符號(hào)HV表示，符號(hào)前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時(shí)間。根據(jù)施加的載荷范圍不同，規(guī)定了三種維氏硬度的測(cè)定方法—維氏硬度試驗(yàn)、小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)、顯微維氏硬度試驗(yàn)。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)，既可測(cè)量由極軟到極硬的材料的硬度，又能互相比較。既可測(cè)量大塊材料、表面硬化層的硬度，又可測(cè)量金相組織中不同相的硬度。

四、沖擊韌度金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。（三）沖擊試驗(yàn)原理及方法（一）定義（二）沖擊試樣返回上一頁(yè)下一頁(yè)回主頁(yè)計(jì)算公式Ak=GH1

-GH2

=G（H1

-H2）試驗(yàn)原理：試樣被沖斷過程中吸收的能量即沖擊吸收功（Ak）等于擺錘沖擊試樣前后的勢(shì)能差。返回上一頁(yè)下一頁(yè)回主頁(yè)試驗(yàn)過程如圖所示。沖擊韌度（ak）：沖擊吸收功除以試樣缺口處截面積。建造中的Titanic號(hào)Titanic號(hào)鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果五、疲勞材料在低于s的重復(fù)交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力稱為疲勞極限。用-1表示。鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107，有色金屬合金為108。疲勞應(yīng)力示意圖疲勞曲線示意圖疲勞斷口通過改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進(jìn)行表面強(qiáng)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）六、斷裂韌性北極星導(dǎo)彈1943年美國(guó)T-2油輪發(fā)生斷裂裂紋擴(kuò)展的基本形式應(yīng)力強(qiáng)度因子：描述裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的指標(biāo)。斷裂韌性：材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。C為斷裂應(yīng)力，aC為臨界裂紋半長(zhǎng)，單位為

第三節(jié)材料的其他性能一、物理性能1.密度和熔點(diǎn)密度

：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)材料的質(zhì)量。熔點(diǎn)：材料的熔化溫度。金屬都有固定的熔點(diǎn)，非金屬材料如高分子材料沒有固定的熔點(diǎn)。2.電學(xué)性能

導(dǎo)電性R＝ρL／S

電阻率：ρ

電導(dǎo)率：1/ρ

超導(dǎo)體：ρ——0

導(dǎo)體：ρ=10-8-10-5

半導(dǎo)體：ρ=10-5-107

絕緣體：ρ=107-10223.熱學(xué)性能

材料的熱學(xué)性能與原子和自由電子的能量交換密切相關(guān)。熱膨脹――原子（或分子）受熱后平均振幅增加（1）體積膨脹系數(shù)β（2）線膨脹系數(shù)α結(jié)合鍵越強(qiáng)則原子間作用力越大，原子離開平衡位置所需的能量越高，則膨脹系數(shù)越小。熱傳導(dǎo)――自由電子的運(yùn)動(dòng)和晶格振動(dòng)。導(dǎo)熱系數(shù)λ：?jiǎn)挝粶囟忍荻认?，單位時(shí)間內(nèi)通過單位垂直面積的熱量：熱容――材料在溫度升高10C時(shí)所吸收的熱量叫做熱容。

一克物質(zhì)的熱容也叫比熱。4.磁性（1）物質(zhì)接磁性分類：抗磁性物質(zhì)順磁性物質(zhì)鐵磁性物質(zhì)（