第一章工程材料的性能

第一章工程材料的性能•[表征材料在给定外界条件下的行为――材料的性能]•1.使用性能•力学性能——材料在受力时的性质。•物理性能——相对密度；熔点；热膨胀性；磁性；导热性；导电性；相对介电常数。•化学性能——耐腐蚀性；高温抗氧化性（氧化膜）。•2.工艺性能铸造、锻、焊、切削等[学习要点]•[重点掌握]•各种机械性能指标（强度,塑性；冲击韧性；硬度HB，HRC，HV；疲劳强度，断裂韧性。）的物理意义和单位。•[一般要求]•材料的工艺性能及物理化学性能[本章内容]•§1-1静载时材料的机械性能•§1-2动载时材料的机械性能•§1-3高温下的机械性能•§1-4断裂韧性•1.5工程材料的其它性能•“材料的力学性能”练习题§1-1静载时材料的机械性能•一、静拉伸试验•二、刚度和弹性•三、材料的强度•四、塑性•五、硬度一、静拉伸试验•应力σ：单位面积上的内力σ=F/S0单位MPa•应变ε：单位长度的伸长量ε=ΔL/L01.应力-应变曲线（分为四阶段）●弹性变形●屈服变形●均匀塑性变形阶段●局部集中塑性变形——颈缩•铸铁、陶瓷：只有第I阶段•中、高碳钢：没有第II阶段二、刚度和弹性1．刚度（材料在受力时，抵抗弹性变形的能力）•E=σ/ε杨氏弹性模量GPa,MPa•本质是：反映了材料内部原子结应力的大小，组织不敏感的力系指标。2．弹性：材料不产生塑性变形的情况下，所能承受的最大应力。•比例极限：σp=Fp/S0应力――应变保持线性关系的极限应力值•弹性极限：σe=Fe/S0不产永久变形的最大抗力。•工程上，σp、σe视为同一值，通常也可用σ0.01三、材料的强度σ=P/Fo表示材料抵抗变形和断裂的能力单位:MPa•1．抗拉强度•σb=Fb/So•材料被拉断前所承受的最大应力值（材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值）。•2．屈服强度σs和条件屈服强度σ0.2•a:σs=Ps/Fo（σs代表材料开始明显塑性变形的抗力,是设计和选材的主要依据之一。）•b:σ0.2条件屈服强度•（中高碳钢、无屈服点，国家标准，以产生一定的微量塑性变形的抗力的极限应力值来表示。）•脆性材料：σb=σs灰口铸铁•3.屈强比：σs/σb四、塑性•1．延伸率••Lk:试样拉断后最终标距长度•延伸率与试样尺寸有关，δ5,δ10(Lo=5do,10do)2．断面收缩率•ψ=△S/So=(So-Sk)/Sox100%•δ,ψ越大，塑性愈好•δ5%,脆性材料五、硬度•抵抗外物压入的能力，称为硬度――综合性能指标。•1．布氏硬度•适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻软的轴承合金•HB=P/F（MPa或kgf/mm2），F——压头表面积•●特点：•▲平均、重复性好；•▲压痕面积大，不适合于成品检验；•▲HBS--钢球压头（＜450）；HBW--硬质合金钢球压头（＞450）。1．布氏硬度布洛维硬度计读数显微镜2．洛氏硬度HR•定义：每0.002mm相当于洛氏1度•——操作简便、可直读；压痕小；适于各种硬度值的测量；但重复率低。•洛氏硬度常用标尺有：B、C、A三种•▲HRB（钢球压头，980N载荷）——测量未淬火钢，有色金属。•▲HRC（圆锥压头，1470N载荷）——测量调质钢、淬硬钢制品。•▲HRA（圆锥压头，588N载荷）——测量硬、薄试件、硬质合金。洛氏硬度洛氏硬度•洛氏硬度计算公式：••式中:•h1：为预加载荷压入试样的深度（mm）。•h3：为卸除主载荷后压入试样的深度（mm)。•k：为常数（1200金刚石圆锥k=0.2；钢球时HRBk=0.26）•3．维氏硬度HV——金刚石正四棱锥压头，精确，但操作复杂，用于科学试验。●压力可选5～120kg间的特定值；适于各种硬度值的测量；压痕小，可测表面硬化层4．显微硬度（HM）•――测组成相的硬度。§1-2动载时材料的机械性能•一、冲击韧性•二、疲劳强度一、冲击韧性•韧性：材料断裂前吸收变形能量的能力----韧度•冲击韧性：冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。•ak=冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断口截面积F(J/cm2)•ak值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状。•ak值高，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性材料。