工程材料的基础性能课件

第2章工程材料的基础性能 学习要点 2 1静载时材料的力学性能2 2材料的动载力学性能2 3材料的高 低温力学性能2 4材料的物理和化学性能 使用性能 材料在使用过程中所表现的性能 包括力学性能 物理性能和化学性能 力学性能是指材料受到外加载荷作用时所反映出来的性能 工艺性能 材料在加工过程中所表现的性能 包括铸造性能 热处理性能 可锻性 可焊性和切削加工性等 2 1静载时材料的力学性能 第2章工程材料的基础性能 根据机械零件在机械中所处的部位不同 外加载荷的性质有以下三种 1 静载荷 即施加载荷的速度比较缓慢 是指大小不随时间的变化而发生变化的载荷 2 冲击载荷 施加载荷的速度很快 带有冲击的性质 3 交变载荷 所施加的载荷大小 方向随时间而变化 2 1静载时材料的力学性能 2 1静载时材料的力学性能 第2章工程材料的基础性能 1 拉伸试验与应力应变曲线 图2 1标准试样和低碳钢的拉伸曲线 2 1静载时材料的力学性能 第2章工程材料的基础性能 图2 2几种典型材料的拉伸曲线 曲线1 高碳钢淬火低温回火曲线2 低合金结构钢曲线3 黄铜曲线4 陶瓷 玻璃类脆性材料曲线5 橡胶类材料曲线6 工程塑料 2 1静载时材料的力学性能 2 弹性与刚度 第2章工程材料的基础性能 弹性 不产生永久变形的能力 Re为不产生永久变形的最大应力 称为弹性极限 刚度 产生单位弹性变形时所需应力的大小 指标为弹性模量E 弹性模量是一个结构不敏感参数 即E主要取决于基体金属的性质 除随温度升高而降低外 其他强化材料的手段 如热处理 冷热加工 合金化等对弹性模量的影响很小 一般可以通过增加横截面积或改变截面形状的方法来提高零件的刚度 2 1静载时材料的力学性能 3 强度 第2章工程材料的基础性能 强度 材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力 根据外力加载方式不同 有拉伸强度 抗压强度 抗弯强度 抗剪强度 抗扭强度等 1 上屈服强度Reff 试样发生屈服而力首次下降前的最高应力 式中 Reff 试样发生屈服而力首次下降前的最高应力 N S0 试样的原始横断面积 mm2 MPa 2 1静载时材料的力学性能 2 下屈服强度ReL 在屈服期间 不计初始瞬时效应时的最低应力 第2章工程材料的基础性能 MPa 式中 FeL 在屈服期间 不计初始瞬时效应时的最低应力N 图2 3上屈服强度和下屈服强度 2 1静载时材料的力学性能 3 规定非比例延伸强度Rp 第2章工程材料的基础性能 非比例延伸率等于规定的引申计标距百分率时 例如 p 对应的应力称为规定非比例延伸强度 用Rp表示 图2 4规定非比例延伸强度 2 1静载时材料的力学性能 3 规定非比例延伸强度Rp 第2章工程材料的基础性能 非比例延伸率等于规定的引申计标距百分率时 例如 p 对应的应力称为规定非比例延伸强度 用Rp表示 图2 4规定非比例延伸强度 Rp0 2表示规定非比例延伸率 p为0 2 时的应力 2 1静载时材料的力学性能 4 规定残余延伸强度Rr 第2章工程材料的基础性能 卸除应力后残余延伸率等于规定的引伸计标距百分率时 例如 r 对应的应力为称为残余延伸强度 用符号为Rr表示 Rr0 2表示规定残余延伸率 r为0 2 时的应力 2 1静载时材料的力学性能 5 抗拉强度Rm 材料在拉断前所能承受的最大拉应力值 第2章工程材料的基础性能 MPa 式中 Fm 试样断裂前所承受的最大载荷 N 2 1静载时材料的力学性能 4 塑性 第2章工程材料的基础性能 材料在载荷作用下 产生塑性变形而不被破坏的能力称为塑性 可以用延伸率和断面收缩率来表示 1 断后伸长率 2 断面收缩率 金属材料的断后伸长率 A 和断面收缩率 Z 数值越大 表示材料的塑性越好 2 1静载时材料的力学性能 5 硬度 第2章工程材料的基础性能 硬度是指金属材料抵抗比它更硬的物体压入其表面的能力 