【正文】 材料的使用性能 圖 12 應(yīng)力 應(yīng)變曲線 a)彈性比功 b)滯彈性行為 第一章 材料的使用性能 ? 四、塑性 ? ：材料在外力作用下產(chǎn)生不可逆永久變形而不破壞的能力。 ? ? ①斷后伸長率：試樣拉斷后標(biāo)距伸長量與原始標(biāo)距的百分比。 ? ? ②斷面收縮率：試樣拉斷處橫截面積的縮減量與原始橫截面積的比值。 ? 材料的塑性指標(biāo)是結(jié)構(gòu)敏感性參數(shù)。 ? （學(xué)生自學(xué)） 00l llK ???00A AA k???第一章 材料的使用性能 ? 五、硬度。是材料對一更硬物體壓入其內(nèi)時(shí)所表現(xiàn)的抵抗能力。常采用壓痕深度或壓痕單位面積所承受的載荷值作為硬度值高低的指標(biāo)。常用的檢測硬度方法有布氏硬度、洛氏硬度及維氏硬度。硬度值反映材料軟硬程度，它表示材料局部區(qū)域內(nèi)抵抗變形或破壞的能力，是表征材料性能的一個(gè)綜合參量。 ? 硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)：在實(shí)際的機(jī)械設(shè)計(jì)中，往往明確標(biāo)出硬度的指標(biāo)要求。其原因在于：硬度試驗(yàn)設(shè)備簡單，操作迅速方便；試驗(yàn)時(shí)可以在零件上直接進(jìn)行而不破壞零件，并且零件的尺寸不受限制，不需要加工專門的試樣；可以按照硬度的數(shù)值對強(qiáng)度進(jìn)行估計(jì)，從而使復(fù)雜的拉伸試驗(yàn)得以免去；硬度可以反映材料的工藝性能如塑性加工性能、切削加工性能和焊接性能等；可以敏感地反映材料成分和組織的變化，從而用來檢驗(yàn)原材料控制冷熱加工質(zhì)量。某些脆性較大的材料，只能通過檢測硬度來進(jìn)行評價(jià)。硬度值與強(qiáng)度極限、屈服極限存在的內(nèi)在聯(lián)系。 ? 測定硬度的方法有壓痕法和刻劃法兩類，前者應(yīng)用廣泛。 第一章 材料的使用性能 ? （ HB） ? 一定直徑的球體 (鋼球或硬質(zhì)合金球 )在一定載荷作用下壓入試樣表面，保持一定時(shí)間后卸除載荷，測量其壓痕直徑 , 計(jì)算硬度值。 布氏硬度值用球面壓痕單位表面積上所承受的平均壓力來表示。用符號 HBS(當(dāng)用鋼球壓頭時(shí)，適用于 450HBS以下材料 )或HBW(當(dāng)用硬質(zhì)合金球時(shí)，適用于 450~650HBW材料 )來表示。其原理如圖補(bǔ)充 14所示。通?？捎?HB來表示。 ? 圖補(bǔ)充 14 布氏硬度試驗(yàn)原理圖 第一章 材料的使用性能 ? ? 將金剛石壓頭 (或鋼球壓頭 ), 在先后施加兩個(gè)載荷 (預(yù)載荷 F0和總載荷 F)的作用下壓入金屬表面?？傒d荷 F為預(yù)載荷 F0和主載荷F1之和。卸去主載荷 F1后 , 測量其殘余壓入深度 h, 用 h與 h0之差△ h來計(jì)算洛氏硬度值?！?h 越大 , 表示材料硬度越低 , 實(shí)際測量時(shí)硬度可直接從洛氏硬度計(jì)表盤上讀得。根據(jù)壓頭的種類和總載荷的大小洛氏硬度常用的表示方式有 HRA、 HRB、 HRC三種。落實(shí)硬度的檢測原理如圖補(bǔ)充 15所示。 圖補(bǔ)充 15洛氏硬度檢測原理 第一章 材料的使用性能 ? （自學(xué)） 第一章 材料的使用性能 ? 六、韌性 ? 韌性：材料在塑性變形和斷裂前吸收變形能量的能力，是材料的強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)。 ? 材料韌性的大小決定了材料斷裂的方式 延性斷裂（韌性斷裂）或脆性斷裂。 ? 延性斷裂（ ductile fracture）：伴隨明顯塑性變形而形成延性斷口（斷裂面與拉應(yīng)力垂直或傾斜，其上具有細(xì)小的凹凸，呈纖維狀）的斷裂。延性斷裂一般包括純剪切變形斷裂、韌窩斷裂、蠕變斷裂等。 ? 脆性斷裂（ brittle fracture）： 金屬材料受力后沒有發(fā)生明顯的塑性變形就突然發(fā)生的斷裂。構(gòu)件未經(jīng)明顯的變形而發(fā)生的斷裂。斷裂時(shí)材料幾乎沒有發(fā)生過塑性變形。如桿件 脆斷 時(shí)沒有明顯的伸長或彎曲，更無縮頸，容器破裂時(shí)沒有直徑的增大及壁厚的減薄。脆斷的構(gòu)件常形成碎片。材料的脆性是引起構(gòu)件脆斷的重要原因。 ? 脆性斷裂的危害更大。 第一章 材料的使用性能 ? （一）沖擊韌性（度）： ? ：材料在沖擊加載下吸收塑性變形功和斷裂功的能力。 ? 許多機(jī)械零件和工具在工作中 , 往往要受到?jīng)_擊載荷的作用 , 如活塞銷、錘桿、沖模和鍛模等。常用一次擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)來測定。測得試樣沖擊吸收功，用符號表示 。用沖擊吸收功除以試樣缺口處截面積 S0 , 即得到材料的沖擊韌度 ak。其檢測原理如圖補(bǔ)充 1 18所示。 ? kA0/ SAkk ??)( hHmgA k ??圖補(bǔ)充 17 夏比沖擊試樣 圖補(bǔ)充 18 沖擊試驗(yàn)原理 第一章 材料的使用性能 ? ? （ 1）反應(yīng)了材料的冶金質(zhì)量。 ? （ 2）反應(yīng)了材料對一次或少數(shù)次大能量沖擊的抵抗能力。 ? （ 3）反應(yīng)了材料的冷脆性?？梢园l(fā)現(xiàn)韌脆轉(zhuǎn)變溫度 TK。 ? ? 過分強(qiáng)調(diào)韌性指標(biāo)，會(huì)犧牲強(qiáng)度 ? 指標(biāo)。從而使材料的強(qiáng)度潛力無法發(fā) ? 揮。 ? 在多數(shù)場合下，材料所受的沖擊 ? 力，往往并不是大能量一次或少數(shù)次 ? 沖擊，而是小能量多次沖擊。實(shí)驗(yàn)表 ? 明。對于高強(qiáng)度低韌性 /低強(qiáng)度高韌性 ? 材料比較時(shí)，在不同形式的外力作用 圖 13 三類不同冷脆傾向的材料： 1—面心立方金屬 2—中低強(qiáng)度體心立方金屬 3—高強(qiáng)度材料 第一章 材料的使用性能 ? 下，其結(jié)果并不相同。具體如圖 14所示。 ? 與同學(xué)一起討論圖 14，從而得出：在大 ? 能量沖擊的時(shí)候，低強(qiáng)度高韌性材料可以 ? 承受更多次數(shù)的沖擊；在小能量沖擊的時(shí) ? 候，高強(qiáng)度低韌性材料表現(xiàn)較優(yōu)。但是二 ? 者存在一個(gè)交叉點(diǎn)。 ? 另外，在材料的沖擊韌性對多沖抗力的影 ? 響與強(qiáng)度水平有關(guān)。在中低強(qiáng)度范圍內(nèi)， ? 提高沖擊韌性意義不大；只有在高強(qiáng)度范 ? 圍內(nèi)，提高沖擊韌性才有意義。 ? （二）斷裂韌性（度） ? ：用來表征材料抵抗裂紋擴(kuò)展失穩(wěn)能力的指標(biāo)。 ? 低應(yīng)力脆斷：材料在工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于其屈服應(yīng)力的情況下斷裂。 圖 14 不同材料多沖抗力 1— 高強(qiáng)度低韌性材料 2— 低強(qiáng)度高韌性材料 ? ? （ 1）零件的斷裂，尤其是脆性斷裂，危害非常大。為了防止材料發(fā)生斷裂，往往要求零件在工作時(shí)所受到的最大工作應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力。 ? 材料的許用應(yīng)力計(jì)算方法如下： ? n安全系數(shù)。 為許用應(yīng)力。 ? （ 2）材料中存在著先天的或后天產(chǎn)生的微小裂紋，這些裂紋可能是金屬在冶煉過程中存在的成分偏析（成分偏析導(dǎo)致局部應(yīng)力的不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，產(chǎn)生微裂紋）等原因?qū)е碌牧鸭y，也包括后天加工過程中產(chǎn)生的裂紋，如焊接裂紋、鍛造裂紋等，也可能是使用過程中產(chǎn)生的裂紋，如疲勞裂紋等。這就要求使用新的指標(biāo)來評價(jià)抵抗脆性斷裂的能力，這個(gè)指標(biāo)，稱為斷裂韌度。 ? 裂紋可能以三種方式擴(kuò)展：張開型、滑開型、撕開型。 n/][ ?? ?][?第一章 材料的使用性能 ? 如圖補(bǔ)充 19所示，當(dāng)材料內(nèi)部存在長度為 2a的裂紋是，在裂紋尖端處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致該處的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工件所受到的名義工作應(yīng)力。嚴(yán)重時(shí)，將導(dǎo)致低應(yīng)力脆斷。其根本原因在于裂紋的擴(kuò)展。 ? ? 衡量裂紋尖端處應(yīng)力場強(qiáng)弱的參數(shù)為應(yīng)力場強(qiáng)度因子 KⅠ 。 ? 式中， Y是幾何形狀因子。 2/1aYKⅠ ??圖補(bǔ)充 19無裂紋與含裂紋試樣的應(yīng)力線 第一章 材料的使用性能 第一章 材料的使用性能 ? KⅠ 的值越大，表明裂紋尖端的應(yīng)力場越強(qiáng)。當(dāng)其達(dá)到某一個(gè)臨界值 KⅠ C時(shí)，零件內(nèi)部的裂紋會(huì)發(fā)生快速失穩(wěn)而擴(kuò)展，導(dǎo)致脆性斷裂。該指標(biāo)是材料成分和組織結(jié)構(gòu)極為敏感的力學(xué)性能指標(biāo)，可以通過許多方法來改變。一般而言，金屬的臨界值較高，復(fù)合材料次之，高分子及陶瓷材料最小。 ? 由該公式可知，當(dāng) ? 時(shí)，會(huì)發(fā)生裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展。 ? （ 3）應(yīng)用意義 ? ①給定工作應(yīng)力與裂紋長度，預(yù)測 KⅠ C值，確定材料。 ? ②根據(jù)選定材料的 KⅠ C值以及探測到的裂紋長度，確定應(yīng)力。 ? ③估計(jì)裂紋臨界長度。 cⅠⅠ KaYK ?? 2/1?第一章 材料的使用性能 ? 七、疲勞性能 ? ：零件在遠(yuǎn)離該材料屈服極限為低的交變載荷長時(shí)間作用下，在沒有明顯塑性變形征兆下所發(fā)生的一種破壞方式。斷口呈現(xiàn)疲勞區(qū)和粗晶粒區(qū)。 ? 交變載荷：也稱循環(huán)應(yīng)力。其大小、方向均隨時(shí)間呈周期性變化。 ? 交變載荷的描述參數(shù)： ? 抗疲勞試驗(yàn)：以 為縱坐標(biāo)，循環(huán)次數(shù)為橫坐標(biāo)，記錄達(dá)到破斷時(shí)的試驗(yàn)次數(shù) N，作出 SN曲線。如圖補(bǔ)充 1 11所示。 ? 疲勞斷裂屬低應(yīng)力脆斷，危害性大。 應(yīng)力比。平均應(yīng)力；應(yīng)力幅值；最小應(yīng)力；最大應(yīng)力；??????????m a xm i nm i nm a xm i nm a xm i nm a x22??????????Rma：不對稱拉伸循環(huán)。：周期拉伸循環(huán)；：周期拉伸循環(huán)；：拉壓應(yīng)力對稱；0,00,00,0,1,0m i nm i nm i n??????????RRRRamm??????a?第一章 材料的使用性能 圖補(bǔ)充 110常見的循環(huán)應(yīng)力 圖補(bǔ)充 111典型的 SN曲線 第一章 材料的使用性能 ? ? 疲勞由三個(gè)基本過程組成：裂紋萌生、擴(kuò)展、斷裂。 ? 與學(xué)生討論三個(gè)階段的過程。