材料性能及检测

材料性能与检测 1 C w 内容 2 3 力学性能 弹性 塑性 硬度 韧度 强度 耐环境性能 耐腐蚀性 老化 抗辐照性 性能划分 物理性能 热学 磁学 电学 光学 四 材料性能的划分 CompanyLogo 4 力学性能 材料在外加载荷作用下或载荷与环境联合作用下所表现的行为 变形和断裂 即材料抵抗外载引起变形和断裂的能力 力学性能 力学性能表征 材料软硬程度 变形能力 弹性 塑性 材料脆性 硬度 韧性 材料抵抗外力能力 强度 CompanyLogo 5 CompanyLogo 6 五 材料性能的四个方面 宏观表征 表征材料性能的参数 如强度 硬度 微观本质 材料的性能是材料内部结构因素在一定外界作用下的综合反映 影响因素 内因 材料结构 外因 温度等 性能测试 测试原理 设备 方法 CompanyLogo 第一节金属材料的机械性能 7 CompanyLogo 定义 金属材料的机械性能又称为力学性能 表示材料承受外力作用的能力 金属材料的机械性能实验有 拉伸 压缩 弯曲 扭转 剪切 硬度 疲劳和冲击等 通过这些实验可以测出相应的机械性能指标 最常见的是拉伸实验 硬度实验和冲击实验 机械性能指标包括四大项 强度 硬度 塑性和韧性 性能指标 定义 符号 单位 数值含义 8 CompanyLogo 一 强度 9 CompanyLogo 力学拉伸试验 图中d0和l0分别为试样在拉伸前的计算直径和计算长度 d和l分别为试样在拉断后的断口直径和计算长度 图1 1标准拉伸试样示意图 10 CompanyLogo k b b 极限载荷点 力学拉伸试验 F e e 弹性极限点 s S 屈服点 K 断裂点 拉伸曲线 缩颈 o F F L 11 CompanyLogo 12 CompanyLogo 13 CompanyLogo 3 屈服强度 屈服极限 概念 材料抵抗应力作用下 开始发生明显塑性变形 拉力不增加 应力增加 产生屈服现象的最小应力值称为屈服强度 单位 MPa N mm2 表示符号 s 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 它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力 屈服强度 是塑性材料选材和评定的依据 14 CompanyLogo 条件屈服强度概念 实际上 某些材料 铸铁 铸铝等 在做拉伸曲线时和低碳钢不一样 并没有明显的屈服现象 低碳钢和铸铁的应力 应变曲线比较 为此人为的专门规定 把当试样产生的残余塑性变形量为标距长度的0 2 时所对应的应力值 0 2 定为该材料的屈服强度 条件屈服强度 单位 MPa N mm2 表示符号 0 2实际意义 一些工程零件 如紧固螺栓 在使用时是不允许发生塑性变形的 因此屈服强度是工程设计与选材的重要依据之一 15 CompanyLogo 低碳钢和铸铁的应力 应变曲线比较 16 CompanyLogo 17 CompanyLogo 疲劳极限获得方法 通过旋转弯曲试验方法 18 CompanyLogo 3 条件疲劳极限 对于钢铁材料 取N 107的循环周次所对应的最大应力为它的 1 对于大多数非铁金属及其合金的疲劳曲线上没有水平直线部分 如图曲线2所示这种情况要根据零件的工作条件及使用寿命确定一个疲劳极限的循环周次 并以此所对应的应力 N作为疲劳极限 亦称条件疲劳极限 一般规定 铸铁取N 107 非铁金属取N 108 19 CompanyLogo 金属的疲劳曲线 20 CompanyLogo 二 塑性 21 CompanyLogo 一 布什硬度如图所示 