第1章 工程材料及其性能.ppt

1、第1章 工程材料及其性能,1.1 工程材料概述,材料是用来制作有用器件的物质，是人类生活和生产所必须的物质基础。从日常生活用的器具到高技术产品，从简单的手工工具到复杂的航天器、机器人等等，都是用各种材料制作而成的。,公路、铁路的钢架桥梁,“神州”六号载人飞船发射升空,导 弹 驱 逐 舰,航 空 母 舰,美国“奋进号”航天飞机“乘坐”波音747飞机,钢 甲 勇 士,1.1.1 材料的发展,材料是人类进化的里程碑。由于材料的重要性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。,材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。,材料的发展与人类社会简图,1.1.2 工程材料的分类,1.2 金属材料的常

2、用力学性能,1.2.1 金属材料所受载荷与常用力学 1.2.2 强度 1.2.3 塑性 1.2.4 硬度 1.2.5 冲击韧性 1.2.6 疲劳强度,1.2.1 金属材料所受载荷与常用力学,载荷金属材料（或零件、构件）在加工和使用过程中所受的力（N）或应力。,按外力的作用性质，可分为三种：,（1）静载荷 大小不变或变化很慢的载荷。如：书放在桌子上，桌子所受的力。人站在地面上，地面所的力等等。 （2）冲击载荷 突然增加或消失的载荷。如：在墙上钉钉子，钉子所受的力等等。 （3）交变载荷 周期性的动载荷。根据作用形式不同，载荷又可分为：拉、压载荷，弯曲载荷，剪切载荷，扭转载荷。,2.载荷下的变形,（

3、1）弹性变形 随外力消除而消失的变形称为弹性变形。 （2）塑性变形 当外力去除时，不能恢复的变形称为塑性变形。,3.常用力学性能指标,金属材料的力学性能是指材料在各种载荷作用下表现出来的抵抗变形和断裂的能力。常用的力学性能指标有：强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等，它们是衡量材料性能和决定材料英语范围的重要指标。,1.2.2 强度,一、 拉伸曲线与应力应变曲线 1拉伸曲线 GB 22887规定了拉伸试验的方法和拉伸试验试样的制作标准。在试验时，金属材料制作成一定的尺寸和形状(如图1-1所示)，将拉伸试样装夹在拉伸试验机上，对试样施加拉力，在拉力不断增加的过程中观察试样的变化，直至把试样拉断

4、。,强度材料受静载荷作用时，抵抗塑性变形和断裂的能力。,长试样：L0=10d0,短试样：L0=5d0,返 回,上一页,下一页,回主页,根据拉伸过程中载荷(F)与试样的伸长量(l)之间的关系，可以绘制出金属的拉伸曲线。如图1-2所示为低碳钢的拉伸曲线，拉伸过程可分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。具体分析如下：,Op段：试样的伸长量与载荷呈直线关系，完全符合虎克定律，试样处于弹性变形阶段。 pe段：伸长量与载荷不再成正比关系，拉伸曲线不成直线，试样仍处于弹性变形阶段。 ss段(拉伸曲线中的平台或锯齿)：外力不增加或变化不大，试样仍继续伸长，出现明显的塑性变形，这种现象称为屈服现象。 sb段：这

5、个阶段，载荷增加，伸长沿整个试样长度均匀伸长，同时，随着塑性变形不断增加，试样的变形抗力也逐渐增加，这个阶段是材料的强化阶段。,b点：载荷达到最大，试样局部面积减小，伸长增加，形成了“缩颈”。 bk段：随着缩颈处截面不断减小(非均匀塑性变形阶段)，承载能力不断下降，到k点时试样发生断裂。 拉伸曲线中，断裂总伸长为Of，其中塑形变形伸长为Og(试样断后测得的伸长lk)，弹性伸长为gf。,强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，是工程技术上重要的力学性能指标。 按照载荷的性质，材料强度有静强度、疲劳强度等；按照环境条件，材料强度有常温强度、高温强度等，高温强度又包括蠕变极限和持久强度。 除了上述