指出萌生點(diǎn)、擴(kuò)展原因及失穩(wěn)條件。結(jié)合圖 15進(jìn)行講解。 ? ? （ 1）疲勞強(qiáng)度是指 材料 在無限多次交變 ? 載荷作用下而不破壞的最大應(yīng)力稱為疲勞 ? 強(qiáng)度或疲勞極限。實(shí)際上，材料并不可能 ? 作無限多次交變載荷試驗(yàn)。一般試驗(yàn)時(shí)規(guī) ? 定，鋼在經(jīng)受 10ˇ7次、非鐵（有色）金屬 ? 材料經(jīng)受 10ˇ8次交變載荷作用時(shí)不產(chǎn)生斷 ? 裂時(shí)的最大應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度。當(dāng)施加的 ? 交變應(yīng)力 是對稱循環(huán)應(yīng)力時(shí)，所得的疲勞 ? 強(qiáng)度用 σ–1表示。注意， R=1。 圖 15 疲勞斷口示意圖 1— 裂紋源 2— 裂紋擴(kuò)展區(qū) 3— 最后斷裂區(qū) 第一章 材料的使用性能 ? （ 2）高周疲勞：當(dāng)零件所受到的工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度時(shí)，主要發(fā)生彈性應(yīng)變，斷裂前的載荷循環(huán)次數(shù) N較高，稱為應(yīng)力疲勞或高周疲勞。其疲勞抗力取決于強(qiáng)度。 ? （ 3）低周疲勞：如果零件所受的工作應(yīng)力接近或略超過其屈服強(qiáng)度，則發(fā)生的應(yīng)變?yōu)閺椥詰?yīng)變與塑性應(yīng)變之和，斷裂前載荷循環(huán)次數(shù) N較低。 ? ? （ 1）材料本質(zhì)。 ? （ 2）零件表面強(qiáng)化處理。 ? （ 3）零件表面狀況。 ? （ 4）載荷類型。 ? （ 5）工作溫度。 ? （ 6）腐蝕介質(zhì)。 ? 八、耐磨性（組織學(xué)生自學(xué)） 第一章 材料的使用性能 ? 第二節(jié) 物理性能（自學(xué)） ? 第三節(jié)化學(xué)性能 ? 腐蝕：材料表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)反應(yīng)或物理溶解而引起的表面損傷現(xiàn)象。 ? ：材料與周圍介質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但反應(yīng)過程中不產(chǎn)生電流的腐蝕過程。如氧化等。 ? 化學(xué)腐蝕的典型事例見表 15。 ? 表 15 某些化學(xué)腐蝕示例 第一章 材料的使用性能 ? ：材料與電解質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并且伴有電流產(chǎn)生的腐蝕過程。一般發(fā)生在金屬表面。 ? 反應(yīng)條件：不同金屬之間或同一金屬不同部位之間存在電位差，他們之間相互接觸并處于相互連通的電解質(zhì)中構(gòu)成原電池。電極電位低者為陽極，失去電子變?yōu)殡x子不斷溶入電解質(zhì)溶液中；電極電位高者為陰極，發(fā)生析氫過程或沉積金屬。不同金屬的電極電位差見表 16。 表 1?? 6 主要金屬的標(biāo)準(zhǔn)電極電位 第一章 材料的使用性能 ? （ 1）提高零件耐化學(xué)腐蝕性 (主要指抗氧化性 )的措施有： ①選擇抗氧化材料如耐熱鋼、耐熱鑄鐵、耐熱合金、陶瓷材料等，如發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥采用 4Cr9Si2耐熱鋼制造； ②表面處理如表面鍍層、表面涂層 (熱噴涂鋁、陶瓷等 )，如工業(yè)加熱爐的爐底輥采用噴涂 ZrO2陶瓷涂層，可耐 900℃ 以上的高溫氧化。 （ 2）提高耐電化學(xué)腐蝕的措施有： ①選擇耐蝕材料如不銹鋼、銅合金、陶瓷材料、高分子材料等； ②表面處理如鍍層 (Ni、 Cr