布氏硬度测试原理图 三 硬度 概念 硬度是指材料抵抗局部变形 特别是塑性变形 压痕或划痕的能力 是衡量金属软硬的判据 常用方法 通常用布氏硬度 洛氏硬度 李氏硬度 肖氏硬度 维氏硬度等来表示材料的硬度 23 CompanyLogo 布氏硬度计 24 CompanyLogo 25 CompanyLogo 布什硬度的表示方法 硬度值的标注方法如下 硬度值硬度代号压头直径D 载荷P 保荷时间T如 150HBS10 3000 30表示用直径10mm的淬火钢球压头 在3000kgf载荷作用下保荷时间为30秒所测得的布氏硬度值为150 26 CompanyLogo 二 洛氏硬度 如图所示为洛氏硬度测试原理图 HR K e 0 002式中 HR为洛氏硬度代号 K为常数 当采用金刚石圆锥压头时K 100 用淬钢球压头时K 130 27 CompanyLogo 洛氏硬度计 28 CompanyLogo 29 CompanyLogo 洛氏硬度的表示方法 硬度值硬度代号如 60HRC金刚石圆锥压头载荷为150kgf所测得的硬度值为60 洛氏硬度值没有单位 硬度值越大材料硬度越高 材料的耐磨性越好 30 CompanyLogo 三 布氏硬度与洛氏硬度的比较与选用 共同点与不同点 31 CompanyLogo 布什硬度和洛氏硬度特点比较 1 测定准确性布什大于洛氏2 测量范围洛什大于布氏3 测量效率洛什大于布氏4 应用对象布什硬度 主要用于原材料 毛坯和半成品的硬度的单件 小批测量 不适合于测量厚度太小和成品零件的硬度 洛氏硬度 不仅可以用于测量原材料 毛坯和半成品的硬度 也可以用于测量成品的硬度 不仅可以用于单件 小批测量 也可以用于大批量测量 32 CompanyLogo 四 冲击韧度 概念 冲击韧度表示材料抵抗冲击载荷作用的能力 并以冲断试样每单位面积所消耗的功来表示 冲击韧度值 k愈大 材料韧性愈好 抵抗冲击载荷作用的能力愈强 k Ak F G H h F J m 式中 k 冲击韧度值 Ak 冲击吸收功 G 实验机摆锤质量 H 摆锤原始高度 h 冲断试样后摆锤的终止摆动高度F 试样断口处的横截面积 33 CompanyLogo 一 物理性能金属材料的物理性能主要是指其密度 熔点 导电性 导热性及热胀冷缩性等 1 导热性金属的导热性常用导热系数 W m K 来评价 值愈大 导热性愈好 材料的导热性对加工和使用都有很大的影响 2 热胀冷缩性材料的热胀冷缩性用线膨胀系数 1 或体积膨胀系数来评价 线膨胀系数或体积膨胀系数愈大 材料的尺寸或体积随温度升高而增大愈多 随温度降低而减少愈多 不仅对零件的使用有很大影响 而且影响零件的加工 第二节金属的物理性能和化学性能 34 CompanyLogo 二 化学性能化学性能是指金属在室温或者高温抵抗各种介质化学作用的能力 即化学稳定性 主要化学性能有抗氧化性和抗腐蚀性 1 抗氧化性材料在使用过程中 尤其是在高温下使用要考虑材料的抗氧化性 2 抗腐蚀性腐蚀也是零件失效的一个主要原因 根据零件的工作环境的不同 要考虑材料耐不同介质腐蚀的能力 35 CompanyLogo 无机非金属材料 C w 36 C w 37 C w 38 C w 39 C w 40 C w 41 C w 42 C w 43 C w 44 C w 45 C w 46 C w 47 C w 48 C w 49 C w 50 C w 51 C w 52 C w 53 C w 54 C w 55 C w 56 C w 57 C w 58 C w 59 C w 60 C w 61 62 高分子材料 1 1力学性能的基本指标1 1 1应力与应变 当材料受到外力作用 