工程材料(第一章).ppt

第一章 工程材料的性能 性能 工艺性能 铸造性能 可锻性 可焊性 切削加工性和热处理工艺性等 使用性能 力学性能 强度 硬度 塑性 韧性 疲劳强度等 化学性能 抗氧化性和耐腐蚀性 物理性能 密度 熔点 导电性 导热性 热膨胀性和磁性等 零件失效的形式 起落架横梁断裂 磨损 疲劳断裂 1 1强度与塑性strengthandplasticity 1 1 1抗拉强度及刚度 力学性能 力学性能 在载荷作用下材料抵抗塑性变形和断裂的能力 测定方法 拉伸试验 力学性能 一 强度Strength 注 依载荷不一样仍有区分 但一般多指抗拉强度 简称强度 强度单位 MPa MN m2 力学性能 拉伸试验设备及标准试样 低碳钢拉伸时的应力 应变TheStress strainbehavioroflowcarbonsteel specimen 低碳钢拉伸时的应力 应变TheStress strainbehavioroflowcarbonsteel OA段 弹性变形elasticdeformation ABC段 屈服yield CDE段 塑性变形plasticdeformation E 断裂fracture 拉伸三个阶段 弹性变形阶段0 p e 弹塑性变形阶段 屈服 强化 颈缩 e ss s s bb k 断裂k o Fs 拉力 b k s s p e 伸长量mm Dl Fb 拉伸曲线 力学性能 拉伸三个阶段 弹性变形阶段0 p e 弹塑性变形阶段 屈服 强化 颈缩 e ss s s bb k 断裂k 力学性能 o s MPa b k s s p e e DL Lo b 应力 试样单位面积上所承受的力 应变 试样单位长度上的伸长量 力学性能 强度的指标 材料所能承受的极限应力 F A 强度Strength 屈服强度yieldstrength 抗拉强度tensilestrength Stress straincurveofannealedlowcarbonsteel 1 屈服强度YieldStrength p表示比例极限 e表示弹性极限 o s MPa b k s s p e e Dl Lo b 屈服强度 s 指材料产生屈服时的最小应力 力学性能 2 抗拉强度 b TensileStrength指材料拉伸所能承受的最大应力 p比例极限 e弹性极限 s屈服极限 b强度极限 o s MPa b 力学性能 应用与判断 W s不发生塑变 W b不发生断裂 力学性能 思考 有了强度指标 是否我们就可以成功的完成飞机的设计任务了呢 例如 设计飞机机翼时 W s只弹变不塑变 是否就可以了呢 力学性能 3 刚度与弹性模量 刚度rigidity是指零件或构件抵抗弹性变形的能力 取决于材质与结构形状 材质方面取决于它的弹性模量 力学性能 弹性模量modulusofelasticity 是指在比例极限 p 范围内 应力与应变之比 E s e 力学性能 1 1 2塑性plasticity在外力作用下材料产生永久变形而不被破坏的能力 断面收缩率 即 A0 A1y 100 A0 伸长率 L1 L0 100 L0 力学性能 截面收缩率Contractionratioofareaatfractureface 塑性Plasticity 延伸率Tensileelongation 0 0 100 LL L d 注 试样分长短两种 同一材料的 5 10 与试样的尺寸无关 值越大 表示金属的塑性越好 力学性能 不直接用于工程设计 良好的塑性可以顺利地完成某些成型工艺 如翼肋 火焰筒的冷冲压及涡轮盘 涡轮轴的锻造等 良好的塑性还可以在一定程度上保证零件的工作安全 在零件使用时万一超载 塑性变形引起的强化作用使零件不致于突然断裂 过高地追求塑性 会降低材料的强度 应用 1 2硬度Hardness 材料抵抗表面划伤 磨损或局部塑性变形及破坏的能力 常用硬度测定方法 硬物压入法布氏硬度 BrinellHardness HB 洛氏硬度 RockwellHardness HR 力学性能 1 2 1布氏硬度 HB 硬物 球形压头 D 10 5 2 5 2 1mm 载荷 P kgf P D h d HBS 普通淬火钢球硬度值在450以下HBW 硬质合金球硬度值在450 650HBS HBW P F 力学性能 布氏硬度HB Brinell hardness 布氏硬度 F 载荷 Force A 面积 Area 特点 压坑面积大 受材料不均匀度影响小 故测量误差小 硬度值准确 真实 布氏硬度 HB 1 2 2洛氏硬度 HR 硬物 顶角120 金钢石圆锥或直径为 1 588mm淬火钢球 力学性能 洛氏硬度HR Rockwellhardness HR