第四章--金属材料的性能..ppt

第二篇轮机工程材料 第四章金属材料的性能 工程材料的分类按材料性质和结合键的性质分为 一 金属材料 用量最大 应用最广泛 黑色金属 铁 锰铬或以它们为主形成的合金 有色金属 除黑色金属以外的所有金属及其合金 铜 铝及其合金等 二 陶瓷材料 无机非金属材料 一种或多种金属元素与一种非金属元素的化合物 包括水泥 玻璃 耐火材料和陶瓷等 主要原料是硅酸盐矿物 又称硅酸盐材料 三 高分子材料按来源分为天然高分子材料 蛋白 淀粉 纤维素等 和人工高分子材料 合成塑料 合成橡胶 合成纤维 按性能及用途可分为塑料 橡胶 胶粘剂 涂料 四 复合材料由基体材料增强材料复合而成 基体材料有金属 陶瓷 塑料等 增强材料有各种纤维和无机化合物等 烯丙酰氯 苯乙烯 玻璃纤维增强高分子复合材料 材料的性能 材料的性能 载荷金属所受的外力称载荷 可载荷分为 1 静载荷 大小不变或变化缓慢的载荷 2 冲击载荷 在短时间内以较高速度突然增加的载荷 3 交变载荷 大小或方向随时间作周期性变化的载荷 根据载荷作用形式不同 可分为拉伸 压缩 弯曲 剪切和扭转等几种形式 第一节金属材料的机械性能 力学性能 是指金属材料在各种载荷作用下所表现出来的抵抗变形或失效的能力 思考如果把铁丝和钢丝折弯有何区别 1 常温下的机械性能指标有 刚度 强度 塑性 硬度 冲击韧度和疲劳强度等 研究力学性能意义 是选择和使用金属材料的重要依据 常用的试验 拉伸试验 冲击试验 硬度试验和疲劳试验 1 室温下的机械性能指标 低碳钢的拉伸试验 试件断裂k点 试件产生颈缩b点 试件在均匀塑性变形阶段cb段 试件在弹性变形阶段后oa段 卸载后的形状 oe段 弹性变形阶段 e点弹性极限 ek段 塑性变形阶段 包括 es段 微量塑性变形阶段ss 段 屈服阶段 s b段 强化阶段 bk段 颈缩阶段 b点 形成了 缩颈 k点 试样断裂 弹性变形 去除外力后试样恢复原状的变形塑性变形 在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形塑性断裂 塑性差的材料断裂前无明显塑性变形韧性断裂 塑性好的材料断裂前有明显的塑性变形 变形过程 k b F e s o s 应力与应变曲线 应力 单位面积上试样承受的载荷 这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积F0表示 F Mpa F0应变 单位长度的伸长量 这里用试样的伸长量除以试样的原始标距表示 L L0应力 应变曲线 曲线 形状和拉伸曲线基本相同 单位不同 思考怎样比较不同材料抵抗外力能力的大小 k b F e s o s 1 刚度 是金属材料在外力作用时抵抗弹性变形的能力 E越大 材料刚度越大 即在一定应力作用下产生的弹性变形量越小 E的大小反应金属材料弹性变形的难易程度 主要取决于材料的本身的性质E随温度升高而逐渐降低外 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 可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度 E与材料金属本性 晶格类型和原子间距有关系 而与材料的显微组织无关 衡量材料刚度的指标是弹性模量 2 强度 金属材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的能力 工程上常用的金属材料的强度指标 屈服强度 s 抗拉强度 b 屈服强度也称屈服极限 s 指材料抵抗微量塑性变形的能力 规定产生0 2 塑性变形时的应力作为条件屈服强度 很重要 大多数零件不允许有塑性变形 规定条件屈服强度 