第3讲-材料的性能-2011.ppt

材料的表征 现代材料科学在很大程度上依赖于对材料性能及其成分及显微组织关系的理解 因此 对材料性能的各种测试技术 对材料组织从宏观到微观不同层次的表征构成了材料科学与工程的一个重要部分 也是联系材料设计与制造工艺直到获得具有满意使用性能的材料之间的桥梁 在公认的材料科学与工程四大要素 合成与制备 组成与结构 性质 使用性能 之中 性能检测与表征技术通过组成与结构在化学 物理学和环境科学基础上与其它三大要素相互联系与反馈 同样构成材料科学与工程的关键共性技术 1 性能检测材料的性能是指材料在给定的一套条件下 当某一条件发生变化时 材料所产生的反应 对材料的性能测定需要建立一种广义力和广义位移的关系 在关系为线性时 材料性能有线性常数表征 如弹性模量 热容等 在关系偏离线性时 材料的性能需要由高阶常数来描述 如光学晶体在强光照射下的极化率 材料的传输性能与材料内部参数的梯度所产生的流有关 由广义力与所产生的流之间的比例常数来表征 如热导率 扩散系数等 新材料的发展还提出了一些难以用单项性能进行评价的材料特征 如金属材料的可焊性 材料的可加工性 高温熔盐气氛下的腐蚀性能等 2 显微结构表征显微结构表征包括观察组织的形貌 确定其原子排列方式和分析化学祖分 分析方法可按照观察形貌的显微镜 测定结构的衍射仪及分析成分的各种谱仪进行分类 1 形貌观察2 结构测定3 化学组分分析 一 工程材料的主要性能 1 概述材料的性能是指材料的性质和功能 性质是本身所具有的特质或本性 功能是人们对材料的某种期待与要求种可以承担功效 以及承担该功效下的表现或能力 材料的性能一般分为以下几种 力学性能 物理性能 化学性能和工艺性能 2 材料的物理性能材料的物理性能是指材料本身的具有各种物理量 热 电 光 磁等 以及环境变化时它们的变化程度 密度密度是指单位体积物质的质量 单位是kg m3 M VM 金属的质量 kg V 金属的体积 m 一般将密度小于5 0 10 kg m 的金属称为轻金属 密度大于5 0 10 kg m 的金属称为重金属 比容是指单位质量的物质所占的体积 单位是m3 kg 导热性 是指物体内温度梯度为1 M时 在单位时间 单位面积内传递的热量 单位是W m K 导热率越大 导热性越好 热膨胀性 金属材料随着温度变化而膨胀 收缩的特性称为热膨胀性 热膨胀性用线胀系数 l和体胀系数 V来表示 线膨胀系数 是指温度上升1 时 单位长度的伸长量 单位是mm mm 或 1 式中 l为线胀系数 1 K或1 L1为膨胀前长度 m L2为膨胀后长度 m t为温度变化量 K或 熔点是指物质由固态转变为液态的温度 反映固态下原子间的结合力 易熔金属 熔点低 锡 铅等 如保险丝材料 难熔金属 熔点高 钨 铬等 如白炽灯的灯丝材料 电阻与电导 电阻率 为单位长度和单位截面积导体的电阻 单位是 m 其倒数称为电导率 金属传导电流的能力 用电阻率来衡量金属的导电性能导电性 金属材料能够传导电流的能力称导电性 通常用电导率来衡量 电导率越大 金属材料导电性越好 电阻温度系数 温度上升1 时 电阻率 的变化系数 单位 1 导磁率 金属所具有的导磁能力 是用于表征铁合金 化合物 铁氧体 的特有性能 3 材料的化学性能材料的化学性能是指材料在常温或高温时抵抗各种化学作用的能力 反映了材料与各种化学试剂发生化学反应的可能性和反应速度大小的相关参数 1 耐腐蚀性 金属抵抗氧 水蒸气 酸 碱等介质侵蚀的能力 2 热安定性 金属在高温下对氧化的抵抗能力 根据不同的工况选用不同的材料 4 材料的工艺性能我们把材料的工艺性能定义为 材料的工艺性能是一种参量 用于表征材料适应工艺而获得规定性能和外形的能力 为了满足材料性能的要求 就必然要控制材料的成分 组织和结构 人们总是企图用在实验室测定的一些物理的 化学的或力学的参量 来表征工艺性能 人们采用两种思路去表征 一种是模拟 