工程材料的性能包括使用性能和工艺性能使用性能是指材料
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工程材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能是指材料在使用条件下表现出来的性能如力学性能、物理性能和化学性能；工艺性能是指材料在加工过程中反映出的性能如切削加工性能、铸造性能、塑性加工性能、焊接性能和热处理性能等。其具体的分类如下： 密度、熔点、磁性、导电导热性、热膨胀性等 室温下抵抗各种化学作用的性能 高温下抵抗各种化学作用的性能 强度、硬度、塑性和韧性等 使用性能 工艺性能 材料的性能 一、 强度、刚度、塑性、硬度 材料在静载荷的作用下所表现出的各种性能称为静态力学性能。材料的静态力学性能可以通过静载试验确定，该试验可以确定材料在静载荷作用下的变形（弹性变形、塑性变形）和断裂行为，这些数据广泛应用于结构载荷机件的强度和刚度设计中，也是材料加工工艺有关材料变形行为的重要资料。在生产金属材料的工厂，静载试验是检验材料质量的基本手段之一。此外，科学工作者也能够从材料的变形和断裂行为的分析中得到很多有关材料性能的重要资料，这些资料对于研究和改善材料的组织与性能十分必要。 一、拉伸试验 拉伸试验是工业上应用最广泛的金属力学性能试验方法之一。这种试验方法的特点是温度、应力状态和加载速率是确定的，并且常用标准的光滑圆柱试样进行试验。通过拉伸试验可以揭示材料在静载荷作用下常见的三种失效形式，即弹性变形、塑性变形和断裂。还可以标定出材料最基本的力学性能指标，如屈服强度σ0.2、抗拉强度σb、断后伸长率δ和断面收缩率ψ。 1、拉伸试验曲线 拉伸试验曲线有以下几种表示方法： （1）载荷－伸长曲线（P-ΔL） 这是拉伸试验机的记录器在试验过程中直接描画出的曲线。P是载荷的大小，ΔL指试样标距长度L0受力后的伸长量。 （2）工程应力－应变曲线（σ－ε曲线） 令F0为试样原有的横截面面积，则拉伸应力σ＝P / F0，拉伸应变ε＝ΔL / L0。以σ－ε为坐标作图得到的曲线就是工程应力－应变曲线，它和P-ΔL曲线形状相似，仅在尺寸比例上有一些差异。图2－1为低碳钢的拉伸曲线。由图可见，低碳钢在拉伸过程中，可分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。 （3）真应力－应变曲线（S－e曲线） 指试样在受载过程中任一瞬间的真应力（S = P / F）和真应变（e = ln L / L0）之间的关系曲线。 图2-1 低碳钢的工程应力－应变曲线 2、弹性和刚度 （1）弹性：当外加应力σ小于σe（如图2－1）时，试样的变形能在卸载后（σ＝0）立即消失，即试样恢复原状，这种不产生永久变形的性能称为弹性。σe为不产生永久变形的最大应力，称为弹性极限。 （2）刚度：在弹性范围内，应力与应变成正比，即σ＝Eε，或E＝σ/ε，比例常数E称为弹性模量，它是衡量材料抵抗弹性变形能力的指标，亦称为刚度。它是一个对组织不敏感的参数，主要取决于材料本身，与合金化、热处理、冷热加工等关系不大。 3、强度 强度是指在外力作用下材料抵抗变形和断裂的能力，是材料最重要、最基本的力学性能指标之一。 （1）屈服点与屈服强度 屈服点σs与屈服强度σ0.2是材料开始产生明显塑性变形时的最低应力值，即 σs＝ Fs / A0 （2－1） 式中：Fs 屈服载荷 ； A0 试样的原始横截面积。 工业上使用的某些金属材料（如高碳钢和一些经热处理后的钢等），在拉伸试验中没有明显的屈服现象发生，故无法确定其屈服点。按GB228-87规定，屈服强度为试样标距部分产生0.2%残余伸长时的应力值，即 σ0.2 ＝ F0.2 / A0 （2－2） 式中：F0.2 试样标距产生0.2%残余伸长时的载荷；A0 试样的原始横截面积。 通常，机械零件不仅是在破断时形成失效，而往往是在发生少量塑性变形后，零件精度降低而形成了失效。