第四讲 金属材料的力学性能幻灯片.ppt

2020 3 22 1 第三章金属材料的力学性能 材料科学与工程四要素 20世纪基础科学研究方法 简化归纳 2020 3 22 2 也就是说 大的是由小的做成的 把最小的找着 研究清楚 我们就了解了最大的 这个办法就是简化归纳 小的是由更小的构成 要找出更小的 懂得最小的构造 就懂得大的 19世纪末汤姆逊发现电子 20世纪初卢瑟福发现原子核之后 这两个发现连起来就是原子 原子连起来就是分子 分子连起来就是其它物质 所以 了解小的就懂得大的 同时再加上精密的实验科学仪器 非常深刻的理论 创造了整个20世纪物理的成功与辉煌 2020 3 22 3 20世纪中期美国科学家克里克是学物理的 他将 简化归纳 的物理学方法用到生物学上 就和沃森一起发现了DNA 今天基因科学研究方兴未艾 伴随生物学在20世纪下半叶的巨大发展 可以说是直接受到了物理学研究的影响 采取了 简化归纳 的方法 简化归纳 又称为还原论 reductionism 观点 将一个层次上的客体看成由下一层次许多小客体组成 如果把每一部分小客体研究清楚了 凑到一起 则整个客体的规律也就呈现出来 也就是说 一个层级上的规律 可以还原为下一层级的规律 化学定律可以用物理学定律来说明 传统上物理学家所受的均是该类训练 21世纪基础科学研究方法 整体统一 或 突现论 2020 3 22 4 我们要立足新基础科学前沿 一定要将小的与大的联系起来 这个方法可称为 整体统一 李政道认为 整体统一 的科学方法 应该是21世纪最重要的科学方法 整体统一 在物理研究上的重要性 也势必影响到21世纪生物学的研究 因为即便我们把所有的基因都找出来 也不一定明白生物体中生命现象表达的是什么 一定要将小的与大的放到一起研究才有希望 2020 3 22 5 可是 如何在 整体统一 方向着手 我们必须研制出新的 更为精密的实验仪器 必须创造出更严格和更广义的理论 突现论或层涌论 emergentism 观点 整体的性质不能仅是各部分性质简单地相加 下一层次各部分之间还存在着相互作用 存在着相生相克而导致新层次涌现 崭新性质横空出世的机会 每一个层次之间都有不同的 激动人心的 有效的新规律涌现或旧规律黯然消退的特征 这些新规律往往不能从所谓的 更深层次规律 推导出来 应该由多种形式 各层次相互作用场共同作出决定 每个层次规律的涌现与消退 前提 任何事物均存在多重性 单一性质已不存在 材料性质 性能 万物缤纷 绚丽与繁杂的性能 时空缠绕几何的挠率或涡旋构造特征 2020 3 22 6 材料的功能特性和效用 如电 磁 光 热 力学等性质 均可被科学 定量地描述 即材料在相关外界应力作用下所产生的响应已可被推测 如材料的导电性 导热性 光学性能 磁化率 超导转变温度 力学性能等等 后面课程将结合材料功能性用途 分门别类地介绍 材料 为何具备这些奇妙的性质 本堂课程内容 材料作为结构件的用途 讨论其力学性能 2020 3 22 7 第一节航天飞机 宇宙飞船及其材料 太空轨道中飞行器很多 宇宙飞行器 探测器 空间站和人造卫星 航天飞机集火箭 卫星 飞机的优点于一身 既能像火箭一样垂直发射 又能像卫星那样在太空轨道绕地球飞行 还能像飞机那样再入大气层滑翔着陆 呈现出人类科技发展至今的最高水准 美国有五架 其中两架失事 前苏联有一架 2020 3 22 8 固体火箭助推器 共两枚 承担航天飞机起飞时80 的推力 外挂燃料箱 装700多吨液氢 液氧推进剂 它与轨道器相连 轨道飞行器 前段是航天员座舱 后段有垂直尾翼 三台主发动机和两台轨道机动发动机 美国 发现号 航天飞机 2020 3 22 9 宇宙飞船 中国神舟飞船 我国神舟飞船从一号到十号 神舟一号1999 11 20发射 神舟五号2003 10 15发射 首次载人 杨利伟 太空飞行21小时 神舟七号2008 9 25发射 首次太空行走 成为第三个国家 飞行68小时 神舟九号2012 6 16发射 首次实现与天宫一号目标飞行器进行载人交会对接 神舟十与2013 6 11发射 飞行15天 2020 3 22 10 神十飞船的组成 1 轨道舱2 返回舱3 推进舱 轨道舱 提供出舱活动需要的气阀舱功能和航天员生活舱功能 装有泄复压设备 舱外航天服存放架 轨道舱 提 返回舱 航天员上天和返回的乘坐区 是飞船的指挥控制中心 设有仪表显示 报警 照明设备 还有手动操作控制飞船系统 配备有降落伞和反推力火箭 实行软着陆系统 推进舱 安装推进系统发动机和推进剂 飞船电源 环境控制和通信等系统设备 为飞船在轨运行和返回地面提供能源和动力 2020 3 22 11 部件 温度总热寿命 s 热循环 次 环境固体火箭喷管 3200 0 021燃气飞行器鼻锥 1500 50 100100空气 3000 航天发动机推力室 