6、材料强度外，还有机械零件和构件的结构强度。 工程上常用的强度指标有强度指标有屈服强度、规定残余延伸强度、抗拉强度等。,2.强度指标,材料强度的大小通常用单位面积上所承受的力来表示，其单位为N/m2(Pa)，但Pa这个单位太小，所以实际工程中常用MPa（MPa=106Pa）作为强度的单位。 一般钢材的屈服强度在2002000MPa 之间，如建造2008年北京奥运会主体育场“鸟巢”外部钢结构的Q460E钢，其屈服强度为460MPa。,（1）弹性极限e 弹性极限是指在产生完全弹性变形时材料所能承受的最大应力，即：,式中Fe试样完全弹性变形时所能承受的最大载荷，N ； So试样原始截面积，mm2。,在

7、实际工程应用中，在最大许用应力条件下是否产生或产生多大微量塑性变形是重要的，具有实际意义。,（2）屈服强度（屈服点）, 屈服现象,在金属拉伸试验过程中，当应力超过弹性极限后，变形增加较快，此时除了弹性变形外，还产生部分塑性变形。当外力增加到一定数值时突然下降，随后，在外力不增加或上下波动情况下，试样继续伸长变形，在力伸长曲线出现一个波动的小平台，这便是屈服现象。,屈服强度s,屈服点是指材料开始产生明显塑性变形（即屈服）时的应力，用符号s（Mpa）表示即：,式中FS试样发生屈服现象时的载荷，N ； So试样原始截面积，mm2。, 规定残余延伸强度,对于高碳淬火钢、铸铁等材料，在拉伸试验中没有明显

8、的屈服现象，无法确定其屈服强度。 国标GB228-2002规定，一般规定以试样达到一定残余伸长率对应的应力作为材料的屈服强度，称为规定残余延伸强度，通常记作Rr。例如Rr0.2表示残余伸长率为0.2%时的应力。,强度极限是材料在断裂前所能承受的最大应力，用符号 b表示。,(3) 强度极限（抗拉强度）,式中Fb试样在断裂前的最大载荷，N ； So试样原始截面积，mm2。,抗拉强度e的物理意义是塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力。 铸铁等脆性材料拉伸过程中一般不出现缩颈现象，抗拉强度就是材料的断裂强度。 断裂是零件最严重的失效形式，所以，抗拉强度也是机械工程设计和选材的主要指标，特别是对脆性材料来

9、讲。,强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，一般钢材的屈服强度在2001000MPa 之间。 强度越高，表明材料在工作时越可以承受较高的载荷。当载荷一定时，选用高强度的材料，可以减小构件或零件的尺寸，从而减小其自重。 因此，提高材料的强度是材料科学中的重要课题，称之为材料的强化。,强度的意义,强度极限是材料在断裂前所能承受的最大应力，用符号 E表示。,(4) 弹性模量（刚度）,=,式中 应力，Mpa ； 应变，即单位长度的伸长量 ，mm2。,刚度是指材料抵抗弹性变形的能力，金属材料刚度的大小一般用弹性模量E表示。 在拉伸曲线上，弹性模量就是直线（OP）部分的斜率。对于材料而言，弹性模量E越

10、大，其刚度越大。,刚度,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。,结构的刚度除取决于组成材料的弹性模量外，还同其几何形状 、截面尺寸等因素以及外力的作用形式有关，在弹性模量E一定时，零件或构件的截面尺寸越大，其刚度越高。 对于一些须严格限制变形的结构（如机翼、高精度的装配件等），须通过刚度分析来控制变形。许多结构（如建筑物、船体结构等）也要通过控制刚度以防止发生振动、颤振或失稳。,1.2.3 塑性指标,（二）衡量指标,金属材料断裂前发生永久变形的能力。