HardnessRockwell 载荷 初载荷10kg并压入深度h1 主载荷 50kg或90kg或140kg 使压入深度达h2 卸除主载荷 保留初载荷 压入深度减小为h3 洛氏硬度的计算深度值 h h3 h1 HR 硬物 顶角120 金钢石圆锥 或 1 588mm淬火钢球 K h 0 002 洛氏硬度 HR 特点 测量简便迅速 直接读数 表面压痕小误差稍大 需多点测量取平均值 洛氏硬度 HR 几种常用洛氏硬度标度 1 2 3维氏硬度 HV 压头 顶角为136 的金刚石正四棱锥体HV 载荷P 分为六级 5 10 20 30 50 100Kg P F 特点 测量精度高 测量范围宽 应用广 不同载荷下维氏硬度可以相互比较 力学性能 维氏硬度HV VickersHardness 硬度的应用 P 6 对于工具 模具和有耐磨性要求的零件的使用性能指标 例如 高速钢车刀 铣刀 钻头等 零件强度的估算 如对于低碳钢 也可采用硬度与强度换算表 见手册 力学性能 旧闻报道 I 北京日报消息 2001年9月 中国民航一架客机起飞后感觉情况异常 随后在密云上空指定区域将所有航空煤油放掉 然后降落 Why 力学性能 旧闻报道 II 北京电台消息 2002年8月北京飞往莫斯科的俄罗斯航空公司的一架伊尔86客机 在飞抵中蒙边境后 由于意外原因不得不返回北京 返回后 又由于重量原因 在北京首都机场上空盘旋了1小时20分钟后 才重新降落北京首都机场 力学性能 力学性能 1 3冲击韧性ImpactToughness 力与速度 能量参数 大能量一次冲击试验 力学性能 冲击试验机 冲击试样和冲击试验示意图impacttest Ak G H h ak J cm2 冲击 h 试样 摆锤 H 备注 P 6金属材料的ak不能直接用于零件的设计计算 冲击吸收功 AK 冲断试样所消耗的功 J 冲击韧性 aK 冲断试样横截面单位面积上所消耗的功 J cm2 Ak S 力学性能 冲击韧性ak Ak Impactwork J S Areaoffractureface cm2 Akak J cm2 S 19世纪瓦特发明了蒸汽机 随后火车得到应用 再随后一段时间 火车轮轴成批断裂 考查结果 W s 历史事件 力学性能 1 4疲劳断裂和疲劳强度 机械零件在交变载荷作用下 其工作应力远小于抗拉强度 甚至小于屈服强度时 在长时间工作后发生突然断裂的现象称为 疲劳断裂 力学性能 机理 缺陷处首先产生疲劳裂纹 并随应力循环不断扩展 直至突然断裂 疲劳断口图 力学性能 疲劳实验 试样 负荷 计数器 电机 轴承支座 力学性能 疲劳曲线是维勒Wohler在1860年为解决火车车轴断裂失效时首先提出的 所以也称维勒曲线 一般钢铁的循环基数N取107次 有色金属的循环基数N取108次 材料承受对称循环交变应力时的疲劳强度用 1表示 钢材的 1只有 b的50 左右 力学性能 疲劳强度fatiguestrength是指材料经无限多次应力循环仍不断裂时的最大应力 它表征了材料抵抗疲劳断裂的能力 采取改进设计 避免尖角连接 降低表面粗糙度值等 采取表面强化工艺 表面淬火 化学热处理 喷丸 滚压等 加强原材料和零件成品的内部缺陷检查也可减少或避免疲劳断裂 预防措施 1 5高温力学性能ThermalProperties 当约比温度T Tm大于0 5时为高温 反之为低温 蠕变就是金属材料长时间的在一定温度 一定应力作用下 即使应力小于 0 2或 s 也会缓慢地发生塑性变形的现象 典型的蠕变曲线分为三个阶段 蠕变减速阶段 稳态蠕变阶段 蠕变加速阶段 直至断裂 a a b c d o 变形 第二阶段 第三阶段 第一阶段 时间 温度压力恒定 力学性能 1 5 1蠕变强度 蠕变强度是指材料在高温长时载荷作用下抵抗塑性变形的能力 1 在规定时间内达到规定变形量的蠕变强度 记为 t单位 MPa 例如 0 2 1000 60MPa 2 稳态蠕变速度达到规定值时的蠕变强度 记为 T v单位 MPa 例如 1 10 5 60MPa 800 T 600 力学性能 1 5 2持久强度 持久强度是指材料在高温长时载荷作用下抵抗断裂的能力 记为 T t例如 1000 30MPa 700 力学性能 1 6材料的物理及化学性能P 9 1 6 1金属的物理Physical 化学性能ChemicalProperties 物理性能 轻金属 密度小于5 103kg m3的金属 如铝 镁 钛及它们的合金 多用于航天航空器上 重金属 密度大于5 103kg m3的金属 如铁 铅 钨等 1 金属的物理性能 1 密度单位体积物质的质量称为该物质的密度 m V 物理性能 2 熔点金属从固态向液态转变时的温度称为熔点 纯金属都有固定的熔点 