机械工程材料第二讲材料的性能课件.ppt

1、1 3、工艺性能工艺性能是指材料在各种加工过程中所表是指材料在各种加工过程中所表现出来的性能。现出来的性能。工艺性能有：工艺性能有：铸造性能、锻造性能、焊接性能、铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能和切削加工性能等。热处理性能和切削加工性能等。2、物理化学性能物理化学性能：材料所体现的物理化学性：材料所体现的物理化学性质的性能。质的性能。物理性能有物理性能有：电导性、热导性等、比重、熔：电导性、热导性等、比重、熔点。点。化学性能有化学性能有：耐蚀性、抗氧化性、电化学腐：耐蚀性、抗氧化性、电化学腐蚀。蚀。2第一节第一节 金属的机械性能金属的机械性能（一）（一）强度强度：强度是材料在外力的作用

2、下，抵抗塑性变形和断强度是材料在外力的作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。裂的能力。强度分为强度分为:抗拉（压）强度、抗弯强度、抗扭转强抗拉（压）强度、抗弯强度、抗扭转强度、抗剪强度、疲劳强度等。度、抗剪强度、疲劳强度等。通常以抗拉强度为基本的强度指标。通常以抗拉强度为基本的强度指标。3材料的抗拉强度以标准试样在万能材料试验机材料的抗拉强度以标准试样在万能材料试验机上进行拉伸试验测定；如图为拉伸用标准试上进行拉伸试验测定；如图为拉伸用标准试样，通常分为长试样样，通常分为长试样(L0=10d0)和短试样和短试样(L05d0)两种。两种。L和和d0值有规定的标准值，一般值有规定的标准值，一般Lo为为

3、100mm或或50mm。41、低碳钢拉伸实、低碳钢拉伸实验验（1）试验：标准）试验：标准试样装夹在万能材试样装夹在万能材料试验机上或拉伸料试验机上或拉伸试验机上，缓慢加试验机上，缓慢加载拉伸，随着载荷载拉伸，随着载荷增加，试样逐渐伸增加，试样逐渐伸长，直至试样拉断。长，直至试样拉断。载荷（载荷（F）与相应）与相应的试样伸长量的试样伸长量（L）可由试验）可由试验机或人工绘成拉伸机或人工绘成拉伸曲线图。曲线图。52）塑性变形塑性变形：载荷超过：载荷超过PE之后，试样除发生弹之后，试样除发生弹性变形外还将发生塑性性变形外还将发生塑性变形。此时，载荷去除变形。此时，载荷去除后试样不能恢复到原始后试样不

4、能恢复到原始长度，这种变形称塑性长度，这种变形称塑性变形或永久变形。变形或永久变形。（2）低碳钢的拉伸曲线分析低碳钢的拉伸曲线分析（如图所示）（如图所示）1）弹性变形）弹性变形：在：在Ob阶段，去除载荷，试样将恢复到原始阶段，去除载荷，试样将恢复到原始长度。此阶段试样的变形称为弹性变形。长度。此阶段试样的变形称为弹性变形。在在Oa阶段载荷阶段载荷F与伸长最与伸长最L为线性关系，称为比例变形。为线性关系，称为比例变形。ab阶段载荷阶段载荷F与伸长最与伸长最L为曲线性关系仍然是弹性变形。为曲线性关系仍然是弹性变形。64）缩颈与断裂：缩颈与断裂：当载荷超过当载荷超过Pb以后，试样上某部分开以后，试样

5、上某部分开始变细，出现了始变细，出现了“缩颈缩颈”，由于其截面缩小，使继续由于其截面缩小，使继续变形所需载荷下降。载荷变形所需载荷下降。载荷到达到达Pk时，试样在缩颈处时，试样在缩颈处断裂。断裂。Pb是最大强度是最大强度3）屈服变形屈服变形：当载荷增大到：当载荷增大到Ps之后，拉伸图之后，拉伸图上出现了水平线段，这表示载荷虽未增加，上出现了水平线段，这表示载荷虽未增加，但试样继续发生塑性变形而伸长，这种现但试样继续发生塑性变形而伸长，这种现象称为象称为“屈服屈服”，s点称为屈服点。点称为屈服点。载荷与实件直径有载荷与实件直径有关，因此工程上采关，因此工程上采用应力来表示。用应力来表示。7（3）

6、应力）应力应变图应变图 为使曲线能够直接反映出为使曲线能够直接反映出材料的力学性能，可用应材料的力学性能，可用应力力（试样单位横截面上（试样单位横截面上的拉力的拉力4P/d0）代替载荷）代替载荷P；以试样单位长度上的；以试样单位长度上的伸长量应变伸长量应变,（=L/L）取代伸长量取代伸长量L.由此绘成由此绘成的曲线图的曲线图,称作应力称作应力应变应变图。图。=E E E是是弹弹性模量（性模量（GN/mm )GN/mm )-曲线和曲线和F-L曲线形状相同曲线形状相同,仅是坐标的含义不同。仅是坐标的含义不同。另比例极限与弹性极限很接近，另比例极限与弹性极限很接近，工程中常用工程中常用Fe点进行计算