一种是抽象 即从复杂工艺现象中 抽出主要的项目在实验室测定 材料的工艺性能是材料力学 物理 化学性能的综合表现 主要反映材料生产或零部件加工过程的可能性或难易程度 1 材料可生产性 得到材料可能性和制备方法 2 铸造性 将材料加热得到熔体 注入较复杂的型腔后冷却凝固 获得零件的方法 例如 流动性 充满型腔能力收缩率 缩孔数量的多少和分布特征偏析倾向 材料成分的均匀性 3 锻造性 材料进行压力加工 锻造 压延 轧制 拉拔 挤压等 的可能性或难易程度的度量 例如 塑性变形能力 材料不破坏的前提下的最大变形量 塑性变形抗力 发生塑性变形所需要的最小外力 4 焊接性 利用部分熔体 将两块材料连接在一起 就是焊接 在一定焊接工艺条件下 获得优质焊接接头的难易程度 就是焊接性能 例如 连接能力 焊接头部位强度与母材的差别程度 焊接缺陷 焊接处出现气孔 裂纹可能性的大小或母材变形程度 5 切削加工性 材料进行切削加工的难易程度 它与材料的种类 成分 硬度 韧性 导热性等有关 切削抗力加工表面质量排屑难易程度切削刀具的使用寿命6 热处理性能 可以实施的热处理方法和材料在热处理时性能改变的程度 例如 淬透性变形度 5 力学性能材料的力学性能是指材料处于特定环境因素 温度 介质等 时 在外力或能量以及作用下表现出来的变形和破坏的特征 金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能 称为机械性能或称为力学性能 金属材料的机械性能 物理性能 化学性能统称为金属材料的使用性能 金属材料使用性能的好坏 决定了它的使用范围与使用寿命 金属材料的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据 强度 硬度 断裂韧度 疲劳 衡量材料的主要力学性能指标 塑性 韧性 弹性 elasticity 金属材料受外力作用时产生变形 当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能 随载荷撤除而消失的变形 弹性极限 elasticlimit Fe弹性极限载荷 N e Mpa S0试样原始横截面积 mm2 弹性变形 elasticdeformation 定义 试样在断裂前所能承受的最大应力 抗拉强度 tensilestrength 根据受力方向不同 抗拉强度 抗压强度 抗弯强度抗剪强度 抗扭强度等 屈服强度 yieldstrength 屈服点S 条件屈服强度 规定残余伸长应力 0 2 F0 2 S0 衡量指标1 断后伸长率 延伸率 specificelongation 指试样拉断后的标距伸长量L1与原始标距L0之比 10 属塑性材料 塑性 plasticity 指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力 塑性 plasticity 衡量指标2 断面收缩率 percentagereductioninarea 指试样拉断处横截面积S1的收缩量与原始横截面积S0之比 硬度 hardness 定义 是指材料抵抗其它更硬物体压入其表面的能力 常用硬度试验方法 布氏硬度测试法 洛氏硬度测试法 维氏硬度测试法 布氏硬度试验原理 用一定直径的压头 球体 以相应试验力压入待测表面 保持规定时间卸载后 测量材料表面压痕直径 以此直径对照布氏硬度表查得相应硬度值 1 压头材质表示方法淬火钢球 HBS硬质合金钢球 HBW 2 布氏硬度值与压头选择布氏硬度值 450的材料 选用淬火钢球头 例如 200HBS 350HBS 布氏硬度值450 650的材料 选用硬质合金球压头 例如 550HBW 600HBW 布氏硬度标注方法 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 布氏硬度特点 优点 测量误差小 因压痕大 