工程材料的种类和力学性能.ppt

第1章工程材料的种类和力学性能 工程材料 1 1 材料的种类1 2 材料的性能 工程材料的种类和力学性能 1 1 材料的种类 工程材料 金属材料 高分子材料 无机非金属材料 水泥 玻璃 耐火材料 陶瓷 复合材料 树脂基 金属基 陶瓷基 功能材料 力学功能 物理功能 化学功能 生物功能 智能功能 功能转换 钢铁材料 非铁金属 钢 碳钢 合金钢 特殊性能钢 铸铁 白口铸铁 灰口铸铁 特殊性能铸铁等 铜及铜合金 纯铜 黄铜 青铜 白铜 铝及铝合金 纯铝 形变铝合金 铸造铝合金 其他 轴承合金 镁合金 钛合金 镍合金等 纤维 天然 合成 橡胶 通用 特种 塑料 通用 工程 特种 胶黏剂 黑色金属 有色金属 1 金属材料 金属材料是由化学元素周期表中的金属元素组成的材料 可分为由一种金属元素构成的单质 纯金属 由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素构成的合金 合金又可分为固溶体和金属间化合物 合金是由两种或两种以上的金属元素 或金属元素与非金属元素熔合在一起形成的具有金属特性的新物质 合金的性质与组成合金的各个相的性质有关 同时也与这些相在合金中的数量 形状及分布有关 在103种元素中 除He Ne Ar等6种惰性元素和C Si N等16种非金属元素外 其余81种为金属元素 除Hg之外 单质金属在常温下呈现固体形态 外观不透明 具有特殊的金属光泽及良好的导电性和导热性 在力学性质方面 具有较高的强度 刚度 延展性及耐冲击性 2 高分子材料 高聚物 高聚物是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物 高聚物的种类繁多 性能各异 其分类的方法多种多样 按高分子材料来源分为天然高分子材料和合成高分子材料 按材料的性能和用途可将高聚物分为橡胶 纤维 塑料和胶粘剂等 橡胶的特点是室温弹性高 即使在很小的外力作用下 也能产生很大的形变 可达1000 外力去除后 能迅速恢复原状 其弹性模量小 约105 104Pa 常用的橡胶有天然橡胶 异戊橡胶 丁苯橡胶 顺丁橡胶 聚丁二烯 乙丙橡胶和硅橡胶等 纤维的弹性模量较大 约109 1010Pa 受力时 形变不超过百分之二十 纤维大分子沿轴向作规则排列 其长径比较大 在较广的温度范围 50 150 内 机械性能变化不大 常用的合成纤维有尼龙 涤纶 晴纶和维尼纶等 塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间 约107 108Pa 温度稍高些 受力形变可达百分之几至几百 有些塑料的形变是可逆的 有些塑料的形变是永久的 根据塑料受热时行为的不同 分为热塑性和热固性塑料两类 前者受热时可以塑化和软化 冷却时则凝固成形 再加热又可塑化软化 聚乙烯 聚氯乙烯和聚碳酸酯等都属于此类 后者在受热时可塑化和软化 并通过化学反应 使之固定成型 但冷却后不能再加热软化 酚醛塑料和脲醛塑料就属此类 胶粘剂是指在常温下处于粘流态 当受到外力作用时 会产生永久变形 外力撤去后又不能恢复原状的高聚物 有时把聚合后未加工成型的高聚物称为树脂 以区分加工后的塑料或纤维制品 如电木未固化前称酚醛树脂 涤纶纤维未纺织前称涤纶树脂 烯丙酰氯 苯乙烯 3 无机非金属材料 无机非金属材料是由硅酸盐 铝酸盐 硼酸盐 磷酸盐 锗酸盐等原料和 或 氧化物 氮化物 碳化物 硼化物 硫化物 硅化物 卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料 是除金属材料 高分子材料以外所有材料的总称 它与广义的陶瓷材料有等同的含义 无机非金属材料种类繁多 用途各异 目前还没有统一完善的分类方法 一般将其分为传统的 普通的 和新型的 先进的 无机非金属材料两大类 传统的无机非金属材料主要是指由SiO2及其硅酸盐化合物为主要成分制成的材料 包括陶瓷 玻璃 水泥和耐火材料等 此外 搪瓷 磨料 铸石 辉绿岩 玄武岩等 