7、。点进行计算。228（4）内力内力：材料在外力作用下，内部分子之间的抗衡的：材料在外力作用下，内部分子之间的抗衡的力。力。内力分为：有外力作用是产生的内力。无外力作用是内力分为：有外力作用是产生的内力。无外力作用是产生的内力（热应力、重力等）。产生的内力（热应力、重力等）。（5）应力应力：单位面积上的力。：单位面积上的力。=F/A0b点的应力为点的应力为bs点的应力为点的应力为se点的应力为点的应力为e9（6）拉伸强度拉伸强度1）比例（极限）强度。）比例（极限）强度。P=Pp/A0（MPa）2）弹性（极限）强度。）弹性（极限）强度。e=Pe/A0（MPa）3）屈服（极限）强度。）屈服（极限）强

8、度。s=Ps/A0（MPa）4）抗拉（极限）强度。）抗拉（极限）强度。b=Pb/A0（MPa）Ps-试样发生屈服时所承受的最小载试样发生屈服时所承受的最小载荷，荷，N；式中式中Pb_试样在拉断前所承受的最大试样在拉断前所承受的最大载荷载荷,N；Pe-试样发生塑性变形前所承受的最试样发生塑性变形前所承受的最大载荷，大载荷，N；Ao-试样原始截面积，试样原始截面积，mm2。10（7）塑性）塑性 塑性是指材料产生塑性变形而不被破坏的能力，塑性是指材料产生塑性变形而不被破坏的能力，能常以伸长率能常以伸长率来表示。来表示。=L1-L0/L0 x100%式中：式中：Lo_试样原始标距长度，试样原始标距长度

9、，mm；L1_试样拉断后的标距长度，试样拉断后的标距长度，mm。必须指出，伸长率的数值与试样尺寸有必须指出，伸长率的数值与试样尺寸有关，因而试验时应对所选的试样尺关，因而试验时应对所选的试样尺寸作出规定，以便进行比较。如寸作出规定，以便进行比较。如Lo=10d0时，用时，用10或或表示；表示；Lo=5d0时，用时，用5表示。表示。伸长率伸长率是衡量材料塑性的一个重要指是衡量材料塑性的一个重要指标，工程中一般将标，工程中一般将 5%的材料作的材料作为为塑性材料；塑性材料；5%材料作为材料作为脆脆性材料。不仅是金属材料。性材料。不仅是金属材料。11 材料的塑性也可用断面收缩率材料的塑性也可用断面收

10、缩率表示：表示：式中：式中：Ao_试样的原始截面积，试样的原始截面积，mm；A1_试样拉断后，断口处截面积，试样拉断后，断口处截面积，mm。和和值愈大，材料的塑性愈好。良好的塑性不值愈大，材料的塑性愈好。良好的塑性不仅是金属材料进行轧制、锻造、冲压、焊接的必仅是金属材料进行轧制、锻造、冲压、焊接的必要条件，而且在使用时万一超载，由于产生塑性要条件，而且在使用时万一超载，由于产生塑性变形，能够避免突然断裂。变形，能够避免突然断裂。A0=x100%（A0A1）22122、脆性材料拉伸、脆性材料拉伸 铸铁、玻璃钢，混凝土及陶瓷等，这些材铸铁、玻璃钢，混凝土及陶瓷等，这些材料在拉伸时，一直到断裂，变形

11、都不显著，料在拉伸时，一直到断裂，变形都不显著，而且没有屈服阶段，也没有颈缩现象，只而且没有屈服阶段，也没有颈缩现象，只有断裂时的强度极限有断裂时的强度极限b。这些材料的特点。这些材料的特点是伸长量很小，一般是伸长量很小，一般5%，因此称它们为，因此称它们为脆性材料。脆性材料。13（1）灰口铸铁的应力应变曲线特点）灰口铸铁的应力应变曲线特点是全部图线都是曲线，是全部图线都是曲线，没有明显的没有明显的直线部分直线部分，由于直到拉断时试件的，由于直到拉断时试件的变形都非常微小，变形都非常微小，可以近似的用一可以近似的用一条线来代替这段曲线条线来代替这段曲线(如图中的虚如图中的虚直线直线)，从而确定

12、材料的弹性模量，从而确定材料的弹性模量E。因此，对于虎克定律这种材料是近因此，对于虎克定律这种材料是近似的。似的。（2）玻璃钢的应力应变曲线的）玻璃钢的应力应变曲线的特点特点是直到试件拉断几乎都是直到试件拉断几乎都是直线。玻璃钢的应力应变是直线。玻璃钢的应力应变曲线的特点是直到试件拉断曲线的特点是直到试件拉断几乎都是直线。几乎都是直线。如图所示是铸铁和玻璃钢受拉伸时的应力应变曲线。脆性如图所示是铸铁和玻璃钢受拉伸时的应力应变曲线。脆性材料拉伸时的强度极限比塑性材料低得多。材料拉伸时的强度极限比塑性材料低得多。14 对于没有明显屈服现象的金属材料，工对于没有明显屈服现象的金属材料，工程上规定以试

