1、第第1章章 材料的性能材料的性能本章知识点本章知识点先导案例先导案例第一节材料的机械性能第一节材料的机械性能第二节材料的物理、化学性能第二节材料的物理、化学性能第三节材料的加工工艺性能第三节材料的加工工艺性能知识扩展知识扩展先导案例解决先导案例解决本章小结本章小结思考题思考题本章知识点本章知识点1掌握材料的强度、硬度、塑性、冲击韧度和疲劳强度等机掌握材料的强度、硬度、塑性、冲击韧度和疲劳强度等机 械性能的概念及特点。械性能的概念及特点。2掌握材料的加工工艺性能。掌握材料的加工工艺性能。3了解材料的物理和化学特性。了解材料的物理和化学特性。返回先导案例先导案例请想想该图片的零件材料具有什么性能？
2、为什么？请想想该图片的零件材料具有什么性能？为什么？下一页返回先导案例先导案例金属材料的性能直接关系到金属制品和金属结构的质量、使金属材料的性能直接关系到金属制品和金属结构的质量、使用寿命和加工成本，是产品选材和拟定加工工艺方案的重要用寿命和加工成本，是产品选材和拟定加工工艺方案的重要依据。其性能主要包括以下两个方面。依据。其性能主要包括以下两个方面。（1）使用性能，即为了保证零件、工程构件或工具等的正常）使用性能，即为了保证零件、工程构件或工具等的正常工作，材料所应具备的性能，它包括力学、物理、化学等方工作，材料所应具备的性能，它包括力学、物理、化学等方面的性能。面的性能。（2）工艺性能，即
3、反映金属材料在被制成各种零件、构件和）工艺性能，即反映金属材料在被制成各种零件、构件和工具的过程中，材料适应各种冷、热加工的性能，主要包括工具的过程中，材料适应各种冷、热加工的性能，主要包括铸造、压力加工、焊接、切削加工、热处理等方面的性能。铸造、压力加工、焊接、切削加工、热处理等方面的性能。下一页上一页返回先导案例先导案例根据载荷性质，零件受力情况可分为静载荷和动载荷两类。根据载荷性质，零件受力情况可分为静载荷和动载荷两类。静载荷是指逐渐而缓慢的作用在工件上的力，如机床床头箱静载荷是指逐渐而缓慢的作用在工件上的力，如机床床头箱对床身的压力、钢索的拉力、梁的弯矩、轴的扭矩和剪切力对床身的压力、
4、钢索的拉力、梁的弯矩、轴的扭矩和剪切力等。动载荷包括冲击载荷和交变载荷等，如空气锤锤杆所受等。动载荷包括冲击载荷和交变载荷等，如空气锤锤杆所受的冲击力。齿轮、曲轴、弹簧等零件所承受力的大小与方向的冲击力。齿轮、曲轴、弹簧等零件所承受力的大小与方向是随时间而变化的载荷等。是随时间而变化的载荷等。下一页上一页返回先导案例先导案例无论何种固体材料，其内部原子之间都存在相互平衡的原子无论何种固体材料，其内部原子之间都存在相互平衡的原子结合力的相互作用。当工作材料受外力作用时，原来的平衡结合力的相互作用。当工作材料受外力作用时，原来的平衡状态受到破坏，材料中任何一个小单元与其邻近的各小单元状态受到破坏，
5、材料中任何一个小单元与其邻近的各小单元之间就诱发了新的力，称为内力。在单位截面上的内力，称之间就诱发了新的力，称为内力。在单位截面上的内力，称为应力，以为应力，以表示。材料在外力作用下引起形状和尺寸改变，表示。材料在外力作用下引起形状和尺寸改变，称为变形，包括弹性变形（卸载后可恢复原来形状和尺寸）称为变形，包括弹性变形（卸载后可恢复原来形状和尺寸）和塑性变形（卸载后不能完全恢复原来形状和尺寸）。和塑性变形（卸载后不能完全恢复原来形状和尺寸）。上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能一、强度一、强度强度是指金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。强度是指金属材料在外力作用下抵抗
6、永久变形和断裂的能力。由于所受载荷的形式不同，金属材料的强度可分为抗拉强度、由于所受载荷的形式不同，金属材料的强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗扭强度、抗剪强度等，各种强度之抗压强度、抗弯强度、抗扭强度、抗剪强度等，各种强度之间有一定的联系。通常多以抗拉强度作为判别金属材料强度间有一定的联系。通常多以抗拉强度作为判别金属材料强度高低的指标。金属材料的抗拉强度是用静拉伸力对标准试样高低的指标。金属材料的抗拉强度是用静拉伸力对标准试样在万能材料试验机上进行拉伸试验来测定。在万能材料试验机上进行拉伸试验来测定。下一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能1拉伸试样拉伸试样为了使金属材
