材料的性能第一章材料的性能课件

1、第一章 材料的性能使用性能：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。外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。 五万吨水压机低碳钢的应力-应变曲线拉伸试样拉伸试验机一、弹性和刚度弹性：材料受外力作用产生变形，当外力去除后能恢复其原来形状的性能。指标为弹性极限，即材料承受最大弹性变形时的应力。弹性变形: 随外力消失而消失的变形，大小与外力成正比，服从胡克定律 刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指

2、标为弹性模量E(单位为GPa)。一、弹性和刚度弹性模量E表征材料产生弹性变形的难易程度。材料E越大，产生一定量的弹性变形所需要的应力也越大，即越不容易产生弹性变形，反之亦然。弹性模量在工程上称为材料的刚度。显然，在零件的结构、尺寸已确定的前提下，其刚度取决于材料的弹性模量，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。弹性模量主要取决于材料内部原子间的作用力，如晶体材料的晶格类型、原子间距等，除随温度升高而逐渐降低外，材料的其他强化手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响较小。 二、强度与塑性强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。 屈服强度Re：材料发生微量塑性变形时的应力

3、值。 规定塑性延伸强度Rp：由于有很多材料的拉伸曲线上没有明显的屈服点，无法确定屈服极限，因此规定试样产生一定量塑性变形时的应力值为该材料的规定塑性延伸强度。一般工程上以0.2%塑性变形时的应力值为该材料的规定塑性延伸强度，以 Rp0.2表示，即老标准的条件屈服极限0.2。抗拉强度Rm ：试样拉断前最大载荷所决定的应力值，即试样所能承受的最大载荷除以试样原始横截面积，单位为MPa塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。指标为： 断后延伸率 A：断面收缩率 Z：断裂后拉伸试样的颈缩现象说明： 用断面缩率表示塑性比断后伸长率更接近真实变形。 直径d0 相同时，l0，A。只有当l0/d0 为常

4、数时，塑性值才有可比性。当l0=5d0 时，伸长率用A表示；当l0=10d0 时，伸长率用A11.3表示。显然A11.3 A AZ 时，无颈缩，为脆性材料表征 AZ 时，有颈缩，为塑性材料表征三、冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。指标为冲击吸收能量AKU或AKV(通过冲击实验测得)。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。韧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 号TITANIC的沉没与船体材料的质量

5、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Titanic近代船用钢板四、疲劳材料在低于Re的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R-1表示。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的形状结构，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。轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）五、硬度材料抵抗表面局部塑性变形的能力。布氏硬度HBW布氏硬度计布氏硬度的单位为N/mm2，但习惯上只写数值而不标出单位，硬度值越高，表明材料越硬。布氏硬度的表示方法：硬度值写在符号

6、HBW之前，符号之后按下列顺序用数值表示试验条件：球体直径（mm）；试验力（Kgf）；力保持时间（s），如600HBW 1/30/20。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Rm与HB之间的经验关系： 对于低碳钢: Rm(MPa)3.6HB 对于高碳钢： Rm(MPa)3.4HB 对于铸铁： Rm(MPa)1HB或 Rm(MPa) 0.6(HB-40)洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根据压头类型和

7、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。钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕 洛氏硬度（HR）测试当被测样品过小或者布氏硬度（HB）大于450时，就改用洛氏硬度计量。试验方法是用一个顶角为120度的金刚石圆锥体或直径为1.59mm/3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕深度求出材料的硬度。根据实验

8、材料硬度的不同，可分为三种不同标度来表示： HRA 是采用60Kg载荷和钻石锥压入器求的硬度，用于硬度极高的材料。例如：硬质合金。 HRB 是采用100Kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球求得的硬度，用于硬度较低的材料。例如：退火钢、 铸铁等。 HRC 是采用150Kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料。例如：淬火钢等 洛氏硬度中HRA、HRB、HRC中的A、B、C为三种不同的标准。称为标尺A、标尺B、标尺C。洛氏硬度实验是现今所有使用的几种普通压痕硬度实验的一种。三种标尺的初始压力均为98.07N（10Kgf)，最后根据压痕深度计算硬度值。标尺A使用的是球锥菱形压头，然后加压至

9、588.4N（60Kgf）；标尺B使用的是直径为1.588mm（1/16英寸）的钢球作为压头，然后加压至1471N（150Kgf），因此标尺B适用于较软的材料检测。标尺C适用于较硬的材料检测。 维氏硬度维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。根据载荷范围不同，规定了三种测定方法维氏硬度试验 、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。 小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计六、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 1943年美国T-2油轮发生断裂北极

10、星导弹裂纹扩展的基本形式应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。断裂韧性：材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。RC为断裂应力，aC为临界裂纹半长，单位为 七、材料的高温和低温性能1、高温性能 材料在长时间的恒温、恒应力作用下，发生缓慢塑性变形的现象称为蠕变。蠕变的一般规律是温度越高，工作应力越大，则蠕变的发展越快，产生断裂的时间就越短。 金属材料在高于一定温度下，承受的应力即使小于屈服点，也会出现蠕变现象。因此在高温下使用的金属材料，应具有足够的抗蠕变能力。工程塑料在室温下受到应力作用就可能发生蠕变。 蠕变的另一种表现形式是应力松驰，它是指承受弹性变形的零件，在工作过程中总变形量保持不变，

11、但随时间的延长工作应力自行逐渐衰减的现象。如高温紧固件，若出现应力松驰，将会使紧固失效。在高温下，材料的强度是用蠕变强度和持久强度来表示的。蠕变强度是指材料在一定温度下、一定时间内产生一定永久变形量所能承受的最大应力。2、低温性能随着温度的下降，多数材料会出现脆性增加的现象，严重时甚至发生脆断。可通过材料的冲击功与温度的变化关系来确定材料的韧、脆状态转化。当温度降到某一值时，冲击吸收能量KU或KV值会急剧减小，使材料呈脆性状态。材料由韧性状态转变为脆性状态的温度Tk称为韧脆转化温度。材料的Tk低，表明其低温韧性好。 材料的物理性能指不发生化学反应就能表现出来的性能，如密度、熔点、导热性、导电性

12、、热膨胀性和磁性。 第二节金属材料的物理和化学性能 材料的化学性能是材料在化学介质的作用下所表现出来的性能。如材料的耐腐蚀性能和抗氧化性能和化学稳定性能。 第三节金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能指金属材料适应加工工艺要求的能力；按工艺方法的不同，可分为铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。铸造性能：指利用金属的可熔性将其熔化后，注入铸型制成铸件的难易程度；包括金属液体的流动性和收缩性。 锻造性能：指金属材料在锻造过程中承受压力加工而具有的塑性变形能力。 焊接性：指材料被焊接的难易性质。 切削加工性：表示对材料进行切削的难易程度，可用切削抗力的大小，加工表面质量、排屑的难易程度，切削刀具的寿命来衡量。 热处理工艺性：指标有淬硬性、淬透性、淬火变形与淬裂、表面氧化与脱碳，过热与过烧，回火稳定性与脆性。 复习思考题一1. 说明下列力学性能指标的名称、意义和单位：Rm 、Re 、Rp0.2 、A、Z、HBW、HRC、HV。 2. 绘出低碳钢退火态度R- 曲线，指出曲线上各点的含义及试样的变化情况。 3.说明布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度测定方法、各自的优缺点和适用场合。 4.甲、乙、丙三种材料的硬度分别为600HBW、800HV和50HRC，试比较其硬度的高低。 5.疲劳破坏是如何形成的？提高零件疲劳极限的方法有哪些？