13、样程上规定以试样0.2%塑性变形时的应力，塑性变形时的应力，作为该材料的屈服点，用作为该材料的屈服点，用0.2 表示。表示。3、材料的压缩实验、材料的压缩实验 金属试件常做成圆柱形，高度约为直径的金属试件常做成圆柱形，高度约为直径的153倍，高度不能太大，否则受压后容易发倍，高度不能太大，否则受压后容易发生弯曲变形。对于棍凝土、石料等常用方块试件。生弯曲变形。对于棍凝土、石料等常用方块试件。15（1）塑性材料压缩实验塑性材料压缩实验 当应力小于比例极限或屈服极限时，它所表现的性质当应力小于比例极限或屈服极限时，它所表现的性质与拉伸时相似，而且比例极限与弹性模量的数值，与拉伸与拉伸时相似，而且比

14、例极限与弹性模量的数值，与拉伸时数值大约相等。时数值大约相等。应力超过比例极限后，由于试验机平板与试件两端之应力超过比例极限后，由于试验机平板与试件两端之间的摩擦力，使试件被压成鼓形。随载荷逐渐增加，最后间的摩擦力，使试件被压成鼓形。随载荷逐渐增加，最后形成饼状。无强度极限。形成饼状。无强度极限。16(2)、脆性材料压缩实验、脆性材料压缩实验 脆性材料受压时，也和受拉时一样，很小的变形脆性材料受压时，也和受拉时一样，很小的变形下就发生破坏；但是，压缩时的强度极限，要比受下就发生破坏；但是，压缩时的强度极限，要比受拉伸时大很多倍，所以脆性材料常用作承压构件。拉伸时大很多倍，所以脆性材料常用作承压

15、构件。铸铁受压缩时铸铁受压缩时的应力应变曲线如图，的应力应变曲线如图，图中虚线表示受拉伸时的应力应图中虚线表示受拉伸时的应力应变曲线。由图可见，铸铁受压缩变曲线。由图可见，铸铁受压缩时的强度极限约为受拉伸时的时的强度极限约为受拉伸时的2-4倍。从图中还可看出，铸铁受倍。从图中还可看出，铸铁受压缩时与受拉伸时一样，没有明压缩时与受拉伸时一样，没有明显的直线部分，也没有屈服阶段，显的直线部分，也没有屈服阶段，破坏发生在与轴线约成破坏发生在与轴线约成45度的度的斜面上。斜面上。17 4、许用应力、许用应力 为危险应力，对为危险应力，对塑性材料有塑性材料有s、b。对。对脆性材料脆性材料取取r 。n是安

16、全系数，根据具体情况可取是安全系数，根据具体情况可取 1.5、2、2.5、3、3.5、4等。等。0n00.2机件的强度条件机件的强度条件 18 （二）、硬度（二）、硬度1、硬度、硬度：材料抵抗局部变形的能力，即局部塑性：材料抵抗局部变形的能力，即局部塑性变形或压痕，称为硬度。变形或压痕，称为硬度。硬度是衡量金属软硬的判据。硬度直接影响到材硬度是衡量金属软硬的判据。硬度直接影响到材料的耐磨性及切削加工性，因为机械制造中的刃料的耐磨性及切削加工性，因为机械制造中的刃具、量具、模具及工作的耐磨表面都应具有足够具、量具、模具及工作的耐磨表面都应具有足够高的硬度，才能保证其使用性能和寿命。若所加高的硬度

17、，才能保证其使用性能和寿命。若所加工的金属坯料的硬度过高时，则给切削加工带来工的金属坯料的硬度过高时，则给切削加工带来困难。显然，硬度也是重要的力学性能指标，应困难。显然，硬度也是重要的力学性能指标，应用十分广泛。用十分广泛。2、硬度分类、硬度分类：金属材料的硬度是在硬度计上测定：金属材料的硬度是在硬度计上测定的。根据硬度计的测量方法不同，常用的有布氏的。根据硬度计的测量方法不同，常用的有布氏硬度法、洛氏硬度法和维氏硬度法三种。硬度法、洛氏硬度法和维氏硬度法三种。19（1）布氏硬度（）布氏硬度（HB）布氏硬度的测试原理如图所示。以直径为布氏硬度的测试原理如图所示。以直径为D的淬火钢球或的淬火钢

18、球或硬质合金球为压头，在载荷硬质合金球为压头，在载荷F的静压力下，将压头压的静压力下，将压头压入被测材料的表面；停留若干秒后，卸去载荷。然后，入被测材料的表面；停留若干秒后，卸去载荷。然后，采用带刻度的专用放大镜测出压痕直径采用带刻度的专用放大镜测出压痕直径d，并依据，并依据d的的数值从专门的硬度表格中查出相应的数值从专门的硬度表格中查出相应的HB值。值。HB=F/S=F/Dh（N/mm）F为测头上的压力，单位为为测头上的压力，单位为牛顿。牛顿。h为压痕的深度，不易测量，为压痕的深度，不易测量，可用压痕直径可用压痕直径d来换算来换算2布氏硬度计布氏硬度计 201）布氏硬度计的压头直径）布氏硬度

19、计的压头直径 有有10mm、5mm、2.5mm三种，而载荷有三种，而载荷有30000N、7500N、1870N等数种，供不同材料和不同等数种，供不同材料和不同厚度试样测试时选用。其中常用的压头直径为厚度试样测试时选用。其中常用的压头直径为10mm,载荷为载荷为30000N。2）布氏硬度法特点布氏硬度法特点：因压痕面积较大、其硬度值比较稳：因压痕面积较大、其硬度值比较稳定，故测试数据重复性好，准确度较洛氏硬度法高。缺定，故测试数据重复性好，准确度较洛氏硬度法高。缺点是测量费时，且因压痕较大，不适于成品检验。由于点是测量费时，且因压痕较大，不适于成品检验。由于测试过硬的材料可导致钢球的变形，因此布