7、料的力学性能指标在测试时能排除因试样形状、为了使金属材料的力学性能指标在测试时能排除因试样形状、尺寸的不同而造成的影响，并便于分析比较，试验时应先将尺寸的不同而造成的影响，并便于分析比较，试验时应先将被测金属材料制成标准试样。被测金属材料制成标准试样。图图1-1所示为圆形拉抻试样。图所示为圆形拉抻试样。图中，中，d0是试样的直径，是试样的直径，l0是标距长度。根据标距长度与直径之是标距长度。根据标距长度与直径之间的关系，试样可分为长试样（间的关系，试样可分为长试样（l0=10d0）和短试样（）和短试样（l0=5d0）。）。2力一伸长曲线力一伸长曲线拉伸试验中记录的拉伸力与伸长的关系曲线叫做力拉
8、伸试验中记录的拉伸力与伸长的关系曲线叫做力伸长曲伸长曲线，也称拉伸图。线，也称拉伸图。图图1-2是低碳钢的力是低碳钢的力伸长曲线。图中纵坐伸长曲线。图中纵坐标表示力标表示力F，单位为，单位为N；横坐标表示绝对伸长；横坐标表示绝对伸长L，单位为，单位为mm.下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能由图可见，低碳钢在拉伸过程中，其载荷与变形关系有以下由图可见，低碳钢在拉伸过程中，其载荷与变形关系有以下几个阶段。几个阶段。（1）Oe弹性变形阶段弹性变形阶段当载荷不超过当载荷不超过Fe时，拉伸曲线为直线，即试样的伸长量与载时，拉伸曲线为直线，即试样的伸长量与载荷成正比。如果卸除载荷，
9、试样仍能恢复到原来的尺寸，即荷成正比。如果卸除载荷，试样仍能恢复到原来的尺寸，即试样的变形完全消失。这种随载荷消失而消失的变形叫弹性试样的变形完全消失。这种随载荷消失而消失的变形叫弹性变形。变形。下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能（2）es塑性变形阶段塑性变形阶段当载荷超过当载荷超过Fe后，试样将进一步伸长，此时若卸除载荷，弹后，试样将进一步伸长，此时若卸除载荷，弹性变形消失，而另一部分变形却不能消失，即试样不能恢复性变形消失，而另一部分变形却不能消失，即试样不能恢复到原来的尺寸，这种载荷消失后仍继续保留的变形叫塑性变到原来的尺寸，这种载荷消失后仍继续保留的变形叫塑性变
10、形。形。当载荷达到当载荷达到Fs时，拉伸曲线出现了水平或锯齿形线段，这表时，拉伸曲线出现了水平或锯齿形线段，这表明在载荷基本不变的情况下，试样却继续变形，这种现象为明在载荷基本不变的情况下，试样却继续变形，这种现象为“屈服屈服”。引起试样屈服的载荷称为屈服载荷。引起试样屈服的载荷称为屈服载荷。下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能（3）当载荷超过）当载荷超过Fs后，试样的伸长量与载荷以曲线关系上升，后，试样的伸长量与载荷以曲线关系上升，但曲线的斜率比但曲线的斜率比Oe段的斜率小，即载荷的增加量不大，而试段的斜率小，即载荷的增加量不大，而试样的伸长量却很大，这表明在超过样的伸
11、长量却很大，这表明在超过Fs后，试样已开始产生大后，试样已开始产生大量的塑性变形。当载荷继续增加到某一最大值量的塑性变形。当载荷继续增加到某一最大值Fb时，试样的时，试样的局部截面缩小，产生所谓的局部截面缩小，产生所谓的“缩颈缩颈”现象。由于试样局部截现象。由于试样局部截面逐渐缩小，故载荷也逐渐降低，当达到拉伸曲线上面逐渐缩小，故载荷也逐渐降低，当达到拉伸曲线上k点时，点时，试样随即断裂。试样随即断裂。Fb为试样断裂时的载荷。为试样断裂时的载荷。下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能（4）在试样产生缩颈以前，由载荷所引起试样的伸长，基本）在试样产生缩颈以前，由载荷所引起试样
12、的伸长，基本上是在整个试样标距长度内发生的，属于均匀变形；缩颈后，上是在整个试样标距长度内发生的，属于均匀变形；缩颈后，试样的伸长主要发生在颈部的一段长度内，属于集中变形。试样的伸长主要发生在颈部的一段长度内，属于集中变形。下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能3强度指标强度指标强度指标是用应力值来度量的。根据力学原理，试样受到载强度指标是用应力值来度量的。根据力学原理，试样受到载荷作用时，则内部产生大小与载荷相等而方向相反的抗力荷作用时，则内部产生大小与载荷相等而方向相反的抗力（即内力）。单位截面积上的内力，称为应力，用符号（即内力）。单位截面积上的内力，称为应力，用符号
13、表示。表示。从拉伸曲线可得出，有三个载荷值比较重要：一个是弹性变从拉伸曲线可得出，有三个载荷值比较重要：一个是弹性变形范围内的最大载荷形范围内的最大载荷Fe；第二个是最小屈服载荷；第二个是最小屈服载荷Fs；另一个；另一个是最大载荷是最大载荷Fb。通过这三个载荷值，可以得出金属材料的三。通过这三个载荷值，可以得出金属材料的三个主要强度指标。个主要强度指标。下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能（1）弹性极限。是金属材料能保持弹性变形的最大应力，用）弹性极限。是金属材料能保持弹性变形的最大应力，用e表示。表示。e Fe/SO式中式中Fe弹性变形范围内的最大载荷（）；弹性变形范围