对有明显屈服现象的材料特有的指标 对无明显屈服现象的材料 抗拉强度又称强度极限 b 金属材料抵抗断裂的能力材料从开始受力到断裂为止所能承受的最大应力值 机械设计的主要依据 表征金属产生微量塑性变形的抗力 评定金属材料优劣的重要指标 屈服强度与抗拉强度的比值 S b称为屈强比 屈强比小 工程构件储备强度越大 可靠性高 说明即使外载荷或某些意外因素使金属变形 也不至于立即断裂 一般制造弹性零件的材料具有较高的屈强比 通常 0 8 3 塑性 金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力 衡量金属材料塑性的指标有 延伸率和断面收缩率 延伸率 由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率 数值不同 因此应注明试样尺寸比例 如 10 试样L0 10d0 5 试样L0 5d0通常 10写成 5 1 2 1 5 10 根据延伸率大小 工程材料分为两种 5 的称为塑性材料 如 钢 铝 铜 5 的称为脆性材料 如 铸铁 断面收缩率 和 是用来判断材料在断裂前所能产生的最大塑性变形量大小 和 数值越大 表面材料的塑性越好 良好的塑性对机械零件的加工和使用都具有重要意义 塑性对材料的意义 1 是金属材料进行压力加工的必要条件 2 提高安全性 因为零件在工作时万一超载 也会由于塑性变形使材料强化而避免突然断裂 4 硬度 随着被测材料的种类 软硬程度 厚薄尺寸的不同 工程上常用的硬度指标有 是金属表面抵抗局部塑形变形的能力 是衡量金属材料软硬程度的指标 布氏硬度 HB 洛氏硬度 HR 维氏硬度 HV 显微硬度 HM 各种硬度指标的值之间 可以换算 布氏硬度 测定原理 布氏硬度计 计算公式 HBS 淬火钢球作压头 适用于 450HBW 硬质合金作压头 适用于450 HB 650 HB值越大 材料越硬 布氏硬度压痕 布氏硬度的优点 测量误差小 数据稳定 缺点 压痕大 不能用于太薄件 成品件及比压头还硬的材料 应用 适于测量普通钢 灰铸铁 有色金属以及经退火 正火 调质处理的钢材等材料 二 洛氏硬度 测定原理 试验时 根据被测的材料不同 压头的类型 试验力及按下表选择 对应的洛氏硬度标尺为HRA HRB HRC HRD四种 表4 1洛氏硬度的试验条件及应用范围 符号 表示方法 硬度值 HR 例 52HRC70HRA 适用范围洛氏硬度HRC可以用于硬度很高的材料 在钢件热处理质量检查中应用最多 优点 测量迅速简便 压痕小 可在成品零件上检测 缺点 准确性不够 HBS 220 HRC HB 1 10 维氏硬度 测定原理 用一定的试验力P 将顶角为1360的金刚石四棱锥压入金属表面 保持一定时间后卸去试验力 然后测出压痕对角线长度d1 d2 mm 并求出压痕对角线的平均值d 计算公式 表示方法 硬度值 HV 试验力 保持时间如 640HV30 20 适用范围适用于测定薄件或经处理的表面层硬度 可测定从极软到极硬的各种材料 但操作麻烦 一般用于科研 显微硬度 利用显微硬度计测定材料内部的组织或相组成物的硬度 显微硬度用HM表示 5 冲击韧性 在设计和制造受冲击载荷的零件和工具 如锻锤 冲床 铆钉枪等 时 必须考虑所用材料的冲击吸收功或冲击韧度 摆锤式一次冲击试验 把试样放在试验机的支承面上 试样的缺口背向摆锤冲击方向 将质量为m的摆锤安放到规定的高度H 然后下落 将试样打断 并摆过支点升到某一高度h 试样在冲击试验力一次作用下 折断时所吸收的功为冲击吸收功为Ak 试样冲断时所消耗的冲击功Ak为 Ak mgH mgh J 冲击韧度ak 金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力 