1650 151000燃气导弹再入体飞行器鼻锥 6600 0 011离解气常用材料熔点 Ti 1943K Cr 2130K Cu 1357K Fe 1809K Al 933K W 3680K 2020 3 22 12 洲际导弹再入大气层温度高达6600 任何金属材料都会烧为灰烬 只有C C复合材料仅烧蚀减薄 不会熔融 再入大气层时 表面烧蚀减薄 未烧蚀层与战斗部一起击中目标 2020 3 22 13 2020 3 22 14 航天飞机的材料 轨道器返回地面 速度达到25倍音速 迎流面温度达到1400 3000 机头和机冀 碳基石墨织物全碳复合材料 外层是用化学方法处理过的碳化硅 隔热瓦 厚约3厘米 由两部分构成 外层包覆约1毫米的高辐射陶瓷材料 而内部是导热系数非常低的耐高温陶瓷纤维 绝热泡沫材料 聚异氰酸脂 防止结冰 脱落现象是一个大问题 2020 3 22 15 轨道器壳体框架 舱壁和蒙皮 铝 铝合金比铝合金更好的航天结构材料是 钛合金 铝 锂合金 高性能结构材料 所谓高性能结构材料 是指那些具有高强度 高韧性 耐高温 耐磨损 抗腐蚀等特殊性能的材料 2020 3 22 16 第二节材料的力学性能 材料的力学性能 即材料在一定温度环境中 在外力 载荷 作用下抵抗其变形和断裂的能力 也称材料的机械性能 主要指标是 强度 塑性 硬度 冲击韧性和疲劳强度等 此外 力学性能还包括材料在外力长期或重复作用下 以及材料在外力和环境双重影响因素作用下 抵抗材料损伤和失效的能力 2020 3 22 17 一 强度与塑性及拉伸实验 1 基本概念应力 物体内部任一截面单位面积上所受载荷的作用力 称为应力 以 表示 单位Mpa F F MPa 外力 内力 应力 2020 3 22 18 应变 拉伸时 试样单位长度的伸长量 l l0 F F 拉伸前 拉伸后 2020 3 22 19 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 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 2020 3 22 20 2 拉伸实验 2020 3 22 21 材料的拉伸曲线 应变与应力的关系曲线 2020 3 22 22 k b b 极限载荷点 F e e 弹性极限点 s S 屈服点 K 断裂点 拉伸曲线 o 材料的拉伸曲线 1 oe段 直线 弹性变形 2 es段 曲线 弹性变形 塑性变形 5 b点出现缩颈现象 即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低 拉伸力达到最大值 而后降低 但变形量增大 K点时试样发生断裂 3 ss 段 水平线 略有波动 明显的塑性变形屈服现象 作用的力基本不变 试样连续伸长 4 s b曲线 弹性变形 均匀塑性变形 s 2020 3 22 23 3 强度的衡量指标 强度 材料在载荷作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性 1 弹性极限 2 屈服极限 3 抗拉强度 2020 3 22 24 1 弹性极限 e 指材料在外力作用下 产生弹性变形时所能承受的最大应力 e Fe S0 MPa 它表征了材料抵抗弹性变形的能力 2020 3 22 25 2 屈服极限 材料在外力作用下发生屈服现象时的最小应力 也叫屈服强度 屈服点 S Fs S0 MPa 它表征材料抵抗微量塑性变形的能力 2020 3 22 26 当材料单位面积上所受的应力 e s时 材料将产生明显的塑性变形 条件屈服强度 0 2 F0 2 S0 MPa 屈服强度 是塑性材料选材和评定的依据 0 2 l0 对于低塑性材料或脆性材料 2020 3 22 27 b Fb S0 MPa 3 抗拉强度 b 材料在拉断前所能承受最大载荷时的应力 也叫强度极限 它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力 2020 3 22 28 4 塑性的衡量指标 塑性是指材料在外力作用下 产生永久变形而不引起破坏的能力 1 延伸率 是指材料拉断后标样长度的延伸量与原标距长度之比的百分率 2020 3 22 29 2 断面收缩率 是指试样横截面积的缩减量与原始横截面积之比的百分率 5 为塑性材料 5 为脆性材料 良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件 2020 3 22 30 灰口铸铁和玻璃钢的拉伸曲线 直到拉断 试件的变形很小 断口处横截面积几乎没有变化 为脆性断裂 脆性材料以抗拉强度 b作为其强度指标 2020 3 22 31 2020 3 22 32 二 硬度及硬度试验 