14、内的最大载荷（）；SO试样原始横截面积（试样原始横截面积（mm2）。）。下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能（2）屈服强度。是使材料产生屈服现象时的最小应力，用）屈服强度。是使材料产生屈服现象时的最小应力，用s表示。表示。s OS/Fs式中式中Fs使材料产生屈服的最小载荷（）；使材料产生屈服的最小载荷（）；SO试样的原始横截面积（试样的原始横截面积（mm2）。）。下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能对于低塑性材料或脆性材料，由于屈服现象不明显，因此这对于低塑性材料或脆性材料，由于屈服现象不明显，因此这类材料的屈服强度常以产生一定的微量塑性变形（一般用
15、变类材料的屈服强度常以产生一定的微量塑性变形（一般用变形量为试样长度的形量为试样长度的0.2%表示）的应力为屈服强度，用表示）的应力为屈服强度，用0.2表表示，称为条件屈服强度。即示，称为条件屈服强度。即0.2 F2.0/OS式中式中 F0.2塑性变形量为试样长度的塑性变形量为试样长度的0.2时的载荷（）时的载荷（）；SO试样原始横截面积（试样原始横截面积（mm2）。）。下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能（3）抗拉强度。试样断裂前能够承受的最大应力，称为抗拉）抗拉强度。试样断裂前能够承受的最大应力，称为抗拉强度，用强度，用b 表示。表示。b=Fb/OS式中式中Fb试样断
16、裂前所能承受的最大载荷（试样断裂前所能承受的最大载荷（N）；）；SO试样的原始横截面积（试样的原始横截面积（mm2）。）。低碳钢的屈服强度低碳钢的屈服强度s约为约为240MPa，抗拉强度，抗拉强度b约为约为400MPa。下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能工程上所用的金属材料，不仅要具有较高的工程上所用的金属材料，不仅要具有较高的s，而且要具有，而且要具有一定的屈强比（一定的屈强比（s/b）。屈强比越小，结构零件的可靠性越）。屈强比越小，结构零件的可靠性越高，万一超载也能由于塑性变形而使金属的强度提高，不会高，万一超载也能由于塑性变形而使金属的强度提高，不会立即断裂。但如
17、果屈强比太小，材料强度的有效利用率就太立即断裂。但如果屈强比太小，材料强度的有效利用率就太低。低。下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能二、硬度二、硬度硬度是指金属表面抵抗塑性变形和破坏的能力。它是金属材硬度是指金属表面抵抗塑性变形和破坏的能力。它是金属材料的重要性能之一，也是检验机械零件质量的一项重要指标。料的重要性能之一，也是检验机械零件质量的一项重要指标。由于测定硬度的试验设备比较简单，操作方便、迅速，又属由于测定硬度的试验设备比较简单，操作方便、迅速，又属无损检验，故在生产上和科研中应用都十分广泛。无损检验，故在生产上和科研中应用都十分广泛。测定硬度的方法比较多，其
18、中常用的硬度测定法是压入法，测定硬度的方法比较多，其中常用的硬度测定法是压入法，它用一定的静载荷（压力）把压头压在金属表面上，然后通它用一定的静载荷（压力）把压头压在金属表面上，然后通过测定压痕的面积或深度来确定其硬度。常用的压入法有布过测定压痕的面积或深度来确定其硬度。常用的压入法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种。氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种。下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能（一）布氏硬度（一）布氏硬度布氏硬度的测定原理是用一定大小的载荷布氏硬度的测定原理是用一定大小的载荷F，把直径为，把直径为D的淬的淬火钢球或硬质合金球压入被测金属表面，保持一定时间后卸火钢球
19、或硬质合金球压入被测金属表面，保持一定时间后卸除载荷，用金属表面压痕的面积除载荷，用金属表面压痕的面积S除以载荷所得的商。作为布除以载荷所得的商。作为布氏硬度值。如氏硬度值。如图图1-3所示。所示。布氏硬度值布氏硬度值 S/F=式中式中D球体直径（球体直径（mm）；）；F载荷（载荷（N）；）；d压痕平均直径（压痕平均直径（mm）。）。下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能试验时测量出压痕的平均直径试验时测量出压痕的平均直径d，经计算或查表即可得出所测，经计算或查表即可得出所测材料的布氏硬度值。材料的布氏硬度值。布氏硬度的符号是：当压头为淬火钢球时，用布氏硬度的符号是：当压头