它所处的条件又不能产生惯性移动时 其几何形状和尺寸会发生变化 这种变化就称为应变 亦可称为形变 定义单位面积上的附加内力为应力 CompanyLogo 63 1 1 2弹性模量 单位应变所需应力的大小 是材料刚性的表征 模量的倒数称为柔量 是材料容易形变程度的一种表征 拉伸模量 杨氏模量 E 剪切模量 刚性模量 G 压缩模量 本体模量 K CompanyLogo 64 泊松比 材料在拉伸时 不仅有轴向伸长 同时有横向收缩 横向应变对轴向应变之比称为泊松比 以 表示 可以证明没有体积变化时 0 5 橡胶拉伸时就是这种情况 其他材料拉伸时 0 5 CompanyLogo 65 与E和G之间有如下关系式 E 2G 1 因为0G 即拉伸比剪切困难 这是因为在拉伸时高分子链要断键 需要较大的力 剪切时是层间错动 较容易实现 CompanyLogo 66 1 3高分子材料的拉伸行为 哑铃状试件 L0 5 65A01 2或11 3A01 2 CompanyLogo 67 y 屈服点 e 弹性极限点 冷拉 应变软化 应变硬化 e b y e b y p 比例极限 p p b 断裂点 p 比例极限 1 3 1线型非晶态高聚物的应力 应变曲线 CompanyLogo 68 拉伸过程高分子链的三种运动情况 弹性形变 开始 e点 强迫高弹形变 塑性变形 e y 屈服点 CompanyLogo 69 动画引自九江学院杜大明 材料科学基础 ppt 弹性变形与塑性变形 CompanyLogo 70 弹性变形 材料产生弹性变形的本质是构成材料的原子 离子 或分子自平衡位置产生可逆位移的反映 橡胶类材料则是呈卷曲状的分子链在力的作用下通过链段运动沿受力方向产生的伸展 材料在等温 等容条件下发生弹性回复的驱动力由内能变化和熵变两部分组成 CompanyLogo 71 弹性变形的特点 1 可逆性 去掉外力后变形消失弹性变形都是可逆变形2 金属 陶瓷或结晶态高聚物 应力 应变线性关系 弹性变形量都较小3 橡胶态的高聚物 应力 应变不呈线性关系 且变形量较大 CompanyLogo 72 弹性变形的力学性能指标 1 弹性模量 是单位应变所需应力的大小 物理意义是产生100 弹性变形所需的应力 2 比例极限 p 是保持应力与应变成正比关系的最大应力 即在应力 应变曲线上刚开始偏离直线时的应力 3 弹性极限 e 是材料发生可逆的弹性变形的上限应力值 应力超过此值 则材料发生塑性变形 CompanyLogo 73 4 弹性比功 是材料开始塑性变形前单位体积所能吸收的弹性变形功 又称弹性比能或应变比能 用 e表示 它在数值上等于应力 应变曲线弹性段以下所包围的面积 e o 提高弹性比功的方法 提高 e降低E 提高弹性极限应变 e 橡胶低E和高弹性应变 高弹性比功 CompanyLogo 74 非理想弹性 理想弹性行为 1 应变 应力线性 2 应力和应变同相位 3 应变是应力的单值函数 高分子材料的非理想弹性行为 滞弹性 粘弹性 内耗 75 1 滞弹性材料在快速加载或卸载后 随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能 又称弹性后效 弹簧薄膜传感器 动画引自九江学院杜大明 材料科学基础 ppt 非理想弹性变形 76 滞弹性示意图 A B a b c e d O H 正弹性后效加载时应变落后于应力 反弹性后效卸载时应变落后于应力 77 定义 材料在外力作用下弹性和粘性两种变形机理同时存在的一种力学行为 粘性 液体或溶体内质点间或流层间因相对运动而产生的内摩擦力以反抗相对运动的性质 2 粘弹性 特征 应变对应力的响应不是瞬时完成的 