材料科学第一章工程材料的主要性能课件

1、第一章第一章 工程材料的主要性能工程材料的主要性能1材料科学第一章工程材料的主要性能使用性能使用性能力学性能物理性能化学性能2材料科学第一章工程材料的主要性能工艺性能工艺性能铸造性能锻压性能热处理性能焊接性能3材料科学第一章工程材料的主要性能力学性能力学性能定义定义 : : 是指金属材料在外力的是指金属材料在外力的作用下所表现出来的抵抗能力。作用下所表现出来的抵抗能力。4材料科学第一章工程材料的主要性能拉伸试验拉伸试验拉伸演示试验5材料科学第一章工程材料的主要性能液压式万能电子材料试验机6材料科学第一章工程材料的主要性能 拉伸试样拉伸试样长试样：l0=10d0短试样：l0=5d0d0l07材料

2、科学第一章工程材料的主要性能 力力-拉拉 伸伸 曲曲 线线 fesbkfsfbo屈服屈服弹性弹性变形变形缩颈缩颈断裂断裂塑性塑性变形变形塑性变形塑性变形: :外力去除后不能外力去除后不能消失的变形消失的变形l8材料科学第一章工程材料的主要性能强度硬度断裂韧度疲劳主要力学性能指标：主要力学性能指标：塑性韧性9材料科学第一章工程材料的主要性能 材料在力的作用下，抵抗变形材料在力的作用下，抵抗变形和破坏的能力。和破坏的能力。强强 度度 (strength)n 刚度 (弹性)n 屈服强度n 抗拉强度10材料科学第一章工程材料的主要性能弹性弹性 ( elasticity )( elasticity )

3、金属材料受外力作用时产生变形金属材料受外力作用时产生变形, ,当外力当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。 随载荷撤除而消失的变形。随载荷撤除而消失的变形。弹性极限弹性极限( elastic limit ): fe 弹性极限载荷弹性极限载荷( n ) e ( m pa ) = s0 试样原始横截面积试样原始横截面积( mm2) 弹性变形( elastic deformation ): 11材料科学第一章工程材料的主要性能拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象12材料科学第一章工程材料的主要性能 屈服强度屈服强度( yield strength) :屈服点屈

4、服点 s 条件屈服强度条件屈服强度:规定残余伸长应力： 0.2 =f0.2 /s 0slf0.20.2%l0o fs s ( m pa ) = s0试样屈服时的载荷试样屈服时的载荷( n )试试样原始横截面积样原始横截面积( mm2)13材料科学第一章工程材料的主要性能定义定义: 试样在断裂前所能承受的最大应力。试样在断裂前所能承受的最大应力。 f b 试样断裂前的最大载荷试样断裂前的最大载荷(n) b ( m pa ) = s 0 试样原始横截面积试样原始横截面积( mm2) 抗拉强度抗拉强度 ( tensile strength )根据受力方向不同根据受力方向不同: 抗拉强度、抗拉强度、

5、抗压强度、抗压强度、 抗弯强度抗弯强度抗剪强度抗剪强度 、抗扭强度等。、抗扭强度等。14材料科学第一章工程材料的主要性能 塑性塑性 (plasticity):n定义定义: 指材料在载荷作用下产生塑性变形而不指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。被破坏的能力。n指标指标:断面收缩率断面收缩率(percentage reduction in area): 指试样拉断处横截面积指试样拉断处横截面积s 1的收缩量与原始横截的收缩量与原始横截面积面积s0之比。之比。 s0 - s 1 = 100% s015材料科学第一章工程材料的主要性能断后伸长率断后伸长率(延伸率延伸率) (specific

6、 elongation):指试样拉断后的标距伸长量指试样拉断后的标距伸长量l 1与原始标距与原始标距l 0之比。之比。 l 1 l 0 = 100% l 0 10% 属塑性材料属塑性材料塑性塑性 (plasticity):n指标指标:16材料科学第一章工程材料的主要性能硬度硬度( hardness )( hardness )定义定义：是指材料抵抗其它更硬物体：是指材料抵抗其它更硬物体 压入其表面的能力。压入其表面的能力。17材料科学第一章工程材料的主要性能 常用硬度试验方法：常用硬度试验方法：n 布氏硬度测试法布氏硬度测试法n 洛氏硬度测试法洛氏硬度测试法n 维氏硬度测试法维氏硬度测试法布氏硬