20、为淬火钢球时，用HBS表示，适表示，适合于布氏硬度值在合于布氏硬度值在450以下的材料；当压头为硬质合金球时，以下的材料；当压头为硬质合金球时，用用HBW表示，适合于布氏硬度值为表示，适合于布氏硬度值为450650的材料。符号的材料。符号HBS或或HBW之前为硬度值，符号后面按压球直径、载荷及载之前为硬度值，符号后面按压球直径、载荷及载荷保持时间（荷保持时间（1015s不标注）的顺序用数字表示试验条件。不标注）的顺序用数字表示试验条件。下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能例如：例如：150HBS10/10000/30表示用直径为表示用直径为10mm的淬火钢球在的淬火钢球在
21、10000N载荷作用下保持载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为150；500HBW5/7500表示用直径为表示用直径为5mm的硬质合金球在的硬质合金球在7500N载荷载荷作用下保持作用下保持1015s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为500。下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能由于金属材料有硬有软、有厚有薄，如果采用一种标准的载由于金属材料有硬有软、有厚有薄，如果采用一种标准的载荷荷F和压球直径和压球直径D，就会出现：若对硬的材料合适，而对软的，就会出现：若对硬的材料合适，而对软的材料会发生压球陷入金属材料内的现象；若对厚的工件合适，材料会发生压球陷
22、入金属材料内的现象；若对厚的工件合适，而对薄的工作可能发生压穿的现象。因此在生产中进行布氏而对薄的工作可能发生压穿的现象。因此在生产中进行布氏硬度试验时，要求使用大小不同的载荷硬度试验时，要求使用大小不同的载荷F和压球直径和压球直径D，具体，具体情况如情况如表表1-1所列。所列。下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能试验后压痕直径应在试验后压痕直径应在0.25Dd 0.6D的范围内，否则试验结果的范围内，否则试验结果无效，应考虑换用其他载荷重做试验。因为若无效，应考虑换用其他载荷重做试验。因为若d值太小，灵敏值太小，灵敏度和准确性将随之降低，度和准确性将随之降低，d值太大，
23、压痕的几何形状不能保持值太大，压痕的几何形状不能保持相似关系，影响试验结果的准确性。相似关系，影响试验结果的准确性。当试验条件允许时，应尽量选用直径为当试验条件允许时，应尽量选用直径为10mm的球体作压头。的球体作压头。选用的选用的F/D2比值不同时布氏硬度值不能直接比较。比值不同时布氏硬度值不能直接比较。下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能布氏硬度试验的优点是测定的数据准确、稳定，数据重复性布氏硬度试验的优点是测定的数据准确、稳定，数据重复性强，常用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬强，常用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。其缺点是压痕较大，易损
24、坏成品的表面，不能测定太薄度。其缺点是压痕较大，易损坏成品的表面，不能测定太薄的试样硬度。的试样硬度。下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能（二）洛氏硬度（二）洛氏硬度当材料的硬度较高或试样过小时，需要用洛氏硬度计进行硬当材料的硬度较高或试样过小时，需要用洛氏硬度计进行硬度测试。度测试。洛氏硬度试验，是用顶角为洛氏硬度试验，是用顶角为120o的金刚石圆锥或直径为的金刚石圆锥或直径为1.588mm（1/16）的淬火钢球作压头，在初试验力）的淬火钢球作压头，在初试验力F0及总试及总试验力验力F（初试验力（初试验力F0与主试验力与主试验力F1之和）分别作用下压入金属之和）分别作用
25、下压入金属表面，然后卸除主试验力表面，然后卸除主试验力F1，在初试验力，在初试验力F0下测定残余压入下测定残余压入深度，用深度的大小来表示材料的洛氏硬度值，并规定每压深度，用深度的大小来表示材料的洛氏硬度值，并规定每压入入0.002mm为一个硬度单位。为一个硬度单位。下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能洛氏硬度试验原理如洛氏硬度试验原理如图图1-4所示。图中所示。图中0-0为金刚石压头没有和为金刚石压头没有和试样接触时的位置，试样接触时的位置，1-1为压头在初载荷（为压头在初载荷（100N）作用下压入）作用下压入试样试样h1位置；位置；2-2为压头在全部规定载荷（初载荷为