碳素材料 非金属矿 石棉 云母 大理石等 也属于传统的无机非金属材料 先进 或新型 无机非金属材料是用氧化物 氮化物 碳化物 硼化物 硫化物 硅化物以及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料 主要包括先进陶瓷 非晶态材料 人工晶体 无机涂层 无机纤维等 陶瓷按其概念和用途不同 可分为两大类 即普通陶瓷和特种陶瓷 根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异 陶瓷制品可分为陶器和瓷器 传统的无机非金属材料之一 陶瓷 普通陶瓷即传统陶瓷 是指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎混练 成型 煅烧等过程而制成的各种制品 包括日用陶瓷 卫生陶瓷 建筑陶瓷 化工陶瓷 电瓷以及其它工业用陶瓷 特种陶瓷是用于各种现代工业及尖端科学技术领域的陶瓷制品 包括结构陶瓷和功能陶瓷 结构陶瓷主要用于耐磨损 高强度 耐高温 耐热冲击 硬质 高刚性 低膨胀 隔热等场所 功能陶瓷主要包括电磁功能 光学功能 生物功能 核功能及其它功能的陶瓷材料 传统的无机非金属材料之二 玻璃 玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料 根据其形成网络的组分不同可分为硅酸盐玻璃 硼酸盐玻璃 磷酸盐玻璃等 其网络形成剂分为SiO2 B2O3和P2O5 习惯上玻璃态材料可分为普通玻璃和特种玻璃两大类 普通玻璃是指采用天然原料 能够大规模生产的玻璃 普通玻璃包括日用玻璃 建筑玻璃 微晶玻璃 光学玻璃和玻璃纤维等 特种玻璃 亦称为新型玻璃 是指采用精制 高纯或新型原料 通过新工艺在特殊条件下或严格控制形成过程制成的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃 特种玻璃包括SiO2含量在85 以上或55 以下的硅酸盐玻璃 非硅酸盐氧化物玻璃 非氧化物玻璃 以及光学纤维等 根据用途不同 特种玻璃分为防辐射玻璃 激光玻璃 生物玻璃 多孔玻璃 非线性光学玻璃和光纤玻璃等 传统的无机非金属材料之三 水泥 水泥是指加入适量水后可成塑性浆体 既能在空气中硬化又能在水中硬化 并能够将砂 石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬性材料 水泥的种类很多 按其用途和性能可分为 通用水泥 专用水泥和特性水泥三大类 按其所含的主要水硬性矿物 水泥又可分为硅酸盐水泥 铝酸盐水泥 硫铝酸盐水泥 氟铝酸盐水泥以及以工业废渣和地方材料为主要组分的水泥 目前水泥品种已达一百多种 通用水泥为大量土木工程所使用的一般用途的水泥 如硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥等 专用水泥指有专门用途的水泥 如油井水泥 砌筑水泥等 特性水泥则是某种性能比较突出的一类水泥 如快硬硅酸盐水泥 抗硫酸盐硅酸盐水泥 中热硅酸盐水泥 膨胀硫铝酸盐水泥 自应力铝酸盐水泥等 传统的无机非金属材料之四 耐火材料 耐火材料是指耐火度不低于1580 的无机非金属材料 它是为高温技术服务的基础材料 尽管各国对其定义不同 但基本含义是相同的 即耐火材料是用作高温窑炉等热工设备的结构材料 以及用作工业高温容器和部件的材料 并能承受相应的物理化学变化及机械作用 大部分耐火材料是以天然矿石 如耐火粘土 硅石 菱镁矿 白云母等 为原料制造的 4 复合材料 复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成 复合材料是多相材料 主要包括基本相和增强相 基体相是一种连续相材料 它把改善性能的增强相材料固结成一体 并起传递应力的作用 增强相起承受应力 结构复合材料 和显示功能 功能复合材料 的作用 复合材料既能保持原组成材料的重要特色 又通过复合效应使各组分的性能互相补充 