难熔金属 如钨 钼 钒等 可以用来制造耐高温零件 如在火箭 导弹 燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用 易熔金属 如锡 铅等 可用于制造保险丝和防火安全阀零件等 物理性能 3 导热性导热性通常用热导率来衡量 热导率的符号是 单位是W m K 热导率越大 导热性越好 金属的导热性以银为最好 铜 铝次之 合金的导热性比纯金属差 在制造散热器 热交换器与活塞等零件时 要选用导热性好的金属材料 物理性能 4 导电性传导电流的能力称导电性 用电阻率来衡量 电阻率的单位是 m 电阻率越小 金属材料导电性越好 金属导电性以银为最好 铜 铝次之 合金的导电性比纯金属差 电阻率小的金属 纯铜 纯铝 适于制造导电零件和电线 电阻率大的金属或合金 如钨 钼 铁 铬 适于做电热元件 物理性能 5 热膨胀性热膨胀性用线膨胀系数aL和体胀系数av来表示 由膨胀系数大的材料制造的零件 在温度变化时 尺寸和形状变化较大 轴和轴瓦之间要根据其膨胀系数来控制其间隙尺寸 在热加工和热处理时也要考虑材料的热膨胀影响 以减少工件的变形和开裂 物理性能 6 磁性铁磁性材料 在外磁场中能强烈地被磁化 如铁 钴等 顺磁性材料 在外磁场中只能微弱地被磁化 如锰 铬等 抗磁性材料 能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用如铜 锌等 铁磁性材料可用于制造变压器 电动机 测量仪表等 抗磁性材料则用于要求避免电磁场干扰的零件和结构材料 如航海罗盘 铁磁性材料当温度升高到一定数值时 磁畴被破坏 变为顺磁体 这个转变温度称为居里点 如铁的居里点是770 物理性能 2 金属的抗蚀性 在周围介质的作用下 使金属逐渐受到破坏的现象 化学性能 腐蚀 化学反应 腐蚀的原因化学腐蚀电化学腐蚀 化学性能 材料抵抗环境介质腐蚀的能力叫做材料的抗蚀性 金属的抗蚀性 化学性能 1 化学腐蚀金属与周围介质发生纯化学作用产生的腐蚀 金属在干燥气体中的腐蚀 如高温燃气对涡轮喷气式发动机零部件的腐蚀 金属在非电解液中的腐蚀 如飞机管路系统受汽油 滑油的腐蚀 特点 腐蚀过程中不产生电流 腐蚀速度慢 危害小 化学性能 条件 必须有两相或两种电极电位不同的金属 有电解液 三者相互接触 i 2 电化学腐蚀指金属和周围介质发生电化学作用而产生的腐蚀 特点 伴有电流产生 腐蚀速度快 危害大 化学性能 1 6 2高分子材料的物理 化学性能PropertiesofPolymers 非金属物理化学性能 1 绝缘性高聚物分子的化学键为共价键 不能电离 没有自由电子和可移动的离子 因此是良好的绝缘体 绝缘性能与陶瓷相当 另外 由于高聚物的分子细长 卷曲 在受到热和声的影响之后振动困难 所以对热 声也有良好的绝缘性能 例如 塑料的导热性就只有金属的百分之一以下 非金属物理化学性能 2 耐热性高聚物的耐热性是指它对温度升高时性能明显降低的抵抗能力 塑料的耐热性常采用马丁耐热温度表达 将标准试样 120mm 15mm 10mm 置于马丁耐热仪中 施加一定的静弯应力 5MPa 缓慢加热 使试样末端弯曲到指定大小 6mm 时的温度 即为该塑料的马丁耐热温度 非金属物理化学性能 热固性塑料的耐热性比热塑性塑料高 常用热塑性塑料如聚乙烯 聚氯乙烯 尼龙等 长期使用温度一般在100 以下 热固性塑料如酚醛塑料的长期使用温度为130 150 耐高温塑料如有机硅塑料等 可在200 300 使用 同金属比较 高聚物的耐热性是较低的 这是高聚物的一大不足 非金属物理化学性能 3 耐蚀性高聚物的化学稳定性很高 它们耐水和无机试剂 耐酸和碱的腐蚀 尤其是被誉为塑料王的聚四氟乙烯 不仅耐强酸 强碱等强腐蚀剂 甚至在沸腾的王水中也很稳定 耐蚀性好是塑料的优点之一 非金属物理化学性能 4 老化老化是指高聚物在长期使用和存放过程中 由于受各种因素的作用 性能随时间不断恶化 逐渐丧失使用价值的过程 非金属物理化学性能 1 6 3陶瓷 ceramics 的物理和化学性能1 热膨胀性能热膨胀是温度升高时物质原子振动振幅增大 原子间距增大所导致的体积长大现象 热膨胀系数的大小与晶体结构和结合键强度密切相关 键强度高的材料热膨胀系数低 结构较紧密的材料的热膨胀系数较大 所以陶瓷的线膨胀系数比高聚物低 比金属更低 非金属物理化学性能 2 导热性导热性为在一定温度梯度作用下热量在固体中的传导速率 陶瓷的热传导主要依靠原子的热振动 由于没有自由电子的传热作用 陶瓷的导热性比金属小 受其组成和结构的影响 一般导热系数A 2 50W m K 陶瓷中的气孔对传热不利 所以 陶瓷多为较好的绝热材料 非金属物理化