材料性能学物性部分PPT

无机非金属材料（陶瓷…
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布氏硬度 Brinell Hardness （HB ）
35HRC～38HRC
用于测量有色金属、退火或正火钢件 、灰铸铁材料。
l 洛氏硬度 Rockwell Hardness (HR) 强度与塑性是应由变拉伸: 试验获得
l 而且也会对材料的加工工艺产生一定的影响。
抵抗各种介质侵蚀的能力。
5、疲劳强度 1 fatigue strength
疲劳强度（疲劳极限）——在周期性或非周期性动载 荷（疲劳载荷）作用下，零件材料在无数次循环载荷 作用下不致引起断裂的最大应力。
疲劳应力值往往大大低于材料的强度极限值。
第九页，共11页。
二、金属材料的物理性能： （一）密度 （二）热学性能
⒈ 熔点；⒉ 热容；⒊ 热膨胀；⒋ 热传导 （三）电学性能
第七页，共11页。
洛氏硬度 Rockwell Hardness (HR)
原理是用顶角为120°的金刚石圆锥或尺寸很小的淬火钢球作为压头，在规定的载荷压力作用下，
压入材料表面，在指示盘上显示出硬度值大小。 常用的是用符号 HRC 表示。
注： 1、数字在前、字母在后，如45HRC；35HRC～38HRC 2、HRC适用范围数值20～70；小于或大于这个范围均 为标注错误！如17HRC；75HRC；HRC=15～19等。
韧性——金属在断裂前吸收变形能量的能力。韧性的判断依据是通过冲击实验来测定，通常采用
摆锤式冲击试验机测定。
摆锤式一次冲击实验 GB229—94规定：将材料制成带有V型缺口标准冲击试样。
aK
响，比较复杂，所以冲击 值一般只作为选择材料的参考，不直接用于强度计算。
⒈ 电阻率ρ ；⒉ 电阻温度系数；⒊ 介电性 （四）磁学性能

F=μp
• 摩擦的害处：磨损、消耗能量、降低机器性能。 • 摩擦的益处：行走、车辆制动等。
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2、磨损
• 摩擦运动的结果是产生磨屑，即产生磨损。
• 磨屑的形成也是材料发生变形和断裂的过程。
• 材料的磨损过程除造成材料损失外，还将发生 一系列物理、化学状态的变化，如形变硬化（ 高锰钢履带）和摩擦热引起的相变（淬火钢中 的残余奥氏体转变为马氏体）等。这些变化将 影响材料的摩擦磨损性能。
• 切向摩擦力与压应力共同作用在接触区域上，使 应力分布相应改变，最大切应力的位置将向表面 移动。当摩擦系数>0.2时，最大切应力的位置将 移到材料接触表面，因此接触疲劳裂纹的产生地 也将移到零件表面。
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3、接触疲劳过程
接触疲劳
• 当最大切应力大于材料剪切疲劳强度时，在长期 循环作用，裂纹便在该处形成。根据最大切应力 位置的深浅，接触疲劳分3类：
渗碳淬火试样试验表明：
• 切应力/抗剪切强度的比值大于0.55时，在过 渡区产生疲劳裂纹，出现大块剥落。
• 比值在0.5~0.55时，出现表层剥落和麻点剥落 的混合情况。
• 比值小于0.5时，则出现麻点剥落。
影响材料接触疲劳的因素： •除了加载条件外， •主要是材料因素， 如材料成分和组织状态，表面硬度与心部硬度或摩擦 副硬度匹配、硬化层深度、表面状态
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3、磨损的3个阶段：
• 跑合阶段：表面逐步磨平， 实际接触面积不断增大磨损 速率不断减小。
• 稳定磨损阶段：磨损量呈线 性，磨损速率为一定值。工 件服役阶段，跑合越好，磨 损速率越低。
• 剧烈磨损阶段：摩擦接触面 间隙增大，机件的振动加剧 ，润滑膜或保护层被损坏， 机件表面被恶化，磨损速率 迅速加大。