获得原组分不具备的许多优良性能 复合材料的种类繁多 下面根据复合材料的三要素来分类 按基体材料分类 有金属基复合材料 陶瓷基复合材料 水泥 混凝土基复合材料 塑料基复合材料 橡胶基复合材料等 按增强剂形状可分为粒子 纤维及层状复合材料 依据复合材料的性能可分为结构复合材料和功能复合材料 玻璃纤维增强高分子复合材料 1 2 材料的性能 工程材料的性能包括使用性能和工艺性能 使用性能 指在服役条件下 能保证安全可靠工作所必备的性能 包括力学性能 物理性能 化学性能 工艺性能 指材料的可加工性 包括可锻性 铸造性能 焊接性 热处理性能及切削加工性能等 强度 硬度 塑性 韧性 蠕变和疲劳 熔点 密度以及电 磁 光和热 耐腐蚀和抗老化 常见的工程载荷 作用在机件上的外力 载荷性质 静载荷 动载荷 F F MPa F S 外力 内力 应力 外力作用下材料的变形 两种基本变形 1 弹性变形 材料受外力作用时产生变形 当外力去除后恢复其原来形状 这种随外力消失而消失的变形 称为弹性变形 2 塑性变形 材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形 称为塑性变形 强度是指金属材料抵抗塑性变形 永久变形 和断裂的能力 抵抗塑性变形和断裂的能力越大 则强度越高 1 2 1静载时材料的力学性能 1 强度 按外力作用的方式不同 强度可分为抗拉 抗压 抗弯 抗剪强度等 工程上最常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度 材料的强度 塑性指标是通过拉伸实验测定的 应力 F S0 N m2 F 作用力 N S0 试样原始截面积 m2 剪应力 F SO 材料单位面积上的内力称为应力 Pa 以 表示 应变 L 试样标距部分伸长量 mm L0 试样标距部分长度 mm L L0 剪应变 剪模量G 且有 弹性变形 弹性变形 当产生变形的外力撤除后 变形随即消失 塑性变形 外力撤除后 不可恢复的变形 弹性模量E E tan 曲线中的直线部分有 E 金属在弹性变形阶段 比例极限内 其应力和应变存在线性关系为 单向拉伸或压缩 E 剪切或扭转 G 式中 和 分别是线应变和切应变 E和G分别是材料的正弹性模量和切弹性模量 弹性模量表征材料的刚度 抵抗弹变的能力 这两个公式就是弹性变形的虎克定律 值取决于各种材料的本性 比例极限 p与弹性极限 e p 在 曲线上开始偏离直线时的应力 e 由弹性变形过渡到弹 塑性变形时的应力 表征材料对微塑性变形的抗力 有些零件 比如枪炮管在工作时不允许产生微量的塑性变形 设计时要根据弹性极限选材 屈服现象与屈服强度 屈服现象 在试验外力不增加或上下波动的情况下 试件应变明显增加的现象 不同材料或在不同试验条件下得到的 曲线类型如图所示 屈服强度 屈服极限 a 如屈服时 有齿状曲折线段 则下屈服点对应的应力确定为屈服强度 s b 若屈服时 曲线上有平坦水平线段 则该水平线所对应的应力为 s 表征材料对明显塑性变形的抗力 大多数机械零件都不允许产生明显塑性变形 设计时用屈服强度作为依据 c 若无明显水平线段 则取产生规定微量塑性变形所对应的应力作为条件屈服强度 根据需要 微量塑性变形可取0 05 0 1 0 2 等 对应的条件屈服强度分别记作 0 05 0 1 0 2等 条件屈服强度 0 2 脆性材料屈服极限 根据GB228 87要求 对没有明显屈服现象的材料 规定取非比例伸长与原标距长度之比为0 2 时的应力 作为屈服强度指标 称为条件屈服强度 用 0 2表示 抗拉强度 抗拉极限 b指拉伸过程试件所能承受的最大应力 在拉伸过程中 当载荷继续增加到b点时 试件横截面出现局部变细的颈缩现象 这时的应力称为抗拉强度 抗拉极限 b 2 塑性 伸长率是指试样拉伸断裂时的绝对伸长量与原始长度的百分比 用符号 表示 即 1 伸长率 2 收缩率 收缩率是指试样拉断后 缩颈处 断口处 横断面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比 