硬度是指材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力 常用的测试方法有布氏HB 洛氏HR 维氏HV 2020 3 22 33 1 布氏硬度HB钢球压入表面 kg mm2 布氏硬度计 2020 3 22 34 2 洛氏硬度HR 洛氏硬度以120 金刚石圆锥体钢球压入深度表示 符号为HR 2020 3 22 35 1 1初载10kgh1 2 2总载150kgh2 3 3卸载140kgh3 最后测得 残余压痕深度增量h h h3 h1 HR h 0 002 2020 3 22 36 3 维氏硬度HV 用正菱形金刚石压入 以对角线计算面积 求kg mm2 2020 3 22 37 硬度与结构 化学键愈强 其硬度一般都高 一般价键的硬度 共价键 离子键 金属键 氢键 范德华键 离子键 电价愈大 离子半径愈小 硬度愈高 金属键 纯金属 Mg Ag Au Pb等 较软 熔点也低 而Cr Fe Mo W等较硬 熔点也高 它是由于这些金属的原子结构不同而造成的 2020 3 22 38 三 韧性及冲击试验韧性 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力 金属冲击试验 2020 3 22 39 冲击试验机 冲击试样和冲击试验示意图 2020 3 22 40 试样冲断时所消耗的冲击功Ak为 g 2020 3 22 41 冲击韧度 韧性 ak试样断裂缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸收功 2020 3 22 42 四 断裂韧性 1 低应力脆断材料在工作应力远小于屈服点 抗拉强度 b 时就发生脆性断裂 这种现象叫做低应力的脆断 原因 材料中的裂纹 断裂力学 研究带裂纹材料中裂纹扩展的规律 分析裂纹尖端应力 应变分布 并建立断裂判据 用以解决工程构件中的低应力脆性断裂问题 2020 3 22 43 2 应力强度因子应力与裂纹同时对材料断裂性能的影响 用应力强度因子KI表示 宽板上中心裂纹示意图 是远距离作用的均布应力 是半裂纹长度 当KI KIC 就会断裂 材料中裂纹越长 承受的应力就越小 结论 裂纹的存在使材料的抗拉强度大大下降 2020 3 22 44 当K1达到临界值K1C时 零件内裂纹将发生失稳扩展而出现低应力脆性断裂 而K1 K1C时 零件安全可靠 3 断裂韧性 韧度 K1C 断裂韧度K1c表示材料抵抗裂纹扩展的能力 K1c可通过试验来测定 它是材料本身的特性 与材料成分 热处理及加工工艺等有关 是安全设计的一个重要力学性能指标 2020 3 22 45 常见工程材料的断裂韧度K1C值 MN m 3 2 2020 3 22 46 五 疲劳强度 材料在交变载荷作用下 虽然其应力比材料的抗拉强度小 甚至比屈服强度还小 但是在长期使用的某一时刻也会发生突然断裂 这现象称为疲劳 疲劳强度 当零件所受的应力低于某一值时 即使循环周次无穷多也不发生断裂 称此应力值为疲劳强度或疲劳极限 2020 3 22 47 第三节材料的弹性变形和塑性变形 一 单晶的变形 晶格变形 弹性 晶面滑移 塑性 2020 3 22 48 金属晶体的变形性能取决于 1 晶格类型 2 原子间的力 3 晶面间隔 4 各原子面上的原子密度 2020 3 22 49 以晶胞为基准 不同方位的原子平面中原子密度不同 且相邻平行原子面间距也不同 原子密度大的平面间距也大 2020 3 22 50 对于所有可能的选择来说 塑性变形最易沿原子密度最大 平行晶面间距最大的平面发生 如A及A 平面比B及B 平面有更大的原子密度及晶面间距 平面间原子结合力比B及B 平面弱 滑移阻力小 2020 3 22 51 晶体中原子密度最大的晶面称为滑移面 某种晶格类型的金属是否容易变形 取决于其滑移面和滑移方向的数量 一个滑移面和该面上一个滑移方向组成一个滑移系统 这称为滑移系 滑移系越多的晶格类型 其塑性越好 2020 3 22 52 体心立方 12个滑移系 面心立方 12个滑移系 密排六方 3个滑移系 属脆性的 体心立方原子密度小 塑性变形最好 2020 3 22 53 二 冷变形强化 位错强化塑性变形的应用 许多金属有一种性能 在承受一定变形后 对进一步的塑性流动产生更大的抗力 这种塑性变形中金属强度增加而塑性下降的现象称为冷变形强化或形变硬化 原因 位错密度的增加 塑性变形时 位错数目会明显增加 其结果使位错相互干扰的可能性增加 使进一步运动受阻 通过增加位错密度来提高金属强度的现象称为位错强化 2020 3 22 54 三 多晶体金属的塑性变形多晶体在外力作用下 首先在那些取向比较适宜的晶粒中开始 位错将沿最有利的滑移系运动 达到晶界 由于晶界处原子排列较混乱