1、工程材料及成型技术,机械学院,第1章 工程材料的主要性能,材料成型系,第一章 工程材料的主要性能,第一节 材料的力学性能,力学性能（强度，塑性，韧性等）是最受关注的性能。,铸造性能，锻压性能，机加工性能，焊接性能等,其它性能（如耐蚀性，导电性，导热性等）,力学性能:,在外力(载荷) 作用下所表现出来的特性。,材料抵抗外加载荷引起的变形和断裂的能力。,常见的力学性能有：强度、硬度、塑性、韧性等,通过力学性能实验来测出。,使用性能,工艺性能,影响力学性能的因素：,内在因素：,化学成分,组织结构,冶金质量,残余应力,表面和内部缺陷等,外在因素：,载荷性质（静载荷、冲击载荷、交变载荷）,应力状态（拉、
2、压、弯曲、扭转、剪切、接触应力及各种复合应力）,温度：高温力学性能（蠕变）,环境介质：腐蚀介质（应力腐蚀）、氢脆,（一）静载时的强度,1、拉伸试验 （GB/T228-2002：金属材料室温拉伸试验）,试样（标准）：圆形试样L0=5d0或L0=10d0,一、强度,强度：,材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。,静载：加载速度小于10MPa/s,变形集中在试样某段,oa：,外力去除后能恢复原状的变形。,弹-塑性变形阶段,ak：,塑性变形：,外力去除后不能恢复原状的变形。,bcd点平台：,屈服,外力不增加或是上下波动而试样继续产生塑性变形而伸长的现象。,均匀塑性变形阶段,d到b点：,弹性变形,
3、B点后：,缩颈现象,k点：,断裂,2、拉伸时的强度指标,1）规定非比例延伸强度Rp,2）弹性模量E,在弹性范围内，应力应变的比值。,材料在受力时抵抗产生弹性变形的能力称为刚度。,钢铁：200GPa,铝合金：70GPa,镁合金：40GPa,3）屈服强度,Re H上屈服强度,Re L下屈服强度,5) 断裂强度RK,规定残余延伸强度（Rr0.2）,没有明显的屈服现象，,产生0.2%残余伸长所对应的应力,4) 抗拉强度 Rm,试样能承受的最大载荷除以试样原始截面积所得的应力.,表征了材料对最大均匀变形的抗力。,屈强比=Re/ Rm,小,构件可靠,但材料利用率低,（二）变动载荷时的强度,1.疲劳概念,在
4、交变载荷作用下经过较长时间后发生断裂，这种现象称为疲劳。,工程上常规定循环周次N=107、108次时对应的应力作为条件疲劳极限。,2. 疲劳强度,疲劳强度指的是材料经受无限多次循环而不断裂的最大应力，记为r。,在对称应力循环条件下材料的疲劳极限-1,应力比r=Min/Max,（三）高温强度,高温蠕变：在高温载荷长期作用下，随时间的延长缓慢地产生塑性变形现象。,高温瞬时强度、高温持久强度和高温蠕变强度。,蠕变强度：在规定实验温度（如500 ）和持续时间（如10000h）内，试样所产生的蠕变量不超过规定值（如1%）时的最大应力。,持久强度：在规定实验温度下达到规定的持续时间而不发生断裂的最大应力值
5、。,（四）抗弯强度,对应于弯曲断裂载荷F，此时的强度即为抗弯强度。,二、塑性,断裂前材料发生塑性变形的能力叫塑性,指标：断后伸长率（A） 和断面收缩率（Z）,A=(lU-l0)/L0100%,Z = ( S0 - SU )/S0 100%,l0-试样原始标距长度；,lU-试样断裂后标距的长度,S0-试样原始截面积,SU-试样断裂处截面 积,三、硬度,硬度是材料抵抗硬物压入其表面的能力。,即材料抵抗局部变形的能力。,通常采用静载压入法试验,常用的硬度指标如下: 布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度,（一） 布氏硬度,物理意义：压痕表面上单位面积所承受的压力,布氏硬度值是载荷F除以压痕(球冠)的面积S,用
6、HB表示,HB = F/S = 2F/DD - (D2-d2)1/2 （kgf/mm2）,HBS：HB450,HBW：450650,时间1015s时不写,硬度值/硬度代号/球径D（mm）/试验力F（ kgf ）/试验力持续时间（s）,如：500HBW5/750,反映较大范围的性能。,数据稳定。,测试麻烦。,不能在成品上进行。,特点：,表示方法：,170HBS10/3000/30,（二） 洛氏硬度,用压痕深度表征（每0.002mm的深度为一个单位）,初始实验力F0-h0,主实验力F1-h1,去除实验力F1-h,弹性变形： h1 -h,HR=（k-h）/0.002,压头：小淬火钢球,金钢石圆锥（1
7、20 ）,压头和载荷不同又分为多种：HRC、HRB、HRA。,优点：操作迅速、简便，可由表盘上直接读出硬度值； 缺点：精度较差，硬度值波动较大。,不同标尺不能比较。,表示方法：,如50HRC、60HRC,(三) 维氏硬度,物理意义：压痕表面上单位面积所承受的压力,表示方法(与HB相似),压头是136金刚石四棱锥体,645HV30/20,优点:精度高,不要更换压头,也没有标尺不统一的问题,缺点:效率低,测定材料的冲击韧性一般是在一次摆锤冲击试验机上进行,Ak=G（H-h） （J） 冲击韧度：ak= Ak/S S：缺口处的初始截面积aku 或akv,冲击韧性：材料抵抗冲击载荷的能力。,用冲击韧性来
8、评定材料抵抗冲击的能力。,四、冲击韧性,第二节 金属材料的物理、化学及工艺性能,一、物理性能：,密度、熔点、导电性、导热性、磁性及热膨胀性等,二、化学性能：抗氧化性和抗腐蚀性,三、工艺性能：铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能和热处理工艺性能等,一、金属材料的物理性能,1.密度,为物质的密度（kg/m3）,密度小于5103kg/ m3的金属称为轻金属。,如铝、镁、钛及它们的合金。,密度大于5103kg/ m3的金属称为重金属。,如铁、铅、钨等。,2.熔点,金属从固态向液态转变时的温度称为熔点。,熔点高的金属称为难熔金属。,如钨、钼、钒等,熔点低的金属称为易熔金属。,如锡、铅等,金属的导热
9、性以银为最好，铜、铝次之。,通常用电导率来衡量,金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。,l为线胀系数（1/K或1/）,3.导热性,导热性通常用导热率来衡量,符号是,单位是W/(mK),4.导电性,金属材料能够传导电流的能力称导电性,金属导电性以银为最好，铜、铝次之。,单位：m,5.热膨胀性,热膨胀性用线胀系数l和体胀系数V来表示。,6.磁性,铁磁材料：在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钴等 顺磁材料：在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬抗磁材料：能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用，如铜、锌等,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蚀性。,二、金属材料的化学性能,1.耐蚀性,2.抗氧化性,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、Si等合金元素可提高钢的抗氧化性。,三、金属材料的工艺性能,金属材料的一般加工过程如下：,金属切削的难易程度称为切削加工性能。,1.铸造性能,金属材料铸造成形的能力称为铸造性能，常用流动性、收缩性和偏析来衡量。,2.锻造性能,金属锻造成形的能力为锻造性能。它主要取决于金属的塑性和变形抗力。,3.切削加工性能,金属经热处理可使性能顺利改善的性质称为热处理性能。,4.焊接性能,金属能焊接成具有一定使用性能的焊接接头的特性称为焊接性能。,5.热处理性能,