26、压头在全部规定载荷（初载荷+主载荷）主载荷）作用下压入作用下压入h2位置；位置；3-3为卸除主载荷保留初载荷后的位置为卸除主载荷保留初载荷后的位置h3。这样，压痕的深度这样，压痕的深度h=h3-h1，洛氏硬度的计算公式为：，洛氏硬度的计算公式为：洛氏硬度值洛氏硬度值=-C/（002.0h）式中式中h压痕深度；压痕深度；C常数，当压头为淬火钢球时常数，当压头为淬火钢球时C=130，压头为金刚石圆锥时，压头为金刚石圆锥时C=100。材料越硬，材料越硬，h便越小，而所测得的洛氏硬度值越大。便越小，而所测得的洛氏硬度值越大。下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能淬火钢球压头适用于退
27、火件、有色金属等较软材料的硬度测淬火钢球压头适用于退火件、有色金属等较软材料的硬度测定；金刚石压头适用于淬火钢等较硬材料的硬度测定，洛氏定；金刚石压头适用于淬火钢等较硬材料的硬度测定，洛氏硬度所加载荷根据被测材料本身硬度不同而作不同规定，组硬度所加载荷根据被测材料本身硬度不同而作不同规定，组成不同的洛氏硬度标尺，其试验规范见成不同的洛氏硬度标尺，其试验规范见表表1-2。洛氏硬度试验的优点是操作迅速、简便，可从表盘上直接读洛氏硬度试验的优点是操作迅速、简便，可从表盘上直接读出硬度值，不必查表或计算，而且压痕小，可测量较薄工件出硬度值，不必查表或计算，而且压痕小，可测量较薄工件的硬度。其缺点是精确
28、性较差，硬度值重复性差，通常需要的硬度。其缺点是精确性较差，硬度值重复性差，通常需要在材料的不同部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度。在材料的不同部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度。下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能（三）维氏硬度（三）维氏硬度维氏硬度的测定原理基本上和布氏硬度相同，也是以单位压维氏硬度的测定原理基本上和布氏硬度相同，也是以单位压痕面积的力作为硬度值计量。所不同的是所用压头锥面夹角痕面积的力作为硬度值计量。所不同的是所用压头锥面夹角为为136的金刚石正四棱锥体，如的金刚石正四棱锥体，如图图1-5所示。试验时在载荷所示。试验时在载荷F作用下，在试
29、样表面上压出一个正方形锥面压痕，测量压痕作用下，在试样表面上压出一个正方形锥面压痕，测量压痕对角线的平均长度对角线的平均长度d，借以计算压痕的面积，借以计算压痕的面积S，以，以F/S的数值来的数值来表示试样的硬度，用符号表示试样的硬度，用符号HV表示。表示。下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能HV=式中式中F载荷（载荷（N）；）；d压痕对角线的算术平均值（压痕对角线的算术平均值（mm）。）。HV可根据所测得的可根据所测得的d值从维氏硬度表中直接查出。值从维氏硬度表中直接查出。下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能由于维氏硬度所用的压头为正四棱锥，当载荷
30、改变时，压痕由于维氏硬度所用的压头为正四棱锥，当载荷改变时，压痕的几何形状恒相似，所以维氏硬度所用载荷可以随意选择的几何形状恒相似，所以维氏硬度所用载荷可以随意选择（如（如50N、100N、150N、200N等），而所得到的硬度值是一等），而所得到的硬度值是一样的。样的。维氏硬度标注时，在符号维氏硬度标注时，在符号HV前方标出硬度值，在前方标出硬度值，在HV后面按后面按载荷大小和保持载荷时间（载荷大小和保持载荷时间（1015s不标出）的顺序用数字表不标出）的顺序用数字表示试验条件。例如：示试验条件。例如：640HV300表示用表示用300N载荷保持载荷保持1015s测定的维氏硬度为测定的维氏硬
31、度为640；640HV300/20表示用表示用300N载荷保持载荷保持20s测定的维氏硬度值为测定的维氏硬度值为640。下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能维氏硬度可测软、硬金属，尤其是极薄零件和渗碳层、渗氮维氏硬度可测软、硬金属，尤其是极薄零件和渗碳层、渗氮层的硬度，它测得的压痕轮廓清晰，数值较准确。而且不存层的硬度，它测得的压痕轮廓清晰，数值较准确。而且不存在布氏硬度试验那种载荷与压头直径的比例关系的约束，也在布氏硬度试验那种载荷与压头直径的比例关系的约束，也不存在压头变形问题。但是其硬度值需要测量压痕对角线，不存在压头变形问题。但是其硬度值需要测量压痕对角线，然后经