20、氏硬度通常测试过硬的材料可导致钢球的变形，因此布氏硬度通常用于用于HB值小于值小于450的材料的材料，如灰铸铁、非铁合金及较软，如灰铸铁、非铁合金及较软的钢材。新型布氏硬度计设计有硬质合金球压头，从而的钢材。新型布氏硬度计设计有硬质合金球压头，从而可用于测试淬火钢等较硬金属的硬度，使布氏硬度法的可用于测试淬火钢等较硬金属的硬度，使布氏硬度法的适用范围扩大。适用范围扩大。为了区别不同压头测出的硬度值，将为了区别不同压头测出的硬度值，将钢球压头钢球压头测出的硬度测出的硬度值（小于值（小于450）标以符号）标以符号HBS，而将，而将硬质合金球压头硬质合金球压头测测出的硬度值（出的硬度值（450650

21、）标以）标以HBW。而高硬度的薄板。而高硬度的薄板件和表面要求高的工件不宜用布氏硬度。件和表面要求高的工件不宜用布氏硬度。21（2）洛氏硬度（）洛氏硬度（HR）洛氏硬度的测试原理是以顶角为洛氏硬度的测试原理是以顶角为120金钢石金钢石圆锥体（或圆锥体（或1.588mm淬火钢球）为压头，在淬火钢球）为压头，在规定的载荷下，垂直地压入被测金属表面，卸规定的载荷下，垂直地压入被测金属表面，卸载后依据压入深度载后依据压入深度h，由刻度盘上的指针直接，由刻度盘上的指针直接指示出指示出HR值值h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度计22 图中图中00为金钢石压头在和试件接触前的位

22、置。为金钢石压头在和试件接触前的位置。11为压头为压头和试件接触受到初载荷和试件接触受到初载荷P0后压入试件深度为后压入试件深度为h1的位置，的位置，22为试件受到主载荷为试件受到主载荷P1后压头压入试件的位置；后压头压入试件的位置；33卸除主载卸除主载荷后压头由于试件弹性变形的恢复而略有提高的位置。此时荷后压头由于试件弹性变形的恢复而略有提高的位置。此时压头因主载荷而实际压入的深度为压头因主载荷而实际压入的深度为(h3一一h1)。此值越大，表。此值越大，表示试件越软。反之，表示试件越硬。按习惯上数值越大硬度示试件越软。反之，表示试件越硬。按习惯上数值越大硬度越高的概念，常用某一常数越高的概念

23、，常用某一常数K减减(h3一一h1)来表示硬度的高低，来表示硬度的高低，并用每并用每0002mm为一硬度单位，则所得的洛氏硬度用符号为一硬度单位，则所得的洛氏硬度用符号HR表示即表示即HR=k-（h3-h1）/2 式中式中,h1在在P0作用下压头压入试件的深度，作用下压头压入试件的深度，mm h3卸除卸除P1但仍保留但仍保留P0时，压头压入试件表面的深度，时，压头压入试件表面的深度，mm K常数，采用钢球时为常数，采用钢球时为026，采用金刚石圆锥时为，采用金刚石圆锥时为020。23采用不同的试验条件，可以测得从极软到极采用不同的试验条件，可以测得从极软到极硬材料的硬度。当应用硬材料的硬度。当

24、应用120120度角金刚石圆锥压度角金刚石圆锥压头在头在588N(60kgf)588N(60kgf)、1471N(150kgf)1471N(150kgf)载荷下所载荷下所测得的硬度时，分别用测得的硬度时，分别用HRAHRA、HRCHRC表示，当用表示，当用1 158mm58mm钢球在钢球在980N(100kgf)980N(100kgf)载荷下所测载荷下所测得的硬度时，用得的硬度时，用HRBHRB表示。表示。HRAHRA用于测极硬材用于测极硬材料料,HRB,HRB用于测软金属，用于测软金属，HRCHRC常用于测淬火钢及常用于测淬火钢及其它较硬的材料。其它较硬的材料。24 特点：特点：洛氏硬度测试

25、简单、测试迅速、因压痕小，洛氏硬度测试简单、测试迅速、因压痕小，不损坏被测零件，可用于成品检验。它的缺点是不损坏被测零件，可用于成品检验。它的缺点是测得的硬度值重复性较差，这对有偏析或组织不测得的硬度值重复性较差，这对有偏析或组织不均匀的被测金属尤为明显，为此，必须在不同部均匀的被测金属尤为明显，为此，必须在不同部位测量数次位测量数次,取平均值。取平均值。硬度和强度间有一定换算关系硬度和强度间有一定换算关系（可参阅有关（可参阅有关手册），故在零件图的技术条件中，通常标注出手册），故在零件图的技术条件中，通常标注出硬度要求。硬度要求。25 由于维氏硬度测试的压痕为轮廓分由于维氏硬度测试的压痕为轮