即受压时抵抗局部塑性变形的能力 根据测量用压力和压头的不同 可以获得不同的硬度指标 常用的硬度指标有布氏硬度 洛氏硬度和维氏硬度 P 荷载 N D 球体直径 mm h 压痕深度 mm d 压痕平均直径 mm 1 布氏硬度 第2章工程材料的基础性能 2 1静载时材料的力学性能 布氏硬度的表示方法 第2章工程材料的基础性能 硬度数值 HBW 硬质合金球直径 试验力 试验力保持时间 例2 1200HBWl0 1000 30表示用直径为10mm的硬质合金球 在9800N的载荷下保持30s时测得布氏硬度值为200 2 1静载时材料的力学性能 第2章工程材料的基础性能 布氏硬度的优缺点 优点 测量误差小 数据稳定 缺点 压痕大 不能用于太薄件 成品件及硬度大于650HBW的材料 主要用于硬度较低的退火钢 正火钢 调质钢 铸铁 有色金属及轴承合金等的原料和半成品的硬度测量 不适合于测定薄件以及成品件 2 1静载时材料的力学性能 第2章工程材料的基础性能 2 洛氏硬度 洛氏硬度 h 卸除主试验力后 在初试验力下压痕残留的深度 即残余压痕深度 mm S 给定标尺的硬度单位 mm N 给定标尺的硬度数 2 1静载时材料的力学性能 第2章工程材料的基础性能 根据压头类型和主载荷不同 分为九个标尺 A B C D E F G H K N与T标尺 常用的洛氏硬度有HRA HRB HRC三种 其中HRC在生产中应用最广 洛氏硬度的表示方法为 硬度值 硬度符号例如 59HRC表示用洛氏硬度的C标尺测得的洛氏硬度值为59 2 1静载时材料的力学性能 第2章工程材料的基础性能 洛氏硬度的优缺点 优点 操作简便 压痕小 测量范围大 可用于成品及薄件的检验 缺点 测量结果分散度大 重复性差 不适用具有粗大 不均匀组织材料的硬度测定 测量结果也不及布氏硬度试验准确 2 1静载时材料的力学性能 第2章工程材料的基础性能 3 维氏硬度 HV P Av 1 8544P d2 P 载荷 N d 压痕直径 mm 2 1静载时材料的力学性能 第2章工程材料的基础性能 维氏硬度的标注方法与布氏硬度相同 硬度数值写在符号的前面 试验条件写在符号的后面 例如 640HV30 20表示在30kgf 294 2N 试验力作用下 保持20s 10 15s不标注 测得的维氏硬度值为640 640HV30表示在30kgf 294 2N 试验力作用下 保持10 15s 测得的维氏硬度值为640 标准规定 对于钢及铸铁的试验力保持时间为10 15s时 可以不标注 2 1静载时材料的力学性能 第2章工程材料的基础性能 维氏硬度的主要特点 测得的硬度值精确 所用载荷小 压痕深度浅 适用于测量零件薄的表面硬化层 金属镀层及薄片金属的硬度 载荷可调范围大 故对软硬材料均适用 测定范围0 1000HV 需要精确测定材料硬度时 常采用维氏硬度 各硬度试验法测得硬度值不能直接进行比较 必须通过硬度换算表换算成同一种硬度值后 方可比较其大小 2 1静载时材料的力学性能 第2章工程材料的基础性能 2 2材料的承受冲击载荷时力学性能 2 1静载时材料的力学性能 2 2材料的承受冲击载荷时力学性能 2 2 1冲击韧度 材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力 称为材料的韧性 它是材料强度和塑性的综合表现 评定材料韧性的指标主要有冲击韧度和多冲抗力 第2章工程材料的基础性能 2 1静载时材料的力学性能 2 2材料的承受冲击载荷时力学性能 1 冲击韧度 Titanic号钢板 左图 和近代船用钢板 右图 的冲击试验结果 第2章工程材料的基础性能 2 1静载时材料的力学性能 2 2材料的承受冲击载荷时力学性能 冲击吸收功是一个由强度和塑性共同决定的综合性机械性能指标 实验表明 塑性 韧性越高 材料抵抗大能量冲击的能力越强 但在小能量多次冲击的情况下 决定材料抗冲击能力的主导因素是强度 提高材料的冲击吸收功值并不能有效提高使用寿命 