7、度计布氏硬度计 18材料科学第一章工程材料的主要性能布布 氏氏 硬硬 度度 试试 验验 原原 理理 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。19材料科学第一章工程材料的主要性能布布 氏氏 硬硬 度度 试试 验验 原原 理理20材料科学第一章工程材料的主要性能 压头材质表示方法：压头材质表示方法：淬火钢球淬火钢球 hbshbs硬质合金钢球硬质合金钢球 hbwhbw21材料科学第一章工程材料的主要性能 布氏硬度值布氏硬度值与压头与压头 选用淬火钢球压头。选用淬火钢球压头。例如：例如：200hbs200hbs 350hbs 35

8、0hbs布氏硬度值布氏硬度值 450450的材料的材料, ,22材料科学第一章工程材料的主要性能布氏硬度值布氏硬度值与压头与压头 选用选用硬质合金球压头。压头。例如：例如：550hbw550hbw 600hbw 600hbw布氏硬度值布氏硬度值450450650650的材料，的材料，23材料科学第一章工程材料的主要性能布布 氏氏 硬硬 度度 标标 注注 符号符号hbs或或hbw之前的数字表示硬度值，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、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。载荷及载荷保持时间。如如: :120hbs10/1000/30表示直径为表示直径

9、为10mm的钢的钢球在球在1000kgf（9.807kn）载荷作用下保持载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120。24材料科学第一章工程材料的主要性能 布 氏 硬 度 特 点优点：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。25材料科学第一章工程材料的主要性能 洛氏硬度洛氏硬度 hr ( rockwill hardness )26材料科学第一章工程材料的主要性能 洛洛 氏氏 硬硬 度度 试试 验验 原原 理理 用锥顶角为120的金刚石圆锥或直径1.

10、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。27材料科学第一章工程材料的主要性能00112332h1h2h3h1-1 1-1 初载初载10kg h110kg h12-2 2-2 总载总载150kg h2150kg h23-3 3-3 卸载卸载140kg h3140kg h3最后测得：最后测得：残余压痕深度增量 h hhr=c-h/0.002h=h3-h1h=h3-h1hr=h/0.002 洛洛 氏氏 硬硬 度度 试试 验验 原原 理理28材料科学第一章工程材料的主要性能洛氏硬度符号、试验条件和应用举例洛氏硬度符号、试验

11、条件和应用举例 7085hra 2070hrc 25100hrb29材料科学第一章工程材料的主要性能 洛 氏 硬 度 标 注hra、hrb、hrc分别测得的硬度，不可直接比较大小例如：例如： 50hrc70hra 50hrc40hrc 50hrb40hrc 30材料科学第一章工程材料的主要性能 洛洛 氏氏 硬硬 度度 特特 点点优点优点：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：缺点：测量精度较低，可比性差，不同标尺的硬度值不能比较。31材料科学第一章工程材料的主要性能洛 氏 硬 度 应 用32材料科学第一章工程材料的主要性能 维氏硬度维氏硬度 hv hv ( diamo

12、nd penetrator hardness )( diamond penetrator hardness ) 维33材料科学第一章工程材料的主要性能维维 氏氏 硬硬 度度 压压 头头 锥面夹角为锥面夹角为136136的金刚石的金刚石 正四棱锥体正四棱锥体34材料科学第一章工程材料的主要性能 维维 氏氏 硬硬 度度 试试 验验 原原 理理 与布氏硬度试验原理基本相同。 只是压头改用了金刚石四棱锥体。35材料科学第一章工程材料的主要性能 以一定的试验力将压头压入试样表面，保持规定时间卸载后，在试样表面留下一个四方锥形的压痕，测量压痕两对角线长度，以此计算出硬度值。维维 氏氏 硬硬 度度 试试 验