真实应力
SF PF P o F A o 1
真应变e
e
l
d e
d llnl
lnl ()
l l0
l0
假定变形过程体积不变，真应力和真应变之间 存在如下关系：
S(1)
e1 ,1 ee
材料性能学
均匀塑性变形阶段的真应力-真应变曲线—— 流变曲线，
S ken
n值越大，变形时的强 化效果越明显
材料性能学
按材料在拉伸断裂前是否发生塑性变形，将 材料分为脆性材料和塑性材料两大类。脆性材 料在拉伸断裂前不产生塑性变形, 只发生弹性 变形；塑性材料在拉伸断裂前会发生不可逆塑 性变形。
高塑性材料拉伸特征：
（1）拉伸断裂前产生均匀的伸长，
（2）发生颈缩现象，且塑性变形量大。
材料性能学
低塑性材料拉伸特征：
在拉伸断裂前只发生均匀伸长，不发生颈缩， 且塑性变形量较小。
概况一
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概况二
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概况三
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材料性能学
三、本章内容 实验条件：
光滑试件，室温大气介质，单向单调拉伸 载荷 研究内容：
测定不同变形和硬化特性的材料的应力应变曲线和拉伸性能参数。了解不同材料的性 质。
三 影响弹性模量的因素 1 键合方式和原子结构 结合力强的弹性模量较大。 化学键>物理键
共价键、金属键、离子键>分子键、氢键 E也呈现周期性
材料性能学
2 晶体结构的影响
单晶体呈现各向异性；多晶体呈现各向同性— 伪等向性
单晶：呈现各向异性；最大值与最小值相差可 达四倍。（钨除外，皆为384600MPa）

压缩
• 试样要求：
(1)高度h与直径d之比不大于2，最好为 1~2 (2) h/d相同的试样，试验结果才可以比较 (3)尽量减少试样端部摩擦力对试验结果的 影响
• 性能指标： 抗压强度σ bc，相对压缩率εc • 应用：脆性材料；
非晶合金的断口
• 剪切断口 • 压缩断口
压缩及其性能指标
• 针对脆性材料 • 试样的高度h0和直径d0之比不大于2，最好 为1~2 • 为了试验结果可以相互比较， h0/d0必须一 样 • 试样端部的摩擦力需要尽量避免
晶粒大小： 金相组织 间隙溶质元素 杂质元素 提高tk
细化晶粒 降低tk 晶界是裂纹扩展的阻力； 降低应力集中； 减小杂质偏聚。
影响材料低温脆性的因素
• • • • • • 晶体结构 化学成分 显微组织 温度 加载速率 试样形状和尺寸
晶粒大小 金相组织：
静拉伸时，230~370℃； 在冲击载荷下，525~550℃ 提高加载速率如同降低温度； 中、低强度钢的韧脆转变温度比高强钢更明显。
• 采用不同标尺可测量软硬、厚薄不一的试 样
洛氏硬度的缺点——压痕小
• 代表性差、重复性差、数据分散度高 • 采用不同标尺可测量软硬、厚薄不一的试样 但不同标尺下测得的硬度值不能比较和换算
维氏硬度
• 引出：
使软硬不同的各种材料有连续一致的硬度指 标 • •测试原理 表示 方法：数字 +HV+数字/数字 载荷为 kgf ： ——类似布氏硬度
• 系列冲击实验的工程意义
评定材料使用中力图避免出现的各种脆性。
低温脆性
韧脆转变温度/冷脆转变温度
• 当试验温度低于某一温度tk时，材料由韧性 状态转变为脆性状态，冲击吸收功明显下降 ，断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理，断口 特征由纤维状变为结晶状。 • 分类：

3. 弹性模量的影响因素
弹性模量是构成材料的离子或分子之间键合强度的主 要标志，凡是影响键合强度的因素均能影响弹性模量。 如：键合方式、晶体结构、化学成分、微观组织、温 度、加载方式和速度等。
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1）键合方式和原子结构 共价键、离子键、金属键----较高 分子键----较弱 原子半径越大，E越小
5）温度----温度升高，E降低 特例：橡胶。其弹性模量随温度升高而增加。
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6）加载条件和负荷持续时间 加载方式、速率和负荷持续时间对金属材料、陶瓷材料 影响很小。 对于高分子聚合物，负荷时间延长，E下降。
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4、比例极限和弹性极限
p
Fp A0
Fp：比例极限对应的应力 A0 ：试棒的原始截面面积
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第四节 塑性变形及其性能指标
一、塑性变形机理 定义：材料微观组织的相邻部分产生永久性位移，并不 引起材料破裂的现象。 1：金属材料的塑性变形机理：滑移、孪生 滑移系越多，塑性越好
复习： 滑移：晶体的一部分对于另一部分沿一定晶面和晶向发生相对
滑动，滑动后原子处于新的稳定位置。 滑移通常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。
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五、本课程学习注意问题：
预备知识：材料力学和金属学方面的基本理论知识。 理论联系实际:是实用性很强的一门课程。某些力学性能指
标根据理论考虑定义,而更多指标则按工程实用 要求定义。 重视实验: 通过实验既可掌握力学性能的测试原理，又可 掌握测试技术，了解测试设备，进一步理解所 测的力学性能指标的物理意义与实用意义。 做些练习: 加深理解――巩固所学的知识。
消除方法：进行较大塑性变形；再结晶退火