因此 根据AK值可评定材料对大能量冲击载荷的抵抗能力 第2章工程材料的基础性能 2 1静载时材料的力学性能 2 2材料的承受冲击载荷时力学性能 2 多冲抗力 测定材料在一定冲击能量下 开始出现裂纹和最后破断的冲击次数作为多冲抗力的指标 用冲击次数N来表示 第2章工程材料的基础性能 2 1静载时材料的力学性能 2 2材料的承受冲击载荷时力学性能 金属材料受到很大能量的冲击载荷作用时 其冲击抗力主要决定于 k值 在小能量多次冲击条件下 其冲击抗力则主要取决于材料的强度和塑性 当冲击能量高时 材料的塑性起主导作用 在冲击能量低时 则强度起主导作用 因此 k值一般不直接用于冲击强度计算 而仅作参考 第2章工程材料的基础性能 2 1静载时材料的力学性能 2 2材料的承受冲击载荷时力学性能 2 2 2 疲劳强度 疲劳断裂是指在交变载荷的作用下 零件经过较长时间工作或多次应力循环后所发生的断裂现象 交变应力是指应力的大小和方向随着时间发生周期性循环变化的应力 疲劳断裂有如下特点 1 引起疲劳断裂的应力很低 常常低于静载下的屈服强度 2 断裂时无明显的宏观塑性变形 无预兆而是突然地发生 为脆性断裂 3 疲劳断口能清楚地显示出裂纹的形成 扩展和最后断裂三个阶段 第2章工程材料的基础性能 2 1静载时材料的力学性能 2 2材料的承受冲击载荷时力学性能 2 2 2 疲劳强度 疲劳断裂是指在交变载荷的作用下 零件经过较长时间工作或多次应力循环后所发生的断裂现象 交变应力是指应力的大小和方向随着时间发生周期性循环变化的应力 第2章工程材料的基础性能 2 1静载时材料的力学性能 2 2材料的承受冲击载荷时力学性能 当应力低于一定值时 试样可以经受无限周期循环而不破坏 此应力值称为材料的疲劳极限 亦称疲劳强度 钢铁材料规定次数为107 有色金属合金为108 提高零件的疲劳极限的措施 改善零件的结构形状 避免应力集中 降低零件表面粗糙度值采取各种表面强化处理如喷丸处理 表面淬火及化学热处理等 第2章工程材料的基础性能 2 1静载时材料的力学性能 2 2材料的承受冲击载荷时力学性能 低应力脆断是在应力作用下 裂纹发生的扩展 当裂纹扩展到一定临界尺寸时 裂纹发生失稳扩展 即自动迅速扩展 造成构件突然断裂 2 2 3断裂韧性 图2 10含中心穿透裂纹的无限大板的拉伸 第2章工程材料的基础性能 2 1静载时材料的力学性能 2 2材料的承受冲击载荷时力学性能 应力强度因子 描述裂纹尖端附近应力场强度的指标 第2章工程材料的基础性能 2 1静载时材料的力学性能 2 2材料的承受冲击载荷时力学性能 断裂韧度取决于材料成分 组织和结构 因此 适当调整成分 通过合理的冶炼 加工和热处理以获得最佳的组织 从而大幅度提高材料的断裂韧度 提高裂纹构件的承载能力 该指标应用于抗断设计 第2章工程材料的基础性能 2 1静载时材料的力学性能 2 2材料的承受冲击载荷时力学性能 2 3材料的高 低温力学性能 2 3材料的高 低温力学性能 2 3 1高温机械性能 材料在高温下机械性能的一个重要特点就是产生蠕变 蠕变是指材料在长时间的恒温 恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象 由于蠕变变形而最后导致金属材料的断裂称为蠕变断裂 常用的材料蠕变性能指标为蠕变极限和持久强度极限 第2章工程材料的基础性能 2 1静载时材料的力学性能 2 2材料的承受冲击载荷时力学性能 2 3材料的高 低温力学性能 是指在给定温度T 单位 下和规定的试验时间t 单位h 内 使试样产生一定蠕变伸长量所能承受的最大应力 用符号表示 例如 100MN m2 即表示材料在500 105h内 产生的变形量为l 时所能承受的应力为100MN m2 蠕变极限 第2章工程材料的基础性能 2 1静载时材料的力学性能 2 2材料的承受冲击载荷时力学性能 2 3材料的高 低温力学性能 