32、计算或查表才能获得，效率不如洛氏硬度试验高，所然后经计算或查表才能获得，效率不如洛氏硬度试验高，所以不宜用于成批零件的常规检验。以不宜用于成批零件的常规检验。布氏、洛氏、维氏三种硬度值没有直接的换算公式，如要换布氏、洛氏、维氏三种硬度值没有直接的换算公式，如要换算，需要查换算表（见算，需要查换算表（见表表1-3）。）。下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能三、塑性三、塑性金属发生塑性变形但不破坏的能力称为塑性。在拉伸时它们金属发生塑性变形但不破坏的能力称为塑性。在拉伸时它们分别为伸长率和断面收缩率。分别为伸长率和断面收缩率。1伸长率伸长率伸长率是指试样拉伸断裂时的绝对伸长量
33、与原始长度比值的伸长率是指试样拉伸断裂时的绝对伸长量与原始长度比值的百分率，用符号百分率，用符号表示表示即：即：式中式中l0试样的原始标距长度（试样的原始标距长度（mm）；）；l1试样拉试样拉断时的标距长度（断时的标距长度（mm）。）。下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能2断面收缩率断面收缩率断面收缩率是指试样拉断后，试样断口处横截面积的缩减量断面收缩率是指试样拉断后，试样断口处横截面积的缩减量与原始横截面积之比值的百分率，用符号与原始横截面积之比值的百分率，用符号表示。即：表示。即：式中式中S0试样原始横截面积（试样原始横截面积（mm2）;S1试样断裂试样断裂处的横截面
34、积（处的横截面积（mm2）。）。必须说明，伸长率的大小与试样的尺寸有关。试样长短不同，必须说明，伸长率的大小与试样的尺寸有关。试样长短不同，测得的伸长率也是不同的。长、短试样的伸长率分别用测得的伸长率也是不同的。长、短试样的伸长率分别用10和和5表示，习惯上，表示，习惯上，10也常写成也常写成。对于同一材料而言，短试样。对于同一材料而言，短试样所得的伸长率（所得的伸长率（5）要比长试样测得的伸长率（）要比长试样测得的伸长率（10）大一些，）大一些，两者不能直接进行比较。两者不能直接进行比较。下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能和和是材料的重要性能指标。它们的数值越大时，材
35、料的塑是材料的重要性能指标。它们的数值越大时，材料的塑性越好。金属材料的塑性好坏，对零件的加工和使用有十分性越好。金属材料的塑性好坏，对零件的加工和使用有十分重要意义。例如，低碳钢的塑性较好，故可以进行压力加工；重要意义。例如，低碳钢的塑性较好，故可以进行压力加工；普通铸铁的塑性差，因而不宜进行压力加工，只能进行铸造。普通铸铁的塑性差，因而不宜进行压力加工，只能进行铸造。同时，由于材料具有一定的塑性，故能够保证材料不致因稍同时，由于材料具有一定的塑性，故能够保证材料不致因稍有超载而突然断裂，这就增加了材料使用的安全可靠性。有超载而突然断裂，这就增加了材料使用的安全可靠性。下一页上一页返回第一节
36、第一节 材料的机械性能材料的机械性能四、冲击韧度四、冲击韧度许多机械零件在工作中，往往要受到冲击载荷的作用，如活许多机械零件在工作中，往往要受到冲击载荷的作用，如活塞销、锤杆、冲模、锻模等零件。制造这些零件的材料，其塞销、锤杆、冲模、锻模等零件。制造这些零件的材料，其性能不能单纯用静载荷作用下的指标来衡量，而必须考虑材性能不能单纯用静载荷作用下的指标来衡量，而必须考虑材料抵抗冲击载荷的能力。冲击载荷是指加载速度很快而作用料抵抗冲击载荷的能力。冲击载荷是指加载速度很快而作用时间很短的突发性载荷。时间很短的突发性载荷。金属抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧度。目前常用金属抵抗冲击载荷而不破坏的能
37、力称为冲击韧度。目前常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定金属材料的韧度，其试验原理一次摆锤冲击弯曲试验来测定金属材料的韧度，其试验原理如如图图1-6所示。所示。下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能试验时，把按规定制作的标准冲击试样的缺口（脆性材料不试验时，把按规定制作的标准冲击试样的缺口（脆性材料不开缺口）背向摆锤方向放在冲击试验机上开缺口）背向摆锤方向放在冲击试验机上图图1-6（a），将摆锤（质量为将摆锤（质量为m）扬起到规定高度）扬起到规定高度H1，然后自由落下，将，然后自由落下，将试样冲断。由于惯性，摆锤冲断试样后会继续上升到某一高试样冲断。由于惯性，摆锤冲断试样后会继续