数据稳定 重复性强 缺点 压痕面积较大 测量费时 应用 常用于测量较软材料 灰铸铁 有色金属 退火正火钢材的硬度 不适于测量成品零件或薄件的硬度 洛氏硬度试验原理 用锥顶角为120 的金刚石圆锥或直径1 588mm的淬火钢球 以相应试验力压入待测表面 保持规定时间卸载后卸除主试验力 以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值 根据压头的种类和总载荷的大小 洛氏硬度分为三种 HRA 金刚石圆锥压头 588N总载荷HRB 1 16钢球压头 980N总载荷HRC 金刚石圆锥压头 1470总载荷 洛氏硬度标注方法 70 85HRA 20 70HRC 25 100HRB 注 HRA HRB HRC分别测得的硬度 不可直接比较大小 但可以通过查表的方式进行互换 例如 50HRC40HRC 洛氏硬度特点 优点 测量操作简单 方便快捷 压痕小 测量范围大 能测较薄工件 缺点 测量精度较低 可比性差 不同标尺的硬度值不能比较 生产中应用最广泛的硬度试验方法 可用于成品检验和薄件表面硬度检验 不适于测量组织不均匀材料 洛氏硬度应用 维氏硬度试验原理与布氏硬度试验原理基本相同 只是压头改用了金刚石四棱锥体 维氏硬度压头 锥面夹角为136 的金刚石正四棱锥体 以一定的试验力将压头压入试样表面 保持规定时间卸载后 在试样表面留下一个四方锥形的压痕 测量压痕两对角线长度 以此计算出硬度值 维氏硬度试验原理 用压痕两对角线的平均长度来计算 HV F S 维氏硬度试验原理 维氏硬度标注方法与布氏硬度基本相同 在后面要标注试验条件 试验力和保持时间 10 15S不标 实例 580HV30表示用30kgf 294 2N 试验力保持10 15S测定的维氏硬度值为580 维氏硬度特点 优点 适用范围广 从极软到极硬材料都可测量 测量精度高 可比性强 能测较薄工件 缺点 测量操作较麻烦 测量效率低 应用 广泛用于科研单位和高校 用于薄件表面硬度检验 不适于大批生产和测量组织不均匀材料 疲劳现象 零件在循环应力的长期作用下 即使工作时承受的应力低于材料的屈服点或规定残余伸长应力 在经受一定的应力循环后也会发生突然断裂 这种现象称为疲劳现象 疲劳 Fatigue 疲劳极限 1 表示金属材料在无数次交变载荷作用而不破坏的最大应力 疲劳极限 1 钢材的循环次数一般取N 107有色金属的循环次数一般取N 108 疲劳曲线 提高疲劳极限途径 改善零件的结构形状降低表面粗糙度值采取表面强化 韧性 Toughness 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力 冲击试验机 冲击试样和冲击试验示意图 金属的夏比冲击试验 试样冲断时所消耗的冲击功Ak为 Ak mgH mgh J g 试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸收功 冲击韧度ak 断裂韧性K1 J m 在实际生产中 有些大型传动零件 高压容器 船舶 桥梁等 常在其工作应力远低于 S的情况下 突然发生低应力脆断 通过大量研究认为 这种破坏与制件本身存在裂纹和裂纹扩展有关 实际使用的材料 不可避免地存在一定的冶金和加工缺陷 如气孔 夹杂物 机械缺陷等 它们破坏了材料的连续性 实际上成为材料内部的微裂纹 在服役过程中 裂纹扩展的结果 造成零件在较低应力状态下 即低于材料的屈服强度 而材料本身的塑性和冲击韧性又不低于传统的经验值的情况下 发生低应力脆断 材料中存在的微裂纹 在外加应力的作用下 裂纹尖端处存在有较大的应力集中和应力场 断裂力学分析指出 这一应力场的强弱程度用应力强度因子K1描述 随应力的增大 K1也随之增大 当K1增大到一定值时 就可使裂纹前端某一区域内的内应力大到足以使裂纹失去稳定而迅速扩展 发生脆断 这个K1的临界值称为临界应力强度因