11、,断面收缩率：,伸长率：,试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。,试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。,返 回,上一页,下一页,回主页,（一） 定义,1.伸长率（ ）,返 回,上一页,下一页,回主页,是指试样拉断后的伸长量与试样原长度比值的百分数。,同一材料的试样长短不同，测得的断后伸长率略有不同。 由于大多数韧性金属材料的集中塑性变形量大于均匀塑性变形量，因此，比例试样的尺寸越短，其断后伸长率越大，用短试样（L05d0）测得的断后伸长率略大于用长试样（L010d0）测得的断后伸长率11.3。,2.断面收缩率（ ）,S0试样原始横截面积,mm2；,S1颈缩处的横截面

12、积,mm2 。,返 回,上一页,下一页,回主页,是指试样拉断处的横截面积的收缩量与试样原横截面积之比的百分数。,3.塑性的意义,任何零件都要求材料具有一定的塑性。很显然，断后伸长率和断面收缩率越大，说明材料在断裂前发生的塑性变形量越大，也就是材料的塑性越好。 意义： a）安全，防止产生突然破坏； b）缓和应力集中； c）轧制、挤压等冷热加工变形。,强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。在金属材料的工程应用中，要提高强度，就要牺牲一部分塑性。反之，要改善塑性，就必须牺牲一部分强度。 正所谓“鱼和熊掌二者不能兼得”。但通过细化金属材料的显微组织，可以同时提高材料的强度和塑性。,通常情况下金属的伸长率

13、不超过90% ，而有些金属及其合金在某些特定的条件下，最大伸长率可高达1000%2000% ，个别的可达6000% ，这种现象称为超塑性。由于超塑性状态具有异常高的塑性，极小的流动应力，极大的活性及扩散能力，在压力加工、热处理、焊接、铸造、甚至切削加工等很多领域被中应用。,超塑性,1.2 .4 硬 度,材料抵抗表面局部塑性变形的能力。,（一）布氏硬度,（二）洛氏硬度,1. 原理,2. 应用,3. 优缺点,1. 原理,2. 应用,3. 优缺点,返 回,上一页,下一页,回主页,（一）布氏硬度,布氏硬度试验是指用一定直径的 硬质合金球以相应的试验力压入式样表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量的表

14、面压痕直径计算硬度的一种压痕硬度试验。,返 回,上一页,下一页,回主页,布氏硬度试验原理图,1. 原理,（一）布氏硬度,返 回,上一页,下一页,回主页,布氏硬度实际测试时，硬度值是不用计算的，利用刻度放大镜测出压痕直径d，根据值d查平面布氏硬度表即可查出硬度值（详见附表B）。 目前，金属布氏硬度试验方法执行时GB/T231-2002标准，用符号HBW表示，布氏硬度试验范围上限为650HBW。,测量比较软的材料。测量范围 650HBW的金属材料。,3. 优缺点,2. 应用,压痕大，测量准确，但不能测量成品件。,返 回,上一页,下一页,回主页,1. 原理,（二）洛氏硬度,返 回,上一页,下一页,回

15、主页,返 回,上一页,下一页,回主页,2. 应用范围,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,返 回,上一页,下一页,回主页,常用洛氏硬度标度的试验范围,优点：操作简便、迅速，效率 高，可直接测量成品件 及高硬度 的材料。,3. 优缺点,缺点：压痕小，测量不准确， 需多次测量。,返 回,上一页,下一页,回主页,（三）维氏硬度(HV) (1)测试原理 和布氏硬度试验原理基本相同。 (2)表示方法 例如：640HV30/20。 (3)适用范围 用于测量金属镀层薄片材料和化学热处理后的表面硬

16、度。,维氏硬度测试原理示意,各硬度值之间大致有以下关系： 布氏硬度值在200450HBW范围内， HBW=10HRC； 布氏硬度值小于450HBW， HBWHV,1.冲击载荷,在很短时间内作用物体上的载荷称为冲击载荷。 加载时间短，加载速率高； 有时利用，有时尽量避免或减小。 载荷作用效果大，所以必须考虑材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，即冲击韧性。,1.2.5 冲击韧度,2.冲击韧性的概念,材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，称为冲击韧性。 示例：玻璃在冲击载荷作用下非常容易破裂，说明其冲击韧性很低。,3.冲击试验,冲击试样 冲击试验原理 一次摆锤冲击试验 冲击韧性的表示方法,1、试验方法