所以，屈服点或屈服强度是零件设计时的主要依据，同时也是评定金属材料强度的重要指标之一。 （2）抗拉强度 抗拉强度σb是材料在破断前所承受的最大应力值，即 σb ＝ Fb / A0 （2－3） 式中：Fb 试样在破断前所承受的最大载荷； A0 试样的原始横截面积。 抗拉强度是零件设计时的重要依据，同时也是评定金属材料强度的重要指标之一。 4、塑性 塑性是指材料在静载荷作用下，产生塑性变形而不破坏的能力。伸长率δ和断面收缩率ψ是表示材料塑性好坏的指标。 （1）伸长率 伸长率是指试样拉断后标距增长量与原始标距之比，即 δ ＝ （Lk─L0）/ L0 × 100% （2－4） 式中：Lk 试样断裂后的标距；L0 试样原始标距。 （2）断面收缩率 断面收缩率是指试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积之比，即 ψ ＝ （A0─Ak）/ A0 × 100% 式中：Ak 试样断裂处的最小横截面积； A0 试样的原始横截面积。 虽然塑性指标通常不直接用于工程设计计算，但任何零件都要求材料具有一定的塑性。因为零件使用过程中，偶然过载时，由于能产生一定的塑性变形而不至于突然脆断。同时，塑性变形还有缓和应力集中、削减应力峰的作用，在一定程度上保证了零件的工作安全。此外，各种成型加工都要求材料具有一定的塑性。 二、硬度 硬度是衡量材料软硬程度的指标。目前工程上，测定硬度最常用的方法是压入法，该方法所表示的硬度是指材料表面抵抗硬物压入的能力。 硬度试验设备简单，操作迅速方便，又可以直接在零件或工具上进行试验而不破坏工件，并且还可以根据硬度值估计材料的近似抗拉强度和耐磨性。此外，硬度与材料的冷成型性、切削加工性、可焊性等工艺性能间也存在着一定的联系，可作为选择加工工艺时的参考。由于以上原因，所以硬度试验在实际生产中作为产品质量检查、制定合理加工工艺的最常用的重要试验方法。在产品设计图样的技术条件中，硬度也是一项主要技术指标。 测定硬度的方法很多，生产中应用较多的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等试验方法。 1、布氏硬度 布氏硬度试验通常是以一定的压力F，将直径为D的淬火钢球或硬质合金球压入被测材料的表层，经过规定的保持载荷时间后，卸除载荷，即得到一直径为d的压痕，见图2-2。载荷除以压痕表面积所得之值即为布氏硬度，以HB表示。单位为MPa，但习惯上不标出。用钢球为压头所测出的硬度值以HBS表示；以硬质合金球为压头所测得的硬度值以HBW表示，HBS和HBW前面的数字代表其硬度值。HBS适用于测量退火、正火、调质钢及铸铁、有色合金等硬度小于450HB的较软金属；HBW适用于测量硬度值在650HB以下的材料。 布氏硬度试验的优点是测定结果较准确，不足之处是压痕大，不适合成品检验。 2、洛氏硬度 洛氏硬度试验是以一定的压力将一特定形态的压头压入被测材料的表面，如图2-3所示。根据压痕的深度来测量材料的软硬，压痕愈深，硬度愈低，反之硬度愈高。被测材料的硬度可直接在硬度计刻度盘上读出。 表2-1 常用洛氏硬度的试验条件和应用 总载荷 硬度符号 压头类型 / kg 硬质合金、表面淬火HRA 120°金刚石圆锥 Ф1/16inch淬火钢HRB 球 HRC 按压头和载荷不同，洛氏硬度分为HRA、HRB和HRC三种类型，如表2-1所示。 洛氏硬度测量简单易行，压痕小，既可以测量成品和零件的硬度，也可以检测较薄工件或表面较薄硬化层的硬度。三种洛氏硬度中，以HRC应用最多。 3、维氏硬度 120°金刚石圆锥 150 100 100HRB 20～67HRC 金 淬火钢件 60 70HRA以上 钢 25～软钢、退火钢、铜合测量范围 应用举例 维氏硬度的测定原理与布氏硬度基本相同，不同之处在于压头采用锥面夹角为136°的金刚石正四棱锥体，压痕为正四方锥形，如图2-4所示。维氏硬度用HV表示，单位为MPa。 