●应用——汽车紧急制动；蒸汽锤；冲床等动载荷。冲击原理图冲击机T8钢：脆性材料断口呈平直；有金属光泽；呈结晶状。A3钢：塑性材料断口呈灰色纤维状，无金属光泽韧性与温度有关——脆性转变温度•二、疲劳强度•●疲劳：材料在交变应力作用下，在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。•▲疲劳占失效零件的70%以上，80%的断裂由疲劳造成。•●疲劳极限：材料能承受的无数次循环而不断裂的最大应力值。•条件疲劳极限：经受107（钢，有色金属、超高强度钢108）应力循环而不致断裂的最大应力值。•●疲劳原因——划痕、内应力集中引起微裂纹扩展•●影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余应力等。•▲陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低；•▲金属材料，纤维增强复合材料疲劳强度较高疲劳曲线循环次数N应力107σ-1§1-3高温下的机械性能•温度升高→硬度、强度、弹性模量下降；塑性、韧性增加。•高温蠕变——高温下工作的金属材料，即使所加应力小于该温度下的屈服强度，随时间的延长，应变量缓慢也会增加，甚至发生断裂。•持久强度：σtT•蠕变极限:σδT/t•热硬性（红硬性）§1-4断裂韧性KIC•●低应力脆断——应力远小于屈服强度时发生突然脆性断裂•●机理——微裂纹、缺陷、应力集中→裂纹扩展→失稳扩展●断裂韧性——裂纹失稳扩展抗力•●影响因素——成分、热处理、加工工艺。断裂韧性的应用•断裂韧性是强度和韧性的综合体现。•（1）探测出裂纹形状和尺寸，根据KIC，制定零件工作是否安全KI≥KIC，失稳扩展。•（2）已知内部裂纹2a，计算承受的最大应力。•（3）已知载荷大小，计算不产生脆断所允许的内部宏观裂纹的临界尺寸。Titanic沉没原因1.5工程材料的其它性能•一、热学性能•材料的热学性能与原子和自由电子的能量交换密切相关。•1．热膨胀――原子（或分子）受热后平均振幅增加•（1）体积膨胀系数β•（2）线膨胀系数α•结合键越强则原子间作用力越大，原子离开平衡位置所需的能量越高，则膨胀系数越小。•2．热传导――自由电子的运动和晶格振动。•导热系数λ：单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量：•3．热容：•材料在温度升高10C时所吸收的热量叫做热容。•一克物质的热容也叫比热。二、电学性能•1．导电性•R＝ρL／S•电阻率：ρ•电导率：1/ρ•超导体：ρ——0•导体：ρ=10-8-10-5•半导体：ρ=10-5-107•绝缘体：ρ=107-1022三、磁性•1．物质接磁性分类：•抗磁性物质•顺磁性物质•铁磁性物质•2．磁化率•磁化强度M＝X·HX：磁化率（或磁化系数）•3．导磁率B＝μ·H（μ：介质导磁率）•4．磁弹回线和矫顽力•四、比重和熔点•1．比重•2．熔点•五、耐磨性能•六、抗蚀性能“材料的力学性能”练习题1.下列情况分别是因为哪一个力学性能指标达不到要求？（1）紧固螺栓使用后发生塑性变形。（2）齿轮正常负荷条件下工作中发生断裂。（3）汽车紧急刹车时，发动机曲轴发生断裂。（4）不锈钢圆板冲压加工成圆柱杯的过程中发生裂纹。（5）齿轮工作在寿命期内发生严重磨损。2.下列现象与哪一个力学性能有关？（1）铜比低碳钢容易被锯割。（2）锯条易被折断，而铁丝不易折断。3.零件设计时，选取σs（或σ0.2）还是选取σb、应以什么情况为依据？“材料的力学性能”参考答案11.下列情况分别是因为哪一个力学性能指标达不到要求？（1）紧固螺栓使用后发生塑性变形。——屈服强度（2）齿轮正常负荷条件下工作中发生断裂。——疲劳强度（3）汽车紧急刹车时，发动机曲轴发生断裂。——冲击韧性（4）不锈钢圆板冲压加工成圆柱杯的过程中发生裂纹。——塑性（5）齿轮工作在寿命期内发生严重磨损。——硬度2.下列现象与哪一个力学性能有关？（1）铜比低碳钢容易被锯割。——硬度（2）锯条易被折断，而铁丝不易折断。——塑性“材料的力学性能”参考答案23.零件设计时，选取σs（或σ0.2）还是选取σb、应以什么情况为依据？3.答：（1）选取σs——低碳钢及其它高塑性材料，要求使用时不允许发生塑性变形的情况。（2）选取σ0.2——中、高钢等无明显屈服现象的材料，要求使用时不允许发生塑性变形的情况。（3）选取σb——铸铁等脆性材料（或塑性材料允许发生塑性变形，但）不允许发生断裂的情况。