是指材料在给定温度T 单位 和规定的持续时间t 单位h 内引起断裂的最大应力值 用符号表示 例如 300MN m2 表示材料在700 经1000h所能承受的断裂应力为300MN m2 持久强度极限 第2章工程材料的基础性能 2 1静载时材料的力学性能 2 2材料的承受冲击载荷时力学性能 2 3材料的高 低温力学性能 2 3 2低温机械性能 当试验温度低于某一温度Tk时 材料由韧性状态变为脆性状态 冲击吸收功明显下降 即低温脆性 转变温度Tk称为韧脆转变温度 亦称冷脆转变温度 图2 11冲击功随温度的变化曲线 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 第2章工程材料的基础性能 2 1静载时材料的力学性能 2 2材料的承受冲击载荷时力学性能 2 4材料的物理和化学性能 2 4材料的物理和化学性能 2 4 1材料的物理性能 材料的物理性能包括密度 熔点 导电性 导热性 热膨胀性 磁性等 1 密度 密度是指材料单位体积的质量 单位为kg m3 密度是材料的一种特性 一般将密度小于4 5 103kg m3的金属称为轻金属 密度大于4 5 103kg m3的金属称为重金属 比强度 材料的抗拉强度与材料比重之比 比强度可以比较不同材料在相同质量下的强度 第2章工程材料的基础性能 2 1静载时材料的力学性能 2 2材料的承受冲击载荷时力学性能 2 4材料的物理和化学性能 2 熔点 熔点是指金属由固态转变成液态时的温度 通常 材料的熔点越高 在高温下保持高强度的能力越强 第2章工程材料的基础性能 2 1静载时材料的力学性能 2 2材料的承受冲击载荷时力学性能 2 4材料的物理和化学性能 3 导电性 根据导电性的好坏 常把材料分成导体 绝缘体和半导体 金属一般具有较好的导电性 当金属的组织变化时 将引起电阻率的变化 例如 杂质元素增加或形成固溶体将使电阻率升高 淬火时马氏体相变或冷变形也使电阻率升高 通常 随温度的升高金属的电阻率增加 而非金属材料的电阻率随温度的升高而降低 第2章工程材料的基础性能 2 1静载时材料的力学性能 2 2材料的承受冲击载荷时力学性能 2 4材料的物理和化学性能 4 磁性 磁性是指材料所具有的导磁性能 按在外磁场中表现出来的磁性强弱 金属材料可分为铁磁性材料 顺磁性材料和抗磁性材料 铁磁性材料是指在外加磁场中能强烈地被磁化的材料 顺磁性材料是指在外加磁场中只能微弱地被磁化 抗磁性材料是指能抗拒或削弱外加磁场对本身的磁化作用的材料 磁性只存在于一定温度内 在高于一定温度时 其磁性就会消失 如铁在770以上就没有磁性 这一温度称为居里点 第2章工程材料的基础性能 2 1静载时材料的力学性能 2 2材料的承受冲击载荷时力学性能 2 4材料的物理和化学性能 5 导热性 导热性是指材料传导热量的能力 通常用热导率表示 热导率是指单位时间内 通过垂直于热流方向单位截面积上的热流量 单位为W m K 材料导热性受温度影响 一般随温度增高而稍有增加 第2章工程材料的基础性能 2 1静载时材料的力学性能 2 2材料的承受冲击载荷时力学性能 2 4材料的物理和化学性能 6 热膨胀性 热膨胀是指随着温度变化 材料的体积也发生变化 膨胀或收缩 的现象 是衡量材料热稳定性好坏的一个重要指标 一般用线膨胀系数衡量 即温度变化1 时 材料长度的增减量与其在0 时的长度之比 第2章工程材料的基础性能 2 1静载时材料的力学性能 2 2材料的承受冲击载荷时力学性能 2 4材料的物理和化学性能 2 4 2材料的化学性能 化学性能通常指材料与周围介质发生化学或电化学反应的性能 1 耐腐蚀性耐腐蚀性是指材料抵抗各种介质侵蚀的能力 2 抗氧化性抗氧化性是指材料在高温条件下抗空气 水蒸气 炉气等氧化的能力 金属抗氧化的机理是在高温下材料表面迅速氧化形成一层致密的并与母体结合牢固的保护性氧化膜 阻止进一步氧化 第2章工程材料的基础性能 2 1静载时材料的力学