26、廓分明的正方形，便于测量，误差明的正方形，便于测量，误差小精度高，测量范围大所以，小精度高，测量范围大所以，适用于各种软硬金属，尤其适用适用于各种软硬金属，尤其适用于极薄零件和渗碳、渗氮工件的硬于极薄零件和渗碳、渗氮工件的硬度测定但其操作不如洛氏硬度测度测定但其操作不如洛氏硬度测定法方便，效率不高，所以不宜用定法方便，效率不高，所以不宜用于大批量生产工件的常规测定。于大批量生产工件的常规测定。（3）维氏硬度）维氏硬度HV 维氏硬度测定方法基本原理与布氏硬度相同也是根据维氏硬度测定方法基本原理与布氏硬度相同也是根据压痕单位面积承受的压力大小来测量的，不同的是维氏硬压痕单位面积承受的压力大小来测量

27、的，不同的是维氏硬度压头是锥面夹角为度压头是锥面夹角为136度的金钢石正四棱锥体测试度的金钢石正四棱锥体测试时按选定的试验压力时按选定的试验压力F将压头压入并保持一定时间，卸将压头压入并保持一定时间，卸载后测量压痕对角线长度载后测量压痕对角线长度d用以计算压痕表面积用以计算压痕表面积S HV=FS=18544F/d (Kgf/mm )HV=01891Fd (MPa)22226（三）、冲击韧（性）度（三）、冲击韧（性）度1、冲击韧度、冲击韧度：材料断裂前吸收的变形能量称作韧性。韧性的常用指标为冲击韧：材料断裂前吸收的变形能量称作韧性。韧性的常用指标为冲击韧度。度。2、测量方法：、测量方法：冲击韧

28、度通常采用摆锤式冲击试验机测定。测定时，一般是将带冲击韧度通常采用摆锤式冲击试验机测定。测定时，一般是将带缺口的标准冲击试样，放在试验机上，然后用摆锤将其一次冲断，并以试样缺口的标准冲击试样，放在试验机上，然后用摆锤将其一次冲断，并以试样缺口处单位截面积上所吸收的冲出功表示其冲击韧度，即缺口处单位截面积上所吸收的冲出功表示其冲击韧度，即ak=Ak/A（J/cm）式中：式中：ak冲击韧度（冲击值）；冲击韧度（冲击值）；Ak冲断试样所消耗的冲击功，冲断试样所消耗的冲击功，J；A试样缺口处的截面积，试样缺口处的截面积，cm 。2ak温度温度冷脆转变温度范围冷脆转变温度范围273、脆性材料试件：脆性材

29、料试件：对于脆性材料（如铸铁、淬火钢等）的冲击试对于脆性材料（如铸铁、淬火钢等）的冲击试验，试样一般不开缺口，因为开缺口的试样冲击值过低，难以比验，试样一般不开缺口，因为开缺口的试样冲击值过低，难以比较不同材料冲击性能的差异。较不同材料冲击性能的差异。4、影响冲击值大小的因素、影响冲击值大小的因素：有试样形状、表面粗糙度、内部组织，：有试样形状、表面粗糙度、内部组织，还与试验时的环境温度有关。因此，冲击值一般作为选择材料的还与试验时的环境温度有关。因此，冲击值一般作为选择材料的参考，不直接用于强度计算。参考，不直接用于强度计算。必须指出，承受冲击载荷的机器零件必须指出，承受冲击载荷的机器零件,

30、很少是在大能量下一次冲很少是在大能量下一次冲击而破坏的击而破坏的,而大多是受到小能量多次重复冲击而破坏的而大多是受到小能量多次重复冲击而破坏的,如连杆、如连杆、曲轴、齿轮等。因此，在大能量、一次冲断条件下来测定冲击韧曲轴、齿轮等。因此，在大能量、一次冲断条件下来测定冲击韧度，虽然方法简便，但对大多数在工作中承受小能量重复冲击的度，虽然方法简便，但对大多数在工作中承受小能量重复冲击的机件来说就不一定适合。不过试验研究表明：在冲击载荷不太大机件来说就不一定适合。不过试验研究表明：在冲击载荷不太大的情况下，金属材料承受多次重复冲击的能力，主要取决于强度，的情况下，金属材料承受多次重复冲击的能力，主要

31、取决于强度，而不要求过高的冲击韧度。例如，用球墨铸铁制造的曲轴，只要而不要求过高的冲击韧度。例如，用球墨铸铁制造的曲轴，只要强度足够，其冲击韧度达强度足够，其冲击韧度达815J/cm 时，就能获得满意的使用性时，就能获得满意的使用性能。能。冲击值对组织缺陷很敏感，能反映出材料品质、宏观缺陷和显微冲击值对组织缺陷很敏感，能反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织等方面的变化，因此，冲击试验是生产上用来检验冶炼、热组织等方面的变化，因此，冲击试验是生产上用来检验冶炼、热加工、热处理等工艺质量的有效方法。加工、热处理等工艺质量的有效方法。2283、疲劳强度（疲劳极限）：金属材疲劳强度（疲劳极限）：金属材料