用符号 表示 即 金属材料在外力作用下发生塑性变形而不破坏的能力称为塑性 10 属塑性材料 说明 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形 直径d0相同时 l0 只有当l0 d0为常数时 塑性值才有可比性 当l0 10d0时 伸长率用 10表示 当l0 5d0时 伸长率用 5表示 显然 5 10 塑性指标数值高 材料的塑性加工性能就越好 一定的塑性 可以增加材料抵抗偶然过载的能力 零件在保证一定强度的前提下 塑性指标越高 零件的安全可靠性越大 材料抵抗局部变形 特别是塑性变形 压痕或划痕的能力称为硬度 布氏硬度是用单位压痕面积的力作为布氏硬度值的计量 即试验力除以压痕表面积 符号用HBS 用淬火钢球压头 或HBW 用硬质合金压头 表示 即 3 硬度 1 布氏硬度 布氏硬度计 压头为钢球时 布氏硬度用符号HBS表示 适用于布氏硬度值在450以下的材料 压头为硬质合金球时 用符号HBW表示 适用于布氏硬度在650以下的材料 符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值 符号后面的数字按顺序分别表示球体直径 载荷及载荷保持时间 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 布氏硬度压痕 布氏硬度试验的优缺点 优点 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度 缺点 对不同材料需要更换压头和改变载荷 且压痕较大 压痕直径的测量也较麻烦 易损坏成品的表面 故不宜在成品上进行试验 洛氏硬度是用压痕深度作为洛氏硬度值的计量 符号用HR表示 其计算公式为 2 洛氏硬度 HR k e 0 002 压头类型 淬火钢球压头多用于测定退火件 有色金属等较软材料的硬度 压入深度较深 金刚石压头多用于测定淬火钢等较硬材料的硬度 压入深度较浅 采用不同的压头与总试验力 组合成几种不同的洛氏硬度标尺 我国常用的是HRA HRB HRC三种 其中HRC应用最广 其试验规范见表1 2 洛氏硬度无单位 须标明硬度标尺符号 在符号前面写出硬度值 如58HRC 76HRA 试验规范及表示方法 HRA用于测量高硬度材料 如硬质合金 表淬层和渗碳层 HRB用于测量低硬度材料 如有色金属和退火 正火钢等 HRC用于测量中等硬度材料 如调质钢 淬火钢等 洛氏硬度试验的优缺点 优点 操作迅速 简便 硬度值可从表盘上直接读出 压痕较小 可在工件表面试验 可测量较薄工件的硬度 因而广泛用于热处理质量的检验 缺点 精确性较低 硬度值重复性差 分散度大 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 此外 用不同标尺测得的硬度值彼此之间没有联系 也不能直接进行比较 不同级别的硬度值间无可比性 必须查表换算 3 维氏硬度 维氏硬度也是以单位压痕面积的力作为硬度值计量 试验力较小 压头是锥面夹角为136 的金刚石正四棱锥体 见图所示 维氏硬度用符号HV表示 维氏硬度表示方法 在符号HV前方标出硬度值 在HV后面按试验力大小和试验力保持时间 10 15s不标出 的顺序用数字表示试验条件 例如 640HV300 维氏硬度用符号HV表示 符号前的数字为硬度值 后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间 根据载荷范围不同 规定了三种测定方法 维氏硬度试验 小负荷维氏硬度试验 显微维氏硬度试验 显微维氏硬度计 小负荷维氏硬度计 维氏硬度试验的优缺点 优点 可测软 硬金属 特别是极薄零件和渗碳层 渗氮层的硬度 其测得的数值较准确 并且不存在布氏硬度试验那种载荷与压头直径比例关系的约束 此外 维氏硬度也不存在洛氏硬度那样不同标尺的硬度无法统一的问题 而且比洛氏硬度能更好地测定薄件或薄层的硬度 缺点 硬度值的测定较为麻烦 工作效率不如洛氏硬度 