工程材料的主要性能.ppt

第1章工程材料的主要性能 分类 工程材料种类繁多 常见分类方法 按成分分类 金属材料 复合材料 陶瓷材料 高分子材料 本章重点内容 学习目的 通过本章的学习 掌握材料常用的力学性能指标及力学性能指标在选材中的应用 1 常用的力学性能指标2 力学性能指标在选材中的意义 思考 材料的性能有哪些 材料的性能是由什么决定的 如何衡量这些性能 不同服役条件下应具备哪些性能 第1节材料的性能 使用性能 材料的性能 工艺性能 力学性能 物理性能 化学性能 铸造性 可锻性 可焊性 切削加工性 热处理性 材料的性能有哪些 材料的性能包含使用性能和工艺性能 使用性能 是指材料在服役条件下 为保证安全可靠地工作 材料所必须具备的性能 如 力学性能 物理性能 化学性能 工程材料使用性能的好坏 决定了它的使用寿命和应用范围 工艺性能 是指制造工艺过程中材料适应某种成形加工的性能 如 铸造性 锻造性 焊接性 切削加工性 热处理工艺性 工程材料工艺性能好坏 直接影响零件或构件的制造方法和制造成本 1 1 1材料的力学性能 力学性能 是指金属材料在外力作用时表现出来的性能 外力形式 拉伸 压缩 弯曲 剪切 扭转等 载荷形式 静载荷 冲击载荷 交变载荷等 一 低碳钢常温静载拉伸实验 标准拉伸试样 长试样L0 10d0短试样L0 5d0应力 单位横截面积的内力 1 拉伸曲线分析 oe弹性变形阶段csd屈服阶段db强化阶段bk缩颈阶段k试样断裂 1 拉伸曲线分析 弹性变形阶段 e点以前产生的变形是可以恢复的弹性变形 e点对应了弹性变形阶段的极限值 称为弹性极限 以 e表示 单位为Mpa oe段近似为一直线 直线的斜率代表弹性模量E 弹性模量E是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标 E愈大 使其产生一定量弹性变形的应力也应愈大 弹性模量的大小主要取决于金属的本性 晶格类型和原子结构 而与金属的显微组织无关 工程上称为材料的刚度 表示材料弹性变形抗力的大小 1 拉伸曲线分析 屈服阶段 图形上出现平台 即载荷无明显增加 试样继续伸长 材料丧失了抵抗变形的能力 这种现象叫屈服 当应力超过 e时 试样开始出现塑性变形 s为屈服阶段的最小应力 称为屈服强度 屈服点 式中Fs 屈服时的最小载荷 N S0 试样原始截面积 mm2 其含义是 当 s时 认为材料开始产生塑性变形 当 s时 认为材料不产生塑性变形 零件发生塑性变形 意味着零件散失了对尺寸和公差的控制 因此工程中常根据 s确定材料的许用应力 1 拉伸曲线分析 屈服阶段 对于铸铁等脆性材料 无明显屈服阶段 可用规定残余伸长应力 0 2表示 0 2表示试样卸除载荷后 其标距部分的残余伸长率达到0 2 时的应力 也称为名义屈服强度 1 拉伸曲线分析 强化阶段 在屈服阶段以后 欲使试样继续伸长 必须不断加载 即随着试样塑性变形增大 试样变形抗力也逐渐增加 这种现象称为变形强化 或称加工硬化 材料在拉断前所承受的最大应力称为抗拉强度 b 式中Fb 试样断裂前所承受的最大载荷 N S0 试样原始截面积 mm2 其含义是 当 b时 材料将会断裂 当 b时 材料不会断裂 1 拉伸曲线分析 缩颈阶段 当应力达到 b时 试样就在某个薄弱部位形成缩颈 由于试样局部截面的逐渐减小 故应力也逐渐降低 当达到曲线上的k点时 试样发生断裂 2 强度指标 强度是指材料在静载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力 其中抵抗塑性变形的能力 用屈服强度 s表示 无明显屈服阶段 可用规定残余伸长应力 0 2表示 抵抗断裂的能力 用抗拉强度 b表示 s与 b的比值叫做屈强比 屈强比愈小 工程构件的可靠性愈高 屈强比太小 则材料强度的有效利用率太低 一般取值在0 65 0 75 断面收缩率 塑性是指材料断裂前发生最大变形的能力 3 塑性指标 断后伸长率 式中L0 L1 分别为试样原始标距和被拉断后的标距 mm 式中S0 S1 分别为试样原始截面积和断裂后缩颈处的最小截面积 mm2 塑性对材料的意义a 提高安全性 塑性好的材料 在受力过大时 首先产生塑性变形而不突然断裂 因此比较安全 b 便于压力加工成型 塑性好的材料可以发生大量塑性变形而不破坏 易于通过塑性变形加工成形状复杂的零件 加工硬化 材料经过加工产生塑性变形后 强度 硬度上升 而韧性 塑性下降的现象 4 加工硬化 二 硬度实验 材料抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度 即受压时抵抗局部塑性变形的能力 硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念 硬度试验简单易行 又无损于零件 而且可以近似的推算出材料的其他机械性能 