热膨胀系数和热传导系数衡量材料在热环境下的膨 胀和传导特性。
透明性和光学性能
磁性和超导性
透明性和光学性能决定材料的透光能力和光学行为， 广泛应用于光学器件和视觉应用。
磁性和超导性是材料对磁场和电流的响应能力，对 电子学和能源领域具有重要影响。
化学性能
1 耐腐蚀性和耐氧化性
耐腐蚀性和耐氧化性衡量材料对化学侵蚀和 氧气的抵抗能力。
硬度和耐磨性
硬度和耐磨性是材料抵御表面破坏和磨损的关 键属性。
抗拉强度、屈服强度、断裂强度
这些参数衡量了材料在受力时的抗拉能力和破 坏行为。
可塑性和韧性
可塑性和韧性决定了材料在受力时的变形能力 和抗断裂能力。
物理性能
导电性和导热性
热膨胀系数和热传导系数
导电性和导热性描述了材料传导电流和热量的能力， 对电子和热传输应用至关重要。
力学测试方法用于测量材料的强度、硬
物理测试方法
2
度和韧性等力学性能。
物理测试方法用于测量材料的导电性、
导热性、透明性等物理性能。
3
化学测试方法
化学测试方法用于测量材料的耐腐蚀性、
测试数据分析和应用
4
化学稳定性、溶解性等化学性能。
测试数据分析和应用帮助我们理解材料 性能，做出正确的设计和决策。
材料性能分析和设计
材料性能教学的意义和未来发展 趋势
材料性能教学有助于学生理解和应用材料技术，促 进材料科学的创新和发展。
材料性能的确定和分 析方法
通过实验和模拟等方法确定和 分析材料的性能特征和潜力。
不同性能指标之间的 关系和平衡
不同性能指标之间存在着平衡 和权衡பைடு நூலகம்系，在设计中需要综 合考虑。

例如： 120HBS10/1000/30
表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下 保持30s测得的布氏硬度值为120。
2.1 静载下金属材料的力学性能
布氏硬度的特点与应用：
优点：测量误差小，数据稳定。 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。 适应于：测量退火、正火、调质钢, 铸铁及有色金属的硬度。
当l0=10d0 时，伸长率用 表示； 当l0=5d0 时，伸长率用5 表示。显然5> ③ > 时，无颈缩，为脆性材料表征， < 时，
有颈缩，为塑性材料表征。
2.1 静载下金属材料的力学性能
4、硬度
材料抵抗抵抗更硬物体压入其表面（产生局部塑性变形）的 能力，是衡量材料软硬程度的指标。
（1）布氏硬度HB
五万吨水压机
2.1 静载下金属材料的力学性能
1、拉伸试验与应力应变曲线
应力 = P/F0 应变 = (l-l0)/l0
拉 伸 试 验 机
拉伸试样
2.1 静载下金属材料的力学性能
2、刚度与强度
（1）弹性：指标为弹性极限 e，即材料承受最大弹性变 形时的应力。
在应力应变曲线中，OA段为弹性变形阶段，A点所对应的 应力为材料承受最大弹性变形时的应力，称为弹性极限，用 e表示。其中，OA’部分为斜直线，应力应变成比例关系，A’ 点所对应的应力为保持这种比例关系的最大应力，称为比例 极限，用p表示。对大多数材料来讲，A、A’几乎重合，故一 般不做区分。
（3）强度：材料在外力作用下抵抗变形
和破坏的能力。
（a）屈服强度s
• BC段，发生塑性变形而应力不增加，这种现象叫
做屈服。B点对应的应力称为屈服强度，用s表