38、上升到某一高度度H2。根据功能原理可知：摆锤冲断试样所消耗的功。根据功能原理可知：摆锤冲断试样所消耗的功AKV=mg（H1-H2）。）。AKV常叫做冲击吸收功，可从冲击试验机上直接常叫做冲击吸收功，可从冲击试验机上直接读出。冲击韧度值符号读出。冲击韧度值符号KV表示，单位为焦耳表示，单位为焦耳/厘米厘米2（J/cm2）。）。即即 KV=SKV/A下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能试样缺口有试样缺口有U和和V两种，冲击韧度值分别以两种，冲击韧度值分别以KU和和KV表示。表示。KV值越大，材料的冲击韧度越好，断口处则会发生较大的塑值越大，材料的冲击韧度越好，断口处则会发生较
39、大的塑性变形，断口呈灰色纤维状；性变形，断口呈灰色纤维状；KV值越小，材料的冲击韧度越值越小，材料的冲击韧度越差，断口处无明显的塑性变形，断口具有金属光泽而较为平差，断口处无明显的塑性变形，断口具有金属光泽而较为平整。整。一般来说，强度、塑性两者均好的材料，一般来说，强度、塑性两者均好的材料，KV值也高。材料的值也高。材料的冲击韧度除了取决于其化学成份和显微组织外，还与加载速冲击韧度除了取决于其化学成份和显微组织外，还与加载速度、温度、试样的表面质量（如缺口、表面粗糙度等）、材度、温度、试样的表面质量（如缺口、表面粗糙度等）、材料的冶金质量等有关。加载速度越快，温度越低，表面及冶料的冶金质量等
40、有关。加载速度越快，温度越低，表面及冶金质量越差，则金质量越差，则 值越低。值越低。下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能在一次冲断条件下测得的冲击韧度值在一次冲断条件下测得的冲击韧度值KV，对于判别材料抵抗，对于判别材料抵抗大能量冲击能力有一定的意义。而绝大多数机件在工作中所大能量冲击能力有一定的意义。而绝大多数机件在工作中所承受的多是小能量多次冲击，机件在使用过程中承受这种冲承受的多是小能量多次冲击，机件在使用过程中承受这种冲击有上万次或数万次。对于材料承受多次冲击的问题，如果击有上万次或数万次。对于材料承受多次冲击的问题，如果冲击能量低、冲击周次较多时，材料的冲击韧度
41、主要取决于冲击能量低、冲击周次较多时，材料的冲击韧度主要取决于材料的强度，材料的强度高则冲击韧度较好；如果冲击能量材料的强度，材料的强度高则冲击韧度较好；如果冲击能量高时，则主要取决于材料的塑性，材料的塑性越高则冲击韧高时，则主要取决于材料的塑性，材料的塑性越高则冲击韧度较好。因此冲击韧度值度较好。因此冲击韧度值KV一般只作设计和选材的参考。一般只作设计和选材的参考。下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能五、疲劳强度五、疲劳强度有许多机件（如齿轮、弹簧等）是在交变应力（指大小和方有许多机件（如齿轮、弹簧等）是在交变应力（指大小和方向随时间发生周期性变化）下工作的，零件工作时
42、所承受的向随时间发生周期性变化）下工作的，零件工作时所承受的应力通常都低于材料的屈服强度。机件在这种交变载荷作用应力通常都低于材料的屈服强度。机件在这种交变载荷作用下经过长时间工作也会发生破坏，通常这种破坏现象叫金属下经过长时间工作也会发生破坏，通常这种破坏现象叫金属的疲劳。的疲劳。金属的疲劳是在交变载荷作用下，经过一定的循环周次之后金属的疲劳是在交变载荷作用下，经过一定的循环周次之后出现的。出现的。图图1-7是某材料的疲劳曲线，横坐标表示循环周次，是某材料的疲劳曲线，横坐标表示循环周次，纵坐标表示交变应力。纵坐标表示交变应力。下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能从该曲线
43、可以看出，材料承受的交变应力越大，疲劳破坏前从该曲线可以看出，材料承受的交变应力越大，疲劳破坏前能循环工作的周次越少；当循环交变应力减少到某一数值时，能循环工作的周次越少；当循环交变应力减少到某一数值时，曲线接近水平，即表示当应力低于此值时，材料可经受无数曲线接近水平，即表示当应力低于此值时，材料可经受无数次应力循环而不被破坏。把材料在无数次交变载荷作用下而次应力循环而不被破坏。把材料在无数次交变载荷作用下而不被破坏的最大应力值称为疲劳强度。通常光滑试样在对称不被破坏的最大应力值称为疲劳强度。通常光滑试样在对称弯曲循环载荷作用下的疲劳强度用弯曲循环载荷作用下的疲劳强度用-1表示。对钢材来说，当