因此不太适合成批生产的常规检验 外力的瞬时冲击作用所引起的变形和应力比静载荷大得多 因此在设计承受冲击载荷的零件和工具时 不仅要满足强度 塑性 硬度等性能要求 还必须有足够的韧性 1 2 2其他载荷作用下的力学性能 冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力 1冲击韧度 根据功能原理可知 摆锤冲断试样所消耗的功AK mgh1 mgh2 AK称为冲击吸收功 单位焦耳 J 用AK除以试样缺口处的横截面积 所得的商即为该材料的冲击韧度 用符号 K表示 即 材料的冲击韧性随温度下降而下降 在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变 发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度 材料的使用温度应高于韧脆转变温度 体心立方金属具有韧脆转变温度 而大多数面心立方金属没有 体心立方 Cr铬Mo钼W钨V钒 面心立方 Al铝Cu铜Ni镍Pb铅 碳素结构钢 20 建造中的Titanic号 TITANIC TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关 Titanic号钢板 左图 和近代船用钢板 右图 的冲击试验结果 Titanic 近代船用钢板 2疲劳强度 疲劳破坏 材料在低于 s的重复交变应力作用下发生断裂的现象 材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限 用 1表示 钢铁材料规定次数为107 有色金属合金为108 金属制件80 以上损坏的机械零件是因疲劳造成的 疲劳断口 通过改善材料的形状结构 减少表面缺陷 提高表面光洁度 进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力 疲劳断裂的过程包括 裂纹产生 裂纹扩展和疲劳断裂 1943年美国T 2油轮发生断裂 实际上 材料的组织远非是均匀 各向同性的 组织中有微裂纹 还会有夹杂 气孔等宏观缺陷 这些缺陷可看成是材料中的裂纹 当材料受外力作用时 这些裂纹的尖端附近便出现应力集中 形成一个裂纹尖端的应力场 断裂韧度是用来反映材料抵抗裂纹失稳扩展 即抵抗脆性断裂能力的性能指标 3 断裂韧度 断裂韧度是材料固有的力学性能指标 是强度和韧性的综合体现 它与裂纹的大小 形状 外加应力等无关 主要取决于材料的成分 内部组织和结构 机器运转时 任何零件在接触状态下的相对运动都会产生摩擦 导致零件磨损 最后失效 按磨损的破坏机理 磨损可分为 1 粘着磨损 咬合磨损 摩擦件件缺乏润滑油 摩擦表面无氧化膜 且单位法向载荷很大时 2 磨粒磨损 磨料磨损 由于硬颗粒或硬突起物使材料产生迁移而造成 3 腐蚀磨损 在摩擦过程中 摩擦副之间或摩擦副表面与环境介质发生化学或电化学反应形成腐蚀产物 腐蚀产物形成和脱落造成的磨损 4 磨损 高温对材料的力学性能有很大影响1 温度对材料力学性能指标影响较大 随着温度升高 强度 刚度 硬度要下降 塑性要增加 2 在较高温度下 载荷的持续时间对力学性能也有影响 会产生明显的蠕变 金属的蠕变是指在长时间的恒温 恒应力作用下即使应力小于该温度下的屈服点也会缓慢地产生塑性变形的现象 因此 对材料在高温下的力学性能的评定还需要建立另外的一些力学性能指标 主要有蠕变极限和持久强度 1 2 3材料的高温和低温性能 1 高温性能蠕变极限是指在高温下载荷长期作用时 材料对蠕变的抵抗能力 t 0 3Tm时 蠕变才较为明显持久强度是指在高温下载荷长期作用时材料对断裂的抵抗能力 应力松弛是指承受弹性变形的零件 在工作过程中总变形量保持不变 但随时间的延长 工作应力自行逐渐衰减的现象 如高温紧固件因应力松弛使紧固失效 2 低温性能随着温度的下降 多数材料会出现脆性增加的现象 严重时甚至发生脆断 20钢在450 短时 b 330MPa但当 230MPa持续300小时便会断裂如 120MP