32、在无数次循环载荷作用下不至料在无数次循环载荷作用下不至引起断裂的最大应力。引起断裂的最大应力。金属材料所承受的疲劳应力（金属材料所承受的疲劳应力（）与）与其断裂前的应力循环次数（其断裂前的应力循环次数（N），），具有如图所示所示的疲劳曲线关具有如图所示所示的疲劳曲线关系。当应力下降到某值之后，疲系。当应力下降到某值之后，疲劳曲线成为水平线，这表示该材劳曲线成为水平线，这表示该材料可经受无数次应力循环而仍不料可经受无数次应力循环而仍不发生疲劳断裂，这个应力值称为发生疲劳断裂，这个应力值称为疲劳极限疲劳极限。当应力按正弦曲线对。当应力按正弦曲线对称循环时，疲劳强度以符号称循环时，疲劳强度以符号 表

33、表示。示。（四）疲劳强度（四）疲劳强度1、疲劳载荷疲劳载荷：周期性或非周期性动载荷。：周期性或非周期性动载荷。2、疲劳断裂疲劳断裂：机械上的许多零件，（如曲轴、齿轮、连杆、弹簧：机械上的许多零件，（如曲轴、齿轮、连杆、弹簧等）是在疲劳载荷的作用下工作的。这些承受疲劳载荷的零件发生等）是在疲劳载荷的作用下工作的。这些承受疲劳载荷的零件发生断裂时，其应力往往大大低于该材料的强度极限，这种断裂称作为断裂时，其应力往往大大低于该材料的强度极限，这种断裂称作为疲劳断裂。疲劳断裂。-1294、一定的应力循环基数一定的应力循环基数：由于实际测试时不可能做到：由于实际测试时不可能做到无数次应力循环，故规定各种

34、金属材料应有一定的应无数次应力循环，故规定各种金属材料应有一定的应力循环基数。如钢材以力循环基数。如钢材以10 为基数，即钢材的应力循环为基数，即钢材的应力循环次数达到次数达到10 仍不发生疲劳断裂，就认为不会再发生疲仍不发生疲劳断裂，就认为不会再发生疲劳断裂了。对于非铁合金和某些超高强度钢，则常取劳断裂了。对于非铁合金和某些超高强度钢，则常取10 为基数。为基数。5、产生疲劳断裂的过程产生疲劳断裂的过程：一般是由于材料含有杂质、表：一般是由于材料含有杂质、表面划痕及其它能引起应力集中的缺陷，导致产生微裂面划痕及其它能引起应力集中的缺陷，导致产生微裂纹。这种微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展

35、，纹。这种微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，致使零件有效截面逐步缩减，直至不能承受所加载荷致使零件有效截面逐步缩减，直至不能承受所加载荷而突然断裂。而突然断裂。6、断面特点断面特点：断口一般是由光滑的边缘（疲劳扩展区）：断口一般是由光滑的边缘（疲劳扩展区）和粗糙的心部（瞬时破坏区）所组成，断口的疲劳扩和粗糙的心部（瞬时破坏区）所组成，断口的疲劳扩展区光亮，细致，有疲劳扩展前沿线，呈贝壳状，海展区光亮，细致，有疲劳扩展前沿线，呈贝壳状，海滩状或涟纹状条纹，这是裂纹扩展磨光的结果，瞬时滩状或涟纹状条纹，这是裂纹扩展磨光的结果，瞬时破坏区断口粗造，一般呈粗晶状。破坏区断口粗造，一般呈粗晶状。77

36、8307、疲劳断裂的原因疲劳断裂的原因：（1）材料内部组织缺陷，气孔、梳松夹渣等）材料内部组织缺陷，气孔、梳松夹渣等 （2）工件外部结构缺陷，划痕、缺口、粗糙度等。）工件外部结构缺陷，划痕、缺口、粗糙度等。8、提高零件疲劳强度的途径提高零件疲劳强度的途径（1）改善其结构形状、减少应力集。）改善其结构形状、减少应力集。（2）表面强化，如提高零件的表面质量、喷丸处理、表）表面强化，如提高零件的表面质量、喷丸处理、表面热处理等。面热处理等。（3）应控制材料的内部质量，避免气孔、夹杂等缺陷。）应控制材料的内部质量，避免气孔、夹杂等缺陷。31(五五)断裂韧性断裂韧性工程上有时会出现材料在远低于工程上有时

37、会出现材料在远低于b的情况下发生断裂的现象。的情况下发生断裂的现象。1943年年1月美国一艘月美国一艘T2油船停泊在装货码头时断成两半，计算的甲板应油船停泊在装货码头时断成两半，计算的甲板应力为力为7Kgmm，远低于，远低于b(3040）Kgmm。2232 美国北极星导弹固体燃料发动机壳体在实美国北极星导弹固体燃料发动机壳体在实验时发生爆炸，经过研究，发现破坏的原验时发生爆炸，经过研究，发现破坏的原因是材料中存在因是材料中存在0.11mm的裂纹并扩展所的裂纹并扩展所致。致。断裂力学认为，材料中存在缺陷是绝对的，断裂力学认为，材料中存在缺陷是绝对的，常见的缺陷是裂纹。在应力作用下，这些常见的缺陷