44、表示。对钢材来说，当循环次数循环次数N达到达到107周次时，曲线便出现水平线，所以把经受周次时，曲线便出现水平线，所以把经受107周次或更多周次而不破坏的最大应力定为疲劳强度。对于周次或更多周次而不破坏的最大应力定为疲劳强度。对于有色金属，一般则需规定应力循环次数在有色金属，一般则需规定应力循环次数在108或更多周次，才或更多周次，才能确定其疲劳强度。能确定其疲劳强度。下一页上一页返回第一节第一节 材料的机械性能材料的机械性能影响疲劳强度的因素很多，其中主要有循环应力、温度、材影响疲劳强度的因素很多，其中主要有循环应力、温度、材料的化学成份及显微组织、表面质量和残余应力等。料的化学成份及显微组
45、织、表面质量和残余应力等。应该注意，上述力学性能指标，都是用小尺寸的光滑试样或应该注意，上述力学性能指标，都是用小尺寸的光滑试样或标准试样，在规定性质的载荷作用下测得的。实践证明，它标准试样，在规定性质的载荷作用下测得的。实践证明，它们不能直接代表材料制成零件后的性能。因为实际零件尺寸们不能直接代表材料制成零件后的性能。因为实际零件尺寸往往很大，尺寸增大后，材料中出现的缺陷（如孔洞、夹杂往往很大，尺寸增大后，材料中出现的缺陷（如孔洞、夹杂物、表面损伤等）的可能性也越大。而且零件在实际工作中物、表面损伤等）的可能性也越大。而且零件在实际工作中所受的载荷往往是复杂的，零件的形状、表面粗糙度值等也所
46、受的载荷往往是复杂的，零件的形状、表面粗糙度值等也与试样差异很大。这些将在以后课程中讨论。与试样差异很大。这些将在以后课程中讨论。上一页返回第二节第二节 材料的物理、化学性能材料的物理、化学性能一、物理性能一、物理性能材料的物理性能主要有密度、熔点、导热性、导电性、热膨材料的物理性能主要有密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和电磁性，这些都是材料的固有属性，不同用途的机械胀性和电磁性，这些都是材料的固有属性，不同用途的机械零件，对其物理性能的要求也各不相同。零件，对其物理性能的要求也各不相同。1密度密度单位体积某种物质的质量称为该物质的密度，用单位体积某种物质的质量称为该物质的密度，用表示。常
47、用表示。常用金属的密度见金属的密度见表表1-4。下一页返回第二节第二节 材料的物理、化学性能材料的物理、化学性能由表可知，不同材料的密度不同。对于金属材料，按照密度由表可知，不同材料的密度不同。对于金属材料，按照密度的大小可分为轻金属和重金属。一般情况下，密度小于的大小可分为轻金属和重金属。一般情况下，密度小于5g/cm。的金属称为轻金属，如铝、镁、钛及其合金；而密。的金属称为轻金属，如铝、镁、钛及其合金；而密度大于度大于5g/cm的金属称为重金属，如铁、铅、钨等。而非金的金属称为重金属，如铁、铅、钨等。而非金属材料的密度相对较小，例如，陶瓷的密度为属材料的密度相对较小，例如，陶瓷的密度为2.
48、22.5g/cm。各种塑料的密度更小，一般都在各种塑料的密度更小，一般都在1.01.5g/cm。实际生产中，。实际生产中，一些零部件的选材必须考虑材料的密度，如汽车发动机中要一些零部件的选材必须考虑材料的密度，如汽车发动机中要求采用质量轻、运动时惯性小的活塞，多采用低密度的铝合求采用质量轻、运动时惯性小的活塞，多采用低密度的铝合金制成。在航空领域中，密度更是选用材料的关键性能之一。金制成。在航空领域中，密度更是选用材料的关键性能之一。下一页上一页返回第二节第二节 材料的物理、化学性能材料的物理、化学性能2熔点熔点熔点是指材料的熔化温度，它是制订冶炼、铸造、锻造和焊熔点是指材料的熔化温度，它是制
49、订冶炼、铸造、锻造和焊接等热加工工艺规范的一个重要的参数。纯金属都具有固定接等热加工工艺规范的一个重要的参数。纯金属都具有固定的熔点。按照熔点的高低，可以将金属分为难熔金属（熔点的熔点。按照熔点的高低，可以将金属分为难熔金属（熔点高于高于700的金属）和易熔金属（熔点低于的金属）和易熔金属（熔点低于700）。工业上）。工业上常用的防火安全阀及熔断器等零件，使用低熔点的易熔金属。常用的防火安全阀及熔断器等零件，使用低熔点的易熔金属。而工业高温炉、火箭、导弹、燃气轮机、喷气飞机等某些零而工业高温炉、火箭、导弹、燃气轮机、喷气飞机等某些零部件，却必须使用耐高温的难熔金属。陶瓷的熔点一般都显部件，却必
50、须使用耐高温的难熔金属。陶瓷的熔点一般都显著高于金属及合金的熔点，而高分子材料、复合材料一般不著高于金属及合金的熔点，而高分子材料、复合材料一般不是完全晶体，所以没有固定的熔点。是完全晶体，所以没有固定的熔点。下一页上一页返回第二节第二节 材料的物理、化学性能材料的物理、化学性能3导热性导热性 材料传导热量的性能称为导热性，用热导率（也称导热系数）材料传导热量的性能称为导热性，用热导率（也称导热系数）表示，见表表示，见表1-4。导热性好的材料（如铜、铝及其合金）常。导热性好的材料（如铜、铝及其合金）常用来制造热交换器等传热设备的零部件。导热性差的材料用来制造热交换器等传热设备的零部件。导热性差