由于维氏硬度所用载荷小，压痕浅，故特别适用于测量零件表面的薄硬化层、镀层及薄片材料的硬度。此外，载荷可调范围大，对软硬材料均适用。其缺点是硬度的测定较麻烦，工作效率不如测洛氏硬度高。 图2-2 布氏硬度试验原理图 图2-3洛氏硬度试验原理图 图2-4维氏硬度试验原理图 二、 冲击韧性、疲劳强度、断裂韧度 材料在动载荷的作用下所表现出的各种性能称为动态力学性能。动载荷主要是指加载速度较快，材料的塑性变形速度也较快的冲击载荷和作用力大小与方向作周期性变化的交变载荷。在这类载荷作用下，材料强度和塑性都表现出下降的现象，而且难以像静载荷那样测出外力与变形的关系曲线。所以，其力学性能指标必须从另一角度来定义。材料的动态力学性能指标主要有冲击韧度、疲劳强度和耐磨性等三种。 一、冲击韧度 冲击载荷是以很大速度作用于工件上的载荷。许多零件和工具在工作过程中，往往受到冲击载荷的作用，如冲床的冲头、锻锤的锤杆、内燃机的活塞销与连杆、风动工具等。由于冲击载荷的加载速度高，作用时间短，使金属在受冲击时，应力分布与变形很不均匀。故对承受冲击载荷的零件来说，仅具有足够的静载荷强度指标是不够的，必须还具有抵抗冲击载荷的能力。 1、韧性的定义 韧性是指零件在工作状态承受载荷的作用下，对所引起的塑性变形和断裂的抵抗程度。它是强度和塑性的综合表现。 2、冲击韧度的定义 冲击韧度（αk）是指材料抵抗冲击载荷的能力。以单位面积承受的冲击吸收功来衡量，即 αk ＝ Ak / A0 （2－5） 式中：Ak 试样所承受的冲击吸收功，（J）； A0 试样断口处的原始横截面积（cm2）。 3、冲击韧度的测试原理与方法 材料的冲击韧度是在摆锤式冲击试验机上测得的，见图2-5。冲击试验标准试样是10mm×10mm×55mm。可分为无缺口、V型缺口和U型缺口三种。 图2-5 摆锤式冲击试验示意图 材料的冲击韧度除了取决于材料本身之外，还与环境温度及缺口的状况密切相关。所以，冲击韧度除了用来表征材料的韧性大小外，还用来测量金属材料随环境温度下降由塑性状态转变为脆性状态的韧脆转变温度。也用来考察材料对缺口的敏感性。 4、多冲抗力 在生产中，冲击载荷下工作的零件，往往是经受千万次小能量冲击而破坏的，很少是受大能量一次性冲击破坏的，因此应进行多次冲击试验以确定其多次冲击抗力。 二、疲劳强度 工程中有许多零件，如发动机曲轴、齿轮、弹簧及滚动轴承等都是在交变应力或重复应力作用下工作的。在这种情况下，零件往往在工作应力低于其屈服强度的条件下发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。疲劳断裂都是突然发生的，事先均无明显的塑性变形预兆，很难事先觉察到，也属于低应力脆断，故具有很大的危险性。 1、疲劳强度 疲劳强度是用来表示材料抵抗交变应力的能力。常用σγ表示，其下脚标γ为应力循环对称因素。 γ = σmin / σmax （2－6） 式中：σmin 是交变循环应力中的最小应力值； σmax是交变循环应力中的最大应力值。 对于对称循环交变应力，γ =－1，这种情况下材料的疲劳代号为σ-1。 2、疲劳强度的测量 材料的疲劳强度是在疲劳试验机上测定的。试验规定，钢在经受106~107次，有色金属107~108次交变应力循环作用而不发生断裂的最大应力为材料的疲劳强度。 金属材料的疲劳强度通常都小于屈服点，这说明材料抵抗交变应力比抵抗静应力的能力低。材料的疲劳强度值虽然取决于材料本身的组织结构状态，但也随试样表面粗糙度和张应力的增加而下降。疲劳强度对缺口也很敏感。为提高零件的疲劳强度，除改善内部组织和外部结构形状避免应力集中外，还可以通过降低零件表面粗糙度和采取表面强化方法如表面淬火、喷丸处理、表面滚压等来提高疲劳强度。 图2-6 几种材料的实测疲劳强度 3、高周疲劳和低周疲劳 （1）高周疲劳：当机件在较低的交变应力作用下，经受的循环周次较高（N>107）的疲劳断裂称为高周疲劳，亦称应力疲劳。以上提到的疲劳现象都属于高周疲劳。 