13、验 原原 理理36材料科学第一章工程材料的主要性能用压痕两对角线的平均长度来计算。h v=f/saad维维 氏氏 硬硬 度度 试试 验验 原原 理理37材料科学第一章工程材料的主要性能维维 氏氏 硬硬 度度 标标 注注 与布氏硬度基本相同，在后面要标注试验条件试验力和保持时间（1015s不标）。 例：580hv30表示用30kgf (294.2n)试验力保持1015s测定的维氏硬度值为580。38材料科学第一章工程材料的主要性能维维 氏氏 硬硬 度度 特特 点点优点：优点：适用范围广，从极软到极硬材料都可测量;测量精度高，可比性强；能测较薄工件。缺点：缺点：测量操作较麻烦，测量效率低。应用：应

14、用：广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度检验。不适于大批生产和测量组织不均匀材料。39材料科学第一章工程材料的主要性能韧性 (toughness ): 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。的能力。定义：定义：40材料科学第一章工程材料的主要性能冲击试验机冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图冲击试样和冲击试验示意图金属的夏比冲击试验金属的夏比冲击试验41材料科学第一章工程材料的主要性能试样冲断时所消耗的冲击功试样冲断时所消耗的冲击功a k为为: a k = m g h m g h (j)g g42材料科学第一章工程材料的主要性能 就是试样缺口处单位截面积上所消就是试

15、样缺口处单位截面积上所消 耗的冲击吸收功。耗的冲击吸收功。 ak a k = (j/cm) s0冲冲 击击 韧韧 度度 a ak k43材料科学第一章工程材料的主要性能断 裂 韧 度低应力脆断低应力脆断: : 有些零件在工作应力远远低于屈服点时就会发生脆性断裂。这种现象称为低应力脆断。44材料科学第一章工程材料的主要性能当k1达到临界值k1c时，零件内裂纹将发生失稳失稳扩展扩展而出现低应力脆性断裂低应力脆性断裂，而k1k1c时，零件安全可靠。 断断 裂裂 韧韧 度度 k k1c1cn 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n为安全设计提供了一个重要的力

16、学性能指标定义: 反映材料有裂纹存在时，抵抗脆性断裂的能力。45材料科学第一章工程材料的主要性能 常见工程材料的断裂韧度常见工程材料的断裂韧度k1c值值（mnm-3/2） 46材料科学第一章工程材料的主要性能 根据k1=ya k1c的临界判据知： 为使零件不发生脆断，设计者可以控制三个参数：材料的断裂韧度k1c 、名义工作应力和零件内的裂纹长度a，它们之间的定量关系能直接用于设计计算，可以解决以下三方面的工程实际问题： 47材料科学第一章工程材料的主要性能n 根据已知材料的断裂韧度k1c和零件的实际工作应力，估算断裂时的临界裂纹长度ac，为零件的裂纹探伤提供依据。 可以解决工程实际问题n 根据

17、零件的实际工作应力和其内可能的裂纹尺寸a，确定材料应有的断裂韧度k1c，为正确选材提供依据；n 根据零件所使用的材料断裂韧度k1c及已探伤出的零件内存在的裂纹尺寸a，确定零件的临界断裂应力c，为零件最大承载能力设计提供依据；48材料科学第一章工程材料的主要性能疲劳现象：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。疲疲 劳（劳（ ）49材料科学第一章工程材料的主要性能 表示金属材料在无数次交变载荷作用而不破表示金属材料在无数次交变载荷作用而不破坏的最大应力。坏的最大应力。疲劳极限疲劳极限-1-

18、150材料科学第一章工程材料的主要性能疲劳曲线51材料科学第一章工程材料的主要性能钢材的循环次数一般取钢材的循环次数一般取 n = 10n = 107 7有色金属的循环次数一般取有色金属的循环次数一般取 n = 108n 提高疲劳极限途径提高疲劳极限途径n 改善零件的结构形状改善零件的结构形状n 降低表面粗糙度值降低表面粗糙度值n 采取表面强化采取表面强化疲劳极限疲劳极限-152材料科学第一章工程材料的主要性能19431943年美国年美国t-2t-2油轮发生断裂油轮发生断裂53材料科学第一章工程材料的主要性能物物 理理 性性 能能不仅对工程材料的选用来说，有着重要的意义；不仅对工程材料的选用来说，有着重要的意义；而且也会对材料的加工工艺产生一定的影响。而且也会对材料的加工工艺产生一定的