17、：一次摆锤冲击弯曲实验 2、试样：U形或V形缺口,冲击韧性试验原理,3、试验原理： 试样从一定高度被击断后，缺口处单位横截面面积上吸收的功冲击韧度,F,冲击吸收功Aku=FL（cos-cos）,冲击韧度ku=Aku/S,如不能制备标准试佯，可采用宽度7.5mm或5mm等小尺寸试祥,试样的其他尺寸及公差与相应缺口的标准试样相同，缺口应开在试样的窄面上。其中5mm10mm55mm试样常用于薄板材料的检验。 焊接接头冲击试样的形状和尺寸与相应的标准试样相同，但其缺口轴线应当垂直焊缝表面。,缺口冲击试验最大的优点就是测量迅速简便 用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接及热处理等热加工工艺的质量。 用

18、来评定材料的冷脆倾向（测定韧脆转变温度）。设计时要求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度。,4.冲击试验的应用,低温脆性随温度降低，材料由韧性状态转变为脆性状态的现象 。 冷脆：材料因温度降低导致冲击韧性的急剧下降并引起脆性破坏的现象。 对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。,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。,冲击韧性与温度有密切的关系，温度降低，冲击韧性随之降低。当低于某一温度时材料的韧性急剧下降，材料将由韧性状态转变为脆性状态。这一温度称为转变温度（ Tt ）。 转变温度（ Tt ）越低，表明材料的低温韧性越好，对于在寒冷地区使用的材料要十分重要。,1.2.6疲劳

19、强度（疲劳极限）,人工作久了就会感到疲劳，难道金属工作久了也会疲劳吗？ 金属的疲劳能得到恢复吗？,金属材料在受到交变应力或重复循环应力时，往往在工作应力小于屈服强度的情况下突然断裂，这种现象称为疲劳。,1998年6月3日，德国发生了战后最惨重的一起铁路交通事故。一列高速列车脱轨，造成100多人遇难。 事故的原因已经查清，是因为一节车厢的车轮“内部疲劳断裂”引起的。首先是一个车轮的轮箍发生断裂，导致车轮脱轨，进而造成车厢横摆，此时列车正好过桥，横摆的车厢以其巨大的力量将桥墩撞断，造成桥梁坍塌，压住了通过的列车车厢，并使已通过桥洞的车头及前5节车厢断开，而后面的几节车厢则在巨大惯性的推动下接二连三

20、地撞在坍塌的桥体上，从而导致了这场近50年来德国最惨重的铁路事故。,疲劳断裂 零件在循环应力作用下,在一处或几处产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数后突然产生断裂的过程,称为疲劳断裂. 疲劳断裂由疲劳裂纹产生扩展瞬时断裂三个阶段组成。,尽管疲劳失效的最终结果是部件的突然断裂,但实际上它们是一个逐渐失效的过程，从开始出现裂纹到最后破断需要经过很长的时间。 疲劳断裂的宏观断口一般由三个区域组成，即疲劳裂纹产生区（裂纹源）、裂纹扩展区和最后断裂区。,1.疲劳断口,当应力低于某值时，材料经受无限次循环应力也不发生疲劳断裂，此应力称为材料的疲劳极限，记作R（R为应力比），就是S-N曲线中的平台位置对应的应力。 通常，材料的疲劳极限是在对称弯曲疲劳条件下（R1）测定的，对称弯曲疲劳极限记作-1。,2.疲劳强度,若疲劳曲线上没有水平部分，常以规定断裂循环次数对应的应力为条件疲劳极限。 对一般低、中强度钢：107周次 对高强