当机件在高周疲劳下服役时，应主要考虑材料的强度，即选用高强度的材料。 （2）低周疲劳：当机件在较高的交变应力（接近或超过材料的屈服点）作用下，经受的循环周次较低（N＝102～105）的疲劳断裂称为低周疲劳，亦称应变疲劳。工程上，许多机件是由于低周疲劳而破坏的，例如，风暴席卷海船的壳体、常年尘风吹刮的桥梁、飞机在起动和降落时的起落架、经常充气的高压容器等，往往都是因承受循环塑性应变作用而发生低周疲劳断裂。 应当指出，低周疲劳的寿命与材料的强度及各种表面强化处理关系不大，它主要取决于材料的塑性。因此，当机件在低周疲劳下服役时，应在满足强度要求的前提下，选用塑性较高的材料。 三、 断裂韧度 在实际生产中，许多机械零件的断裂发生在其工作应力低于零件的许用应力的状态下，甚至有些发生在远低于屈服点σs的时候，如高压容器的爆炸和桥梁、船舶、大型轧辊、发电机转子的突然折断等事故，往往都是属于低应力脆断。断口分析表明，断裂是由裂纹的形成与扩展引起的。而裂纹源往往是材料中的夹杂物、气孔、缩孔、微裂纹等。它们可能是材料冶金过程中产生的，也可能是在加工和使用过程中形成的，所以实际使用的材料中不可避免地存在着裂纹。而裂纹是否易于扩展，就成为材料是否易于断裂的一种重要指标。在断裂力学基础上起来的材料抵抗裂纹扩展的性能，称为断裂韧度。断裂韧度可以对零件允许的工作应力和裂纹尺寸进行定量计算，故在安全设计中具有重大意义。 1.裂纹扩展的基本形式 当外力作用于含有裂纹的材料时，根据应力与裂纹扩展面的取向不同，裂纹扩展可分为张开型（І型）、滑开型（ІІ型）和撕开型（ІІІ型）三种基本形式，如图2-7所示。在三种形式中，张开型（І型）最危险，因此本节对断裂韧性的讨论，主要以这种形式作为对象。 a) 张开型（） b) 滑开型（） c) 撕开型（） 图2-7 裂纹扩展的基本形式 2.应力场强度因子KІ 当材料中存在裂纹时， 在裂纹尖端必然存在应力集中，从而形成应力场。假设某一裂纹如图2-8所示。根据断裂力学的观点，只要裂纹很尖锐，顶端前沿各点的应力就按一定的形状分布，亦即外加应力增大时，各点的应力按相应的比例增大，这个比例系数称为应力场强度因子KІ，表示为： KІ ＝ ζ Y a1/2 MPa●m1/2 （2－7） 式中： Y 与裂纹形状、加载方式及试样几何尺寸有关的量，无量纲量； ζ 外加应力，MPa； a 裂纹半长，m。 3.断裂韧度KІ c及其应用 由上式可知，KІ是一个取决于ζ和a的复合参量。KІ随ζ和a的增大而增大。当KІ增大到某一临界值时，裂纹尖端附近的内应力便达到材料的断裂强度，从而导致裂纹扩展，最终使材料断裂。这种裂纹扩展时的临界状态所对应的应力场强度因子，称为材料的断裂韧度，用KІc来表示，它反映了材料抵抗裂纹扩展的能力。KІc可以通过试验测定，它是材料本身的特性，与材料成分、热处理及加工工艺等有关。 根据应力场强度因子KІ和断裂韧度KІc的相对大小，可判断含裂纹的材料在受力时，裂纹是否会失稳扩展而断裂，即 KІ ＝ ζ Y a1/2 ≥ KІc ＝ζc Y ac1/2 （2－8） 式中： ζc 裂纹扩展时的临界状态所对应的工作应力，称为断裂应力； ac 裂纹扩展时的临界状态所对应的裂纹尺寸，称为临界裂纹尺寸。 式（2－8）是工程安全设计中防止低应力脆断的重要依据，它将材料的断裂韧度与零件的工作应力及裂纹尺寸的关系定量地联系起来，应用这个关系可以解决以下三方面问题： 1）在测定了材料的断裂韧度KІc，并探伤测出零件中的裂纹尺寸a后，可以确定零件的最大承载能力ζc，为载荷设计提供依据。 图2-8 具有张开型裂纹的试样 2）已知材料的断裂韧度KІc及零件的工作应力，可以确定其允许的最大裂纹尺寸ac，为制定裂纹探伤标准提供依 据。 3）根据零件中工作应力及裂纹尺寸a，确定材料应有的断裂韧度KІc，为正确选材提供依据。 本文来源：https://www.wddqw.com/doc/26363e08ac45b307e87101f69e3143323968f5d6.html