《材料的主要性能》PPT课件

工程材料及热处理,主讲朱晓虹,第一章金属材料的主要性能,教学重点：金属材料的力学性能教学难点：-曲线特点,1.使用性能（1）力学性能（2）物理性能（3）化学性能2.工艺性能加工成形的性能,材料的主要性能:,第一节金属材料的力学性能,力学性能（又称机械性能）是指金属材料在受外力作用时所反映出来的性能。零件受力情况有：静载荷、动载荷、交变载荷力学性能指标，是选择、使用金属材料的重要依据1.衡量在静载荷作用下的力学性能指标有：强度、塑性、硬度2.衡量在动载荷作用下的力学性能指标有：冲击韧度3.衡量在交变载荷作用下的力学性能指标有：疲劳强度。,外力作用下材料的变形与失效,F=F,（MPa）,外力内力应力,=F/S,一、强度与塑性,标准试件,强度:材料抵抗由外力载荷所引起的应变或断裂的能力。塑性:材料在外力作用下产生不可逆永久变形而不破坏的能力。拉伸试验,长试样：L0=10d0,短试样：L0=5d0,拉伸试样（GB6397-86）,=F/Ao=L/L0分别以和为纵坐标和横坐标，绘出应力-应变曲线。应力-应变曲线的形状与拉伸曲线完全相似，只是坐标与数值不同。,屈服极限S,强化阶段,弹性极限P,屈服阶段,强度极限B,颈缩阶段,弹性阶段,拉伸试样的颈缩现象,颈缩现象,低碳钢拉伸曲线,铸铁拉伸曲线,Fl：载荷伸长量拉伸曲线：应力应变曲线,（1）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。（2）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。,两种基本变形形式,弹性变形,变形的三个阶段,（1）断裂（2）塑性变形（3）过量弹性变（4）磨损（5）腐蚀,常见的几种失效形式,1强度：,强度材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。（1）屈服点（屈服强度）（S）指材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力。S=Fs/A0（MPa）式中：Fs试样屈服时的载荷，N；A0试样原始横截面积，mm2。当材料单位面积上所受的应力es时，材料将产生明显的塑性变形。,（1）屈服强度,屈服强度是塑性材料选材和评定的依据。,中、高碳钢和其他脆性金属材料无明显屈服现象，国家标准以产生0.2%塑性变形的应力来表示屈服强度，即：0.2=F0.2/A0,（2）抗拉强度,抗拉强度是指试样拉断前承受的最大应力值，用符号b表示，单位Mpa，即b=Fb/A0(Mpa)式中：Fb试样承受的最大载荷，N；A0试样原始横截面积，mm2。,屈服点应力（屈服强度）和抗拉强度在设计机械和选择、评定金属材料时有重要意义。机械零件多以s作为强度设计的依据。对于脆性材料，在强度计算时，则以b为依据。,材料在外力作用下，产生塑性变形而不引起破坏的能力。,（2）断面收缩率:,F,F,L,良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。,2.塑性,10%属塑性材料,(1)伸长率=（L1-L0）/L0100%式中：L0试样原标距的长度（mm）L1试样拉断后的标距长度（mm）,金属材料抵抗局部变形、特别是塑性变形、压痕、划痕的能力。,硬度是衡量金属软硬的判据。硬度直接影响到材料的耐磨性及切削加工性,二硬度,1、布氏硬度,应用：测量比较软的材料。测量范围HBS450、HBW650的金属材料。,优缺点：压痕大，测量准确，但测量费时压痕较大不能测量成品件。,用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后，测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值。,布氏硬度测量,淬火钢球HBS硬质合金钢球HBW,压头材质表示方法,布氏硬度值450的材料,选用淬火钢球压头,布氏硬度值与压头,例如：200HBS350HBS,布氏硬度值450650的材料，选用硬质合金球压头,例如：550HBW600HBW,布氏硬度标注,符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面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。,优点：测量误差小（因压痕大），数据稳定，重复性强。缺点：压痕面积较大，测量费时。应用：常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火钢材的硬度。不适于测量成品零件或薄件的硬度。