因此在生产和科研中应用广泛 硬度试验方法很多 机械工业普遍采用压入法来测定硬度 压入法又分为布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度等 1 布氏硬度 实验过程 一定直径的球体 钢球或硬质合金球 在一定载荷作用下压入试样表面 保持一定时间后卸除载荷 测量其压痕直径 计算硬度值 布氏硬度值用球面压痕单位表面积上所承受的平均压力来表示 用符号HBS 当用钢球压头时 或HBW 当用硬质合金球时 来表示 HBS HBW F A 2F D D D2 d2 1 2 1 布氏硬度 布氏硬度表示方法 标注 如120HBS10 1000 10 即表示用直径D 10mm的淬火钢球压头在1000kgf 9 8KN 的试验载荷作用下 保持10秒所测得布氏硬度值为120 HBS只可用来测定硬度值小于450的金属材料 500HBW5 750表示用直径D 5mm的硬质合金球压头在750kgf 7 35KN 的试验载荷作用下 保持10 15秒 不标注 所测得布氏硬度值为500 HBW可用来测定硬度值450 650的金属材料 1 布氏硬度 布氏硬度特点 布氏硬度试验的压痕较大 测量数值稳定 准确 能很好的反应材料的硬度 但操作时间较长 对不同材料需要不同的压头和试验力 压痕直径测量费时 因此不适用批量生产 成品及薄件 在进行高硬度材料试验时 由于球体本身的变形会使测量结果不准确 因此 用淬火钢球压头测量时 材料硬度值必须小于450 用硬质合金球压头时 材料硬度值必须小于650 布氏硬度应用 布氏硬度测定主要适用于各种未经淬火的钢 退火 正火状态的钢 结构钢调质件 铸铁 有色金属 质地轻软的轴承合金等原材料 2 洛氏硬度 实验过程 将金刚石压头 或钢球压头 在先后施加两个载荷 预载荷F0和主载荷F1 的作用下压入金属表面 总载荷F为预载荷F0和主载荷F1之和 卸去主载荷F1后 测量其残余压入深度h 用h与h0之差 h来计算洛氏硬度值 预加载荷的目的是使压头与试样表面接触良好 以保证测量结果准确 硬度值的大小直接由硬度计表盘上读出 布氏硬度表示方法 2 洛氏硬度 标注 如40 45HRC 常见洛氏硬度标尺的实验条件及应用 2 洛氏硬度 洛氏硬度特点 操作简便迅速 能直接从刻度盘上读出硬度值 压痕小 可以测定成品及较薄零件 测试的硬度值范围大 从很软到很硬的金属材料均可测量 缺点是 压痕小 测量数值代表性差 通常需要在不同部位测试数次 取平均值 3 维氏硬度 实验过程 是用一种顶角为136 的正四棱锥体金钢压头 在载荷F kgf 作用下 试样表面压出一个四方锥形压痕 测量压痕对角线长度d mm 供以计算试样的硬度值 根据d值查表即可得到硬度值 为了从软到硬的各种金属材料有一个连续一致的硬度标度 因而制定了维氏硬度试验法 3 维氏硬度 维氏硬度表示方法 维氏硬度用符号HV表示 HV前面为硬度值 HV后面的数字按试验载荷 试验载荷保持时间 10 15s不标注 的顺序表示试验条件 例如 640HV30表示用294 2N 30kgf 的试验载荷 保持10 15s 不标出 测定的维氏硬度值为640 640HV30 20表示用294 2N 30kgf 的试验载荷 保持20s测定的维氏硬度值为640 维氏硬度应用 维氏硬度试验主要用来测定金属镀层 薄片金属以及化学热处理 如氮化 渗碳等 后的表面硬度 三 夏比冲击实验 材料断裂前吸收变形能量的能力 韧性 冲击韧性 冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力 三 夏比冲击实验 实验过程 Ak mg h1 h2 单位为焦耳 冲击吸收功Ak 冲击韧度ak ak 冲击破坏所消耗的功Ak 标准试样断口截面积F 单位为焦耳 厘米 J cm 三 夏比冲击实验 ak值低的材料叫做脆性材料 断裂时无明显变形 ak值高 明显塑变 断口呈灰色纤维状 无光泽 韧性材料 韧脆转变温度 冲击吸收功急剧变化或断口韧性急剧转变的温度区域 四 疲劳强度 机械零件的断裂80 由疲劳造成 承受周期性循环应力或交变应力作用 应力往往远小于强度极限甚至屈服极限 突然断裂 疲劳断裂过程 疲劳裂纹萌生 疲劳裂纹扩展 断裂三个阶段 四 疲劳强度 疲劳强度 影响因素 循环应力特征 温度 材料成分和组织 夹杂物 表面状态 残余应力等 材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值 循环基数 钢铁材料107 非铁金属108 腐蚀介质作用下106 陶瓷 高分子材料的疲劳抗力很低 金属材料疲劳强度较高 纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能 1 1 2材料的物理 化学性能 材料的物理性能 密度 熔点 导热性 导电性 热膨胀性 磁性 1 1 2材料