38、是裂纹。在应力作用下，这些裂纹将发生扩展，一旦扩展失稳，便会发裂纹将发生扩展，一旦扩展失稳，便会发生低应力脆性断裂。生低应力脆性断裂。材料抵抗内部裂纹失材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力称为断裂韧性。稳扩展的能力称为断裂韧性。33 研究表明，断裂应力研究表明，断裂应力c与裂纹长度与裂纹长度2ac之间的关系为之间的关系为cac ,因此便提出一个描述裂纹尖端附近应力场强度因此便提出一个描述裂纹尖端附近应力场强度的指标的指标应力强度因子应力强度因子K，K=ya (MNm )。式中式中y是与裂纹形状、加载方式及试样几何尺寸有关的系是与裂纹形状、加载方式及试样几何尺寸有关的系数，可查手册得到，数，可查手册得

39、到，为名义外加应力为名义外加应力(MPa)，a为裂纹的为裂纹的半长半长(m)。随。随或或a增加或两者同时增加，增加或两者同时增加，K增加，当增加，当K增大到某一定位时，裂纹便失稳扩展而发生断裂。这增大到某一定位时，裂纹便失稳扩展而发生断裂。这个个K的临界值就称做的临界值就称做断裂韧性，用断裂韧性，用Kc表示表示 Kc=y c(c为断裂应力为断裂应力,ac为临界裂纹半长为临界裂纹半长)。K与与Kc的关系，与的关系，与与与c，的关系类似。因此，的关系类似。因此Kc与与s一样都是材料本身的一种力学性能指标。一样都是材料本身的一种力学性能指标。-1/21/23/2（六）高温下材料的机械性能（六）高温下

40、材料的机械性能 很多零件是长期在高温条件下工作的，例如蒸汽锅很多零件是长期在高温条件下工作的，例如蒸汽锅炉中的高温、高压管道，柴油机的进、排气阀，炉中的高温、高压管道，柴油机的进、排气阀，废气涡轮的喷咀环，涡轮叶片等。对于这些零件，废气涡轮的喷咀环，涡轮叶片等。对于这些零件，室温下的机械性能是不能满足高温条件下长期工室温下的机械性能是不能满足高温条件下长期工作要求的。作要求的。341、蠕变、蠕变：金属在常温下的静载强度与载荷持续时间关系：金属在常温下的静载强度与载荷持续时间关系不大。但在高温下却与载荷持续时间关系很大，随着载不大。但在高温下却与载荷持续时间关系很大，随着载荷作用时间的延长，强度

41、便不断降低。金属零件长时间荷作用时间的延长，强度便不断降低。金属零件长时间在高温和恒应力作用下，即使应力小于在高温和恒应力作用下，即使应力小于s，也会缓慢，也会缓慢地产生塑性变形，这种现象称为儒变。蠕变发展到最后地产生塑性变形，这种现象称为儒变。蠕变发展到最后也能导致断裂，造成没备的重大事故也能导致断裂，造成没备的重大事故。2、金属在高温下的机械性能指标金属在高温下的机械性能指标 主要有热强度和热硬度主要有热强度和热硬度（1）热强度）热强度:不能只用应力不能只用应力应变曲线来评定热强度，还应变曲线来评定热强度，还需要考虑温度和时间两个因素的影响。因此，热强度是需要考虑温度和时间两个因素的影响。

42、因此，热强度是应力、应变、温度和时间综合作用的反映。热强度的指应力、应变、温度和时间综合作用的反映。热强度的指标有蠕变极限和持久强度。标有蠕变极限和持久强度。1)儒变极限儒变极限：蠕变极限是金属长期在高温和载荷作用下对塑性变形：蠕变极限是金属长期在高温和载荷作用下对塑性变形的抗力。蠕变极限用的抗力。蠕变极限用 表示，单位为表示，单位为Nmm ；其中，；其中，T为为材料的工作温度材料的工作温度()，为零件的变形量为零件的变形量()，t为零件工作时间为零件工作时间(h)。例如，国内外多用。例如，国内外多用1Cr13制作汽轮机叶片，该材料的蠕变极制作汽轮机叶片，该材料的蠕变极限限 =57Nmm 。即

43、零件在。即零件在500温度下，工温度下，工 作作10000h，产生，产生01变形量时的应力值为变形量时的应力值为57Nmm 。22235 2)持久强度持久强度 持久强度是金属材料在高温和载荷作持久强度是金属材料在高温和载荷作用下抵抗断裂的能力。持久强度与用下抵抗断裂的能力。持久强度与b有些相似，有些相似，用用t表示，单位为表示，单位为Nmm 。T为材料的工作温为材料的工作温度度()，t为零件工作时间为零件工作时间(h)。例如，例如，1Crl3的持久强度，的持久强度，=190Nmm，即在，即在500 温度下，工作温度下，工作100000h，发生断裂时的强，发生断裂时的强度为度为190Nmm2（2

44、)热硬性热硬性 金属材料在高温下的硬度，是高温轴承、高速金属材料在高温下的硬度，是高温轴承、高速切削刀具、热作模具材料和某些机器零件材料的切削刀具、热作模具材料和某些机器零件材料的重要指标。例如机械加工中，对于切削刀具不仅重要指标。例如机械加工中，对于切削刀具不仅要求在室温下有较高的硬度，而且在高速切削温要求在室温下有较高的硬度，而且在高速切削温度升高，刀具刃部达度升高，刀具刃部达600或更高时，仍能保持或更高时，仍能保持高的硬度。材料在高温下具有较高硬度的性能，高的硬度。材料在高温下具有较高硬度的性能，称热硬性，又称高温硬度。称热硬性，又称高温硬度。22T36 第二节第二节 金属的工艺性能和