,布氏硬度特点,用锥顶角为120的金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后卸除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值。,洛氏硬度试验原理,2.洛氏硬度,h1,h2,h3,h,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,HR=C-h/0.002,h=h3-h1,HR=h/0.002,洛氏硬度试验原理,2067,1500N,120金刚石圆锥体,HRC,25100,1000N,1.588mm钢球,HRB,7085,600N,120金刚石圆锥体,HRA,常用洛氏硬度标度的试验范围,洛氏硬度应用范围,HRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不可直接比较大小例如：50HRC40HRC注：HBS和HBW分别测得的硬度，可直接比较大小例如：400HBW=400HBS,洛氏硬度标注,优点：测量操作简单，方便快捷，压痕小；测量范围大，能测较薄工件。缺点：测量精度较低，可比性差，需多次测量，不同标尺的硬度值不能比较。,洛氏硬度特点,是生产中应用最广泛的硬度试验方法。可用于成品检验和薄件表面硬度检验。不适于测量组织不均匀材料。,洛氏硬度应用,三、韧性,有些机件在工作时要受到高速作用的载荷冲击，如锻压机的锤杆、冲床的冲头、汽车变速齿轮、飞机的起落架等。瞬时冲击引起的应力和应变要比静载荷引起的应力和应变大得多，因此在选择制造该类机件的材料时，必须考虑材料的抗冲击能力，即冲击韧度。,金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力叫做冲击韧性。常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧度(大能量、一次冲断）。试验表明，在冲击载荷不太大的情况下，金属材料承受多次重复冲击的能力，主要取决于强度。冲击值对组织缺陷很敏感，因此冲击试验是生产上用来检验冶炼、热加工、热处理等工艺质量的有效方法。,AK=G（H1H2）（J）ak=AK/S（J/cm2）式中：冲击韧度（ak）就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸收功。Ak折断试样所消耗的冲击功（J）S试样断口处的原始截面积（cm2）,材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力。,冲击韧性,计算公式；Ak=GH1-GH2=G（H1-H2）,试样被冲断过程中吸收的能量即冲击吸收功（Ak）等于摆锤冲击试样前后的势能差。,试验过程如图所示。,冲击韧度（ak）：冲击吸收功除以试样缺口处截面积。,试验原理,疲劳现象：零件在循环应力的作用，即使工作时承受的应力低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，在经受一定的应力循环后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳。,四、疲劳强度,在冲击载荷下工作的零件，很少是受大能量一次冲击而破坏的；往往是受小能量多次重复冲击而破坏的。,疲劳强度：材料在无数次重复或交变载荷作用下不引起破坏的最大应力。,据统计，约80%的机件失效为疲劳破坏。,在循环载荷作用下，材料承受一定的循环应力和断裂时相应的循环次数N之间的关系可以用曲线来描述，即之间的关系曲线，称疲劳曲线,当零件所受的应力按正弦曲线对称循环时，疲劳强度以符号-1表示，即当应力低于-1值，既使循环周次无穷多也不发生断裂。,钢材的循环次数一般取N=107有色金属的循环次数一般取N=108提高疲劳极限途径：1.改善零件的结构形状2.降低表面粗糙度值3.采取表面强化,疲劳极限-1,第二节金属材料的物理、化学及工艺性能,一、物理性能1密度2熔点3导热性4导电性5热膨胀性6磁性,二、化学性能,它是金属材料在室温或高温时抵抗各种化学作用的能力，主要是指抵抗活泼介质的化学侵蚀能力，1.耐腐蚀性(如耐酸性、耐碱性等)2抗氧化性3化学稳定性,三、工艺性能,工艺性能是物理、化学、力学性能的综合。按工艺方法的不同，可分为铸造性能、可锻性、焊接性和切削加工性等1、铸造性能：金属在铸造成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力称为铸造性能。铸造性能包括流动性、吸气性、收缩性和偏析等。在金属材料中灰铸铁和青铜的铸造性能较好。2、锻造性能：金