冲击吸收功和冲击韧度 就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功 冲击吸收功Ak作为材料韧性判据 与温度 试样形状 尺寸 表面粗糙度 内部组织和缺陷有关 1 冲击韧度对材料内部缺陷反映很敏感能够灵敏地显示材料的宏观缺陷和组织微小变化 因此在生产中可用来检验材料的冶金质量 热加工质量 冲击韧度对材料的意义 2 冲击韧度随温度下降越来越低 冷脆现象在韧脆转变温度以下 材料由韧性状态转变为脆性状态 材料的韧脆转变温度越低 说明低温冲击性能越好 ak不参与零 构 件的设计计算过程 只做选材时的参考 材料的aK值愈大 韧性就愈好 材料的aK值愈小 材料的脆性愈大ak随温度下降而减小在某一温度范围内ak值显著下降的现象称冷脆或脆性转变 发生脆性转变的温度范围称脆性转变温度 材料的使用温度应高于脆性转变温度材料的脆性转变温度越低 材料的低温冲击性越好 说明 TITANIC 建造中的Titanic号 TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关 Titanic号钢板 左图 和近代船用钢板 右图 的冲击试验结果 船体钢板硫磷含量过高 6 疲劳强度 工程上一些机件工作时受交变应力或循环应力作用 即使工作应力低于材料的 s 但经过一定循环周次后仍会发生断裂 这样的断裂现象称之为疲劳 据统计 约80 的机件失效为疲劳破坏 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 1 N0 N 钢 有色金属 N0 循环基数 疲劳曲线 疲劳破坏的原因 材料内部缺陷 表面划痕 残余应力及其他能引起应力集中的缺陷 应力集中 微裂纹 扩展 断裂破坏 影响疲劳强度的因素 内部缺陷 表面划痕 残留应力等 2 高温下的机械性能指标 蠕变 金属材料长时间在高温和一定应力作用下 即使应力小于 s 也会发生缓慢的塑性变形 此种现象称为蠕变 说明 温度越高 蠕变越严重 甚至导致零件断裂破坏 通常当材料温度超过 0 3 0 4 Tm时 蠕变才显著 金属材料高温下的力学性能指标有 1 高温强度 热强度 应力 应变和时间综合作用的反映包括蠕变极限和持久强度 蠕变极限 蠕变强度 金属材料长期在高温和应力作用下的抵抗塑性变形的能 表示在一定的温度T下 一定的时间t内 产生一定塑性变形量 时所承受的最大应力 MPa 持久强度 金属材料长期在高温和应力作用下抵抗断裂的能力表示在一定的温度T下 工作一定得时间t后产生断裂的应力 2 热硬性 红硬性或高温硬性 金属材料在高温下仍具有较高硬度的性能 说明 是高温下工作的零件的重要高温性能指标 第二节金属材料的工艺性能 一 工艺性能 材料对各种加工工艺的适应能力 材料的物理 化学和力学性能的综合体现 直接影响零件的加工方法 加工质量和制造成本 金属材料的工艺性能主要包括 铸造性 可锻性 可焊性 热处理性 切削加工性 管材与型材的冷变形工艺性 1 铸造性 指材料用铸造方法获得完好铸件的能力 流动性 材料溶化后进行浇铸时具有很好的填充铸型的能力 收缩率 液态金属在铸型内冷却过程中 内部产生缩孔和铸件形状尺寸缩小的程度 偏析 液态金属凝固后化学成分不均匀的现象 灰铸铁 锡青铜等具有优良的铸造性 2 可锻性 金属材料承受压力加工 锻造 的能力 取决于材料的塑性和变形抗力 塑性好变形时不易开裂 变形抗力小 锻造时省力 消耗动力少 中低碳钢可锻性好 而高碳钢差 灰铸铁不能锻造 3 可焊性 指在一般工艺条件下 金属材料焊接时获得优质焊缝的能力 依焊接过程中产生裂纹的倾向和焊缝的使用可靠性而定 低碳钢和普通合金钢具有优良可焊性 灰铸铁和铝合金的可焊性很差 4 热处