45、物理、化学金属的工艺性能和物理、化学 性能性能1、物理性能、物理性能 材料的物理性能主要有材料的物理性能主要有密度、熔点、热膨胀性、密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性导热性、导电性和磁性等。等。由于机器零件的用途不同，对其物理性能的要求由于机器零件的用途不同，对其物理性能的要求也有所不同。例如，飞机零件常选用密度小的铝、也有所不同。例如，飞机零件常选用密度小的铝、镁、钛合金来制造；设计电机、电器零件时，常镁、钛合金来制造；设计电机、电器零件时，常要考虑金属材料的导电性等。要考虑金属材料的导电性等。材料的物理性能有时对加工工艺也有一定的影材料的物理性能有时对加工工艺也有一定的影响。例如，

46、高速钢的导热性较差，锻造时应采用响。例如，高速钢的导热性较差，锻造时应采用低的速度来加热升温，否则容易产生裂纹；而材低的速度来加热升温，否则容易产生裂纹；而材料的导热性对切削刀具的温升有重大影响。又如，料的导热性对切削刀具的温升有重大影响。又如，锡基轴承合金、铸铁和铸钢的熔点不同，故所选锡基轴承合金、铸铁和铸钢的熔点不同，故所选的熔炼设备、铸型材料等均有很大的不同。的熔炼设备、铸型材料等均有很大的不同。372、化学性能化学性能 材料的化学性能主要是指在常温或材料的化学性能主要是指在常温或高温时，抵抗各种介质侵蚀的能力。有高温时，抵抗各种介质侵蚀的能力。有耐酸性、耐酸性、耐碱性、抗氧化性耐碱性、

47、抗氧化性等。等。对于在腐蚀介质中或在高温下工作的机器零件，对于在腐蚀介质中或在高温下工作的机器零件，由于比在空气中或室温时的腐蚀更强烈，故在设由于比在空气中或室温时的腐蚀更强烈，故在设计这类零件时应特别注意金属材料的化学性能，计这类零件时应特别注意金属材料的化学性能，并采用化学稳定性良好的合金。如化工设备、医并采用化学稳定性良好的合金。如化工设备、医疗用具等常采用不锈钢来制造，而内燃机排气阀疗用具等常采用不锈钢来制造，而内燃机排气阀和电站设备的一些零件则常选用耐热钢来制造。和电站设备的一些零件则常选用耐热钢来制造。38（1）比重）比重对于飞机、汽车、车辆等要求减轻自重的机械，采用比重小的金属对

48、于飞机、汽车、车辆等要求减轻自重的机械，采用比重小的金属材料很必要，材料很必要，尽管铝合金强度小于钢，但它的比重却小很多，尽管铝合金强度小于钢，但它的比重却小很多，用铝合金代替钢制造同一零件，其重量可减少很多。高速柴油机用铝合金代替钢制造同一零件，其重量可减少很多。高速柴油机的活塞为了减少由于惯性而消耗的功率，故用铝合金制造。同样，的活塞为了减少由于惯性而消耗的功率，故用铝合金制造。同样，强度高比重小的太合金在航空与导弹工业上也得到广泛应用。强度高比重小的太合金在航空与导弹工业上也得到广泛应用。常用金属材料的比重如下：铜合金约为常用金属材料的比重如下：铜合金约为88，锡基轴承合金为，锡基轴承合

49、金为74，钢为，钢为78，灰铸铁为，灰铸铁为715，钛合金约为，钛合金约为45，铝合金约，铝合金约为为27，镁合金约为，镁合金约为1 8。（2）熔点）熔点金属和合金的铸造与焊接需利用这个性能。熔点低的合金可用来制金属和合金的铸造与焊接需利用这个性能。熔点低的合金可用来制造焊锡，保险丝造焊锡，保险丝(铅、锡、铋、镉的合金铅、锡、铋、镉的合金)，铅字，铅字(铅与铋的合金铅与铋的合金)等，熔点较高的合金用来制造机器零件，结构件与耐热零件。常等，熔点较高的合金用来制造机器零件，结构件与耐热零件。常用金属和合金的熔点如下：用金属和合金的熔点如下：锡锡232 ，铅，铅327 ，铝，铝658 ，铜，铜108

50、3，铁铁11301350 ，钢，钢14001500 ，钛，钛1677 ，钼，钼2625 ；钨钨3380 39（3）热膨胀性热膨胀性 材料受热后体积膨胀，有些机械零，部件材料受热后体积膨胀，有些机械零，部件,如柴油机如柴油机活塞与缸套间间隙很小，既要容许活塞在缸套内往复运活塞与缸套间间隙很小，既要容许活塞在缸套内往复运动又应保正气密，为此，活塞与缸套材料的热膨胀性要动又应保正气密，为此，活塞与缸套材料的热膨胀性要相近相近,以免两者卡住或漏气热膨胀性用热胀系数以免两者卡住或漏气热膨胀性用热胀系数 来表来表示，金属热膨胀系数示，金属热膨胀系数 =1/L L/t其中其中L为长度，为长度，L为伸长量为伸