航空材料-第二章 金属的机械性能

第二章 金属的机械性能,一、强度与塑性二、硬度三、冲击韧性四、疲劳强度五、断裂韧性,教学目的与要求:,牢固掌握金属材料的各种性能指标的测定方法及其物理意义。,教学内容：,金属材料力学性能指标及其测定方法和物理意义。,1.金属材料的力学性能。,教学重点与难点：,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。工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。,神舟一号飞船,第一节 强度与塑性,一、强度指标二、塑性指标,材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。,基本概念,应力 = P/F0应变 = (l-l0)/l0,如何评价不同材料的力学性能好坏？,一、强度指标,弹性极限：即材料承受最大弹性变形时的应力。指标为弹性极限e。强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。,条件屈服强度0.2：残余变形量为0.2%时的应力值。抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。,塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。指标为：,断面收缩率 ：,拉伸试样的颈缩现象,伸长率 ：,塑性指标与塑性加工特别是冷加工性能有关,金箔,一克黄金可以打制成约0.5平方米的纯金箔，厚度为0.12m。,实际工程结构不容许发生塑性变形工程设计中的许用应力= s /nn（ 1 ) 称为安全系数,几个应用例子：,弹性极限：吸收能量的弹簧,屈服极限：确定许用应力,刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量E：,弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除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。,说明： 用断面收缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。 直径d0 相同时，l0， 。只有当l0/d0 为常数时，塑性值才有可比性。 当l0=10d0 时，伸长率用 表示； 当l0=5d0 时，伸长率用5 表示，显然5 时，无颈缩，为脆性材料表征 时，有颈缩，为塑性材料表征,第二节、硬度,硬度：材料抵抗表面局部塑性变形的能力。1、布氏硬度HB,压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。,符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，之后的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间, 如120HBS10/1000/30,表示直径为10mm的钢球在1000kgf(9.807kN)载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。,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。适于测量退火、正火、调质钢, 铸铁及有色金属的硬度。材料的b与HB之间经验关系： 对于低碳钢: b(MPa)3.6HB 对于高碳钢: b(MPa)3.4HB 对于铸铁: b(MPa)1HB或 b(MPa)0.6(HB-40),2、洛氏硬度HR,根据压头类型和主载荷不同, 分为九个标尺, 常用的标尺为A、B、C。,符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。,HRA用于测量高硬度材料, 如硬质合金、表淬层和渗碳层。HRB用于测量低硬度材料, 如有色金属和退火、正火钢等。HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。缺点：测量结果分散度大。,第三节、 冲击韧性,上面所讲述的机械（力学）性能，都是在缓慢加载即静载的条件下活动的。实际构件如飞机起落架，枪管、炮管，锻锤等在服役过程中，常常受到冲击载荷的作用，在这种载荷作用下，会发生脆性断裂。用拉伸实验应力-应变曲线的面积不能反映这种脆性（加载速率慢）。因此，研究材料在收到冲击载荷时的性能，非常重要。,冲击韧性： 是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。,指标为冲击韧性值ak(通过冲击实验测得)。,缺口试样在摆锤摆动过程中弯曲断裂，由摆锤的高度差(h-h)，可以求出摆锤所失去的能量，即样品断裂所吸收的能量；用上述能量除以试样缺口处的原始截面积，规定为冲击韧性k。,冲击实验,韧脆转变温度：材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变.发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。,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.,TITANIC,建造中的Titanic,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,第四节、疲劳,材料在低于s重复交变应力作用下发生断裂的现象.,材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用-1表示。 注：下标 -1 表示对称循环交变应力。钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。,疲劳断口,通过改善材料形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力.,第五节、断裂韧性,油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关,低应力脆性断：桥梁、船舶、大型轧辊、转子等在工作时会出现在应力低于屈服强度s时发生断裂，这种现象称之为低应力脆性断。 尽管在设计时保证了足够的延伸率、韧性和屈服强度，但仍不免破坏。 究其原因是构件或零件内部存在着或大或小、或多或少的裂纹和类似裂纹的缺陷造成的。裂纹在应力作用下可失稳而扩展，导致机件破断。 断裂韧性：材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力叫断裂韧度（断裂韧性）。,断裂力学假设材料本身存在裂纹，材料的破坏是由于裂纹的失稳扩展造成,应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。,第六节 物理和化学性能,一、密度二、熔点三、热膨胀性四、导热性五、导电性六、磁性,物理性能,化学性能,七、耐腐蚀性和 抗氧化性,钢铁材料的密度约为7.8铝合金的密度约为2.7陶瓷材料的密度约为2.2-2.5高分子材料的密度一般小于1.0,一、密度,单位体积物质的质量,对于运动构件，材料密度越小，消耗能量越少，效率越高。 对飞机等的选材常用比强度作为指标。,子弹头里灌铅增加其惯性-铅的密度为12g/cm3,比强度：抗拉强度与密度之比,飞机和材料,二、熔点,锡的熔点为505K-作焊料铅的熔点为600K-作保险丝镍的熔点为1726K-作高温合金钨的熔点为3680K-作电极材料,一般，材料熔点越高，高温下保持高强度能力越强。,三、热膨胀性,线膨胀系数-物体在温度升高一度时某一方向长度的变化,四、导热性,导热系数-单位温差驱动力下每秒通过单位截面积的热量,碳（金刚石）导热最好银，铜导热也很好玻璃和陶瓷的导热则最差。,材料导热性好坏影响其加热和冷却时内应力大小。,五、导电性,与导热性类似，用电阻率或电导率表示,银，铜，铝电阻率小玻璃和陶瓷电阻率则很大,六、磁性,根据在磁场中的行为材料有以下分类：,七、耐腐蚀性和抗氧化性,碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差不锈钢、铝合金、铜合金、钛及其合金耐腐蚀性较好。陶瓷比金属好.,陶瓷发动机,金属在介质中形成的微电池,第七节 工艺性能,一、铸造性,液体金属能充满比较复杂的铸型并获得优质铸件的性能。其中包括流动性、收缩性、偏析等。,二、可锻性,温度范围宽、变形抗力小，可锻性好,三、可焊性,大型建筑、桥梁,钢的含碳量越低，可焊性越好,能否焊上焊缝质量,四、切削加工性,是否容易