需要通过一个驰豫过程 卸载不留残余变形 应力和应变的关系与时间有关 CompanyLogo 78 3 内耗 理想弹性行为 CompanyLogo 79 0 A C D B E 橡胶拉伸和回缩的应力 应变曲线 内耗也称为材料循环韧性 表示材料在交变载荷下吸收不可逆变形供的能力 又称消振性 CompanyLogo 80 塑性变形 是微观结构的相邻部分产生永久性位移 而不引起材料断裂的现象 塑性变形是一种不可逆变形 塑性变形主要是由于切应力引起的 材料塑性变形过程中仍然保留着弹性变形 所以整个变形过程是弹性加塑性变形过程 可称为弹塑性变形 CompanyLogo 81 高分子材料的塑性变形 结晶态高分子材料 塑变机制 塑性变形是由薄晶转变为沿应力方向排列的微纤维束的过程 CompanyLogo 82 非晶态高分子材料 塑变机制 在正应力作用下形成银纹和切应力作用下无取向分子链局部转变为排列的纤维束 银纹的产生 CompanyLogo 83 1 屈服极限 材料的屈服极限定义为应力 应变曲线上屈服平台的应力 2 抗拉强度 b 是试样拉断前所承受的最大应力 即试样所能承受的最大载荷Fb与其原始截面积的比值 塑性变形的力学性能指标 CompanyLogo 84 3 伸长率和断面收缩率 CompanyLogo 85 硬而脆酚醛塑料 硬而强硬PVC 强而韧PC 软而韧HPPE 软而弱天然橡胶 1 3 2几种典型的高聚物应力 应变曲线 弱而脆低聚物 CompanyLogo 86 1 3 3晶态高聚物的应力 应变曲线 第一阶段OY段 出现 细颈 第二阶段 细颈的发展阶段 第三阶段 DB 成颈变细的试样重新被均匀拉伸 直到断裂点B CompanyLogo 87 1 3 4特殊的应力 应变曲线 图1 16SBS的应力 应变曲线图1 17硬弹性聚丙烯的应力 应变曲线 CompanyLogo 88 1 3 5影响拉伸行为的外部因素 1 温度的影响 1 2 3 4 5 6 7 8 9 非晶态高聚物不同温度下的应力 应变曲线 1 2 温度低于脆性温度 材料处于硬玻璃态 无强迫高弹性 3 4 5 温度处于脆性温度与玻璃化温度之间 为软玻璃态 6 7 8 温度处于玻璃化温度与黏流温度之间 为高弹态 9 温度处于黏流温度以上 为黏流态 CompanyLogo 89 1 2 3 4 5 6 7 晶态高聚物不同温度下的应力 应变曲线 1 2 温度低于脆性温度 拉伸行为类似弹性固体 3 4 5 温度介于脆性温度与玻璃温度之间 为软玻璃态 7 温度介于Tb与Tg之间 为软玻璃态 行为类似强迫高弹性 6 温度较高 低于熔点 拉伸行为类似非晶态橡胶 CompanyLogo 90 1 5其他静载荷下的力学试验及性能 1 5 1应力状态软性系数 正应力 导致脆性断裂 max切应力 导致塑性变形和韧性断裂 max CompanyLogo 91 表示材料塑性变形的难易程度 大 max大 易塑性变形 小 应力状态硬 易脆性断裂 单向拉伸 2 3 0 0 5 应力状态软性系数 92 不同加载条件下的应力状态软性系数 CompanyLogo 93 三 压缩及其性能指标 试样通常为圆柱形 长径比一般为1 0 2 0之间 塑性材料 脆性材料 CompanyLogo 94 CompanyLogo 95 规定非比例压缩应力 抗压强度 相对压缩率 相对断面扩展率 1 塑性材料 2 脆性材料 96 压缩试验的特点及应用 1 单向压缩用于脆性材料 显示其在静拉伸所不能反映的韧性状态下的性能 2 塑性材料一般不采用压缩 3 多向不等压缩适用于脆性更大的材料 反映材料的微小塑性差异 CompanyLogo 97 二 