由于晶体中有N个原子，每个原子有3个自由度，因此晶 体有3N个正则频率，则平均能量应为：
3N
3N
E E i i1
i1 exp
i i / kT 1
如果频率分布可以用一个积分函数表示，上式的累加号 变为积分形式。
设 d 表示角频率在 和 d 之间的格波数，
而且
m d 3N 0
《材料物理性能》——材料的热性能
材料的热容：杜隆—珀替定律
根据经典理论，每一个自由度的平均能量是 kT
其中
1 2
kT
是平均动能，1 2
kT
是平均势能；
k 是玻耳兹曼常
数。
若固体有N个原子，则总平均能能量， E 3NkT
则摩尔原子比热为：
CV
Eol
exp / kT exp / kT 12
3NkfE
kT
式中， fE
kT
kT
2
exp exp
/ kT / kT 12
称为爱因斯坦比热函数。
《材料物理性能》——材料的热性能
通常，用爱因斯坦温度 E 代替频率 ，定义： kE
CV
3Nk
E
T
2
exp E / T
exp
已证明电子的平均能量为，
EF
EF0
1
2
12
kT EF0
2
则电子摩尔热容为，
,z为金属原子价数
《材料物理性能》——材料的热性能 以铜为例，计算其自由电子热容为，
《材料物理性能》
第三章 材料的热学性能
主讲：胡木林 2016年10月
《材料物理性能》——材料的热性能
4.1 引言
热学性能：包括热容、热膨胀、热传导 等，是材料的重要物理性能之一。它在材料 科学的相变研究中有着重要的理论意义；在 工程技术包括高技术工程中也占有重要位置。

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过载循环周次离疲劳曲线 越近，对疲劳强度或寿命 的损伤越大；应力越高， 开始发生过载损伤的循环 周次就越少。
界线越陡，区域越窄，材 料抵抗疲劳过载的能力就 越强。
宁可选用σ-1低一些，也 要选过载区窄的材料。
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河海大学机电工程学院
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四、疲劳缺口敏感性
静载时，应力集中使局部应力超过材料的屈服强 度产生塑性变形。只要材料有足够的塑性，缺口 造成的应力集中作用就不明显；只要塑性变形不 太大，就不会产生多大的影响。
一般qf随着材料强度的增加 而增大：
结构钢：qf=0.6~0.8 球铁： qf=0.15~0.25 灰铸铁：qf=0~0.05
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五、疲劳裂纹扩展速率及门槛值
在一定应力比r和应力幅 △σ条件下，试样经N次 循环后，测裂纹长度a。 作出a—N的关系曲线。
当裂纹长大到临界ac时 ，裂纹失稳扩展，试样 断裂。
➢应力状态：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳； ➢应力高低和断裂寿命：
高周疲劳（低应力疲劳，N>105，σ<σs）； 低周疲劳（高应力疲劳、应变疲劳， N= 102 ~105 ， σ>=σs ）
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疲劳断口的宏观特征
三个特征区：
➢ 疲劳源
光亮
疲劳裂纹萌生的策源地，多在表面 来源：缺口、裂纹；冶金缺陷；数目：应力大小
机件在疲劳失效前的工作时间（次数）。
主要影响因素：循环应力
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疲劳破坏的特点
与静载、一次性冲击加载比较：

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作业题 见公共邮箱：
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The End
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1.1 力学性能——硬度——布氏硬度
痕布
淬火钢球：用以测定硬度
氏 硬
<450的金属材料，硬度值用HBS表
度
示；
压
硬质合金球：用以测定硬
度在450～650之间的材料，其硬度
值用HBW表示；
➢如：120HBS表示用淬火钢球测得的布氏硬度值为
120；
➢优缺点：较高的测量精度，反映材料的平均性能，
与11 σ0.2.有存在一定的经验关系；不能测定高硬度材料。
比例弹性变形
Байду номын сангаас
抗拉强度： σb=Fb/Ao
试样在断裂前所能
承受的最大应力
o 5
.
ε 应变：单位长度的伸长量，ε=Δl/l0
1.1 力学性能——低碳钢拉伸曲线
弹性模量E：材料在弹性范围 σ
内，应力与应变的比值，E=σ/ε，E 标志材料抵抗弹性变形的能力，用
σ0.2
b
以表示材料的刚度； a
名义屈服强度σ0.2 ：
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1.1 力学性能——硬度
种 布氏硬度HB，Brinell hardness 类 洛氏硬度HR，Rockwell hardness
维氏硬度HV，Vickers hardness
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1.1 力学性能——硬度——布氏硬度
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布氏硬度值是外力除以压痕球冠表 面积；
在实际操作中，不需计算，用刻度 放大镜测出压坑直径d，然后查表。
流动性、收缩性、 偏析。
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1.3 工艺性能——锻造性能