弯曲及其性能指标 加载方式 三点弯曲加载和四点弯曲加载 1 弯曲试验 圆柱试样或方形试祥 万能试验机 CompanyLogo 98 三点弯曲 四点弯曲 CompanyLogo 99 2 载荷P与试样最大挠度fmax 弯曲图 受拉一侧表面的最大正应力 max Mmax W 抗弯强度 bb Mb W a 高塑性 b 中等塑性 c 脆性 CompanyLogo 100 1 常用于测定那些由于太硬难于加工成拉伸试样的脆性材料的断裂强度 并能显示出它们的塑性差别 2 用来比较和评定材料表面处理层的质量 3 弯曲不能使塑性材料断裂 弯曲试验的特点及应用 CompanyLogo 101 1 扭转试验测定的力学性能指标 1 试验过程 圆柱形试样 三 扭转及其性能指标 CompanyLogo 102 试样扭转变形示意图 103 CompanyLogo 104 试样表面的应力状态 与轴线呈45 方向上承受 max与轴线平行或垂直方向上承受 max弹性变形 切应力和切应变沿半径方向线性分布弹塑性变形 切应变线性关系 切应力非线性变化 CompanyLogo 105 2 扭转图 M 规定非比例扭转应力 P P MP W 扭转屈服强度 s为 s Ms W 扭转强度极限 b为 b Mb W N CompanyLogo 106 真实扭转强度极限 f 完全理想塑性条件下 107 剪切弹性模量G 扭转相对残余切应变 CompanyLogo 108 3 扭转试验特点及应用 1 测定在拉伸时呈现脆性的材料的强度和塑性 2 对各种表面强化工艺进行研究和对机件的热处理表面质量进行检验 3 精确评定拉伸时出现颈缩的高塑性材料的形变能力和形变抗力 4 测定材料的切断强度的最可靠方法 CompanyLogo 109 5 根据断口特征区分断裂方式是正断还是切断 a 切断断口 b 正断断口 c 木纹状断口 CompanyLogo 110 2 4硬度 一 硬度试验的意义 硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能 特点 1 2 max max 几乎所有材料都会产生塑性变形 2 设备简单 操作方便快捷 故被广泛应用 3 可视为无损检测 CompanyLogo 111 CompanyLogo 112 二 硬度试验方法 1 布氏硬度 淬火钢球或硬质合金球D mm 压入试样表面 测量圆形压痕d 圆形压痕表面积S Brinell 1900年 CompanyLogo 113 1 布氏硬度HB 淬火钢球 HBS 450硬质合金球 HBW 450 650 114 2 HB表示方法 数字 硬度符号 数字 数字 数字 硬度值 HBW或HBS 钢球直径载荷定时280HBS10 3000 30 50HBW5 750 CompanyLogo 115 3 压痕几何相似原理 两个条件 1 为常数 2 F D2为常数 28 74od 0 24 0 6 D 116 优点 压痕面积大 反映较大区域内各组成相的平均性能 适合灰铸铁 轴承合金等测量 压痕面积较大 试验数据稳定 重复性高 缺点 压痕直径大 不宜在成品件上直接进行检验 硬度不同 更换压头直径D和载荷F 压痕直径的测量也比较麻烦 4 布氏硬度的优缺点 CompanyLogo 117 2 洛氏硬度 1 测量原理测量压痕深度值的大小 金刚石压头k 0 2淬火钢球k 0 26 Rockwell 1919年 CompanyLogo 118 洛氏硬度计 HRAHRBHRC CompanyLogo 119 适用于 测定极薄工件 经各种表面处理后工件的表面层硬度 2 表面洛氏硬度 与洛氏硬度区别 预加载荷为30N 总载荷