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《材料性能学》课件绪论一、本课程的性质和内容1．性质：材料性能学是金属材料专业的一门必修专业课，以材料科学基础、热处理、工程力学及大学物理知识为基础。材料的性能：（1）工艺性能：铸造性能、压力加工性能、焊接性能等；（2）使用性能：力学性能、物理性能、化学性能。从其被使用的性能特征而言分为结构材料和功能材料。结构材料：以力学性能（一般是指强度、塑性）为主要技术指标应用的材料。例：钢材：屈服强度σS、强度极限σb、延伸率δ绪论功能材料：以物理、化学性能为主要技术指标应用的材料。例：电热材料（电阻率ρ）、磁性材料（磁导率μ、矫顽力HC）等。金属材料粉末冶金方向：粉末冶金材料：粉末冶金结构材料；硬质合金；磁性材料等。硬质合金：烧结工艺（热容）、钴的含量（饱和磁化强度）、WC颗粒、硬度、矫顽力HC2．内容：第1~11章力学性能：材料在静载条件下的弹性变形、塑性变形和断裂过程，材料的硬度、断裂韧性、疲劳性能、磨损性能、材料的高温力学性能及材料的强韧化方法等；第12~14章物理性能：热学性能、磁学性能、电学性能绪论二、学完本课程后应达到的要求（学习本课程的目的）1．掌握主要力学性能和物理性能的基本概念、物理本质、变化规律及性能指标的工程意义；2．理解各种因素对金属材料力学性能和物理性能的影响。即掌握环境因素和金属材料成分、内部组织结构因素对性能的影响；基本掌握提高材料性能指标、充分发挥材料性能潜力的主要途径；3.了解材料性能的测试原理、方法及仪器设备4．具有初步的材料失效分析、合理选材、用材及新材料的技能。绪论•三、本课程的特点及主要参考书•物理知识要求有一定的深度。理论性较强；同时应该是一门实验检测课。章与章之间较独立，但内容安排上有一定的规律性。•第一篇材料的力学性能•第一篇材料的力学性能•1：退火低碳钢1：有机玻璃：硬而脆2：正火中碳钢2：纤维增强热固塑料：•3：高碳钢硬而强•但弹性模量3：尼龙：硬而韧•基本相同•4：聚四氟乙烯：软而韧•第1章金属材料的弹性变形一、弹性变形力学性能指标•1、弹性模量E：表示材料抵抗弹性变形的能力，即材料在弹性变形范围内，产生单位弹性应变所需应力。•2、弹性极限σe：表示材料只发生弹性变形所能承受的最大应力。•3、比例极限σp：表示材料在弹性变形阶段，应力与应变成正比的最大应力。•4、弹性比功ɑe：表示金属材料吸收变形功而又不发生永久变形的能力，在数值上ɑe=σeεe∕2=σe2∕2E•５、刚度EA0：表示材料在外载荷作用下抵抗弹性变形的能力。•二、影响弹性模量的因素•1、键合方式和原子结构•化学键大于物理键：共价键、金属键、离子键大于分子键•结合力强的弹性模量大。第1章金属材料的弹性变形•2、晶体结构•单晶体呈现各向异性（钨除外），多晶体呈现各向同性——伪等向性•铁的单晶体：111晶向E=270000MPa•100晶向E=125000MPa•铁的多晶体：E=135000MPa•钨皆为：E=384600MPa•3、化学成分•合金的弹性模量取决于组元的性质、结构及组元之间的结合方式、组织•4、微观组织•合金成分不变时，组织对弹性模量影响很小，晶粒大小对弹性模量无影响。•5、温度•温度升高，原子间距增大，体积膨胀，原子间结合力下降，弹性模量下降。第2章金属材料的塑性变形•一、塑性变形机理•1、单晶体塑性变形的主要方式：滑移和孪生•塑性变形——滑移——位错的运动•阻碍位错运动的因素——晶体缺陷•晶体缺陷：点缺陷：空位、间隙原子、置换原子•线缺陷：位错•面缺陷：•2、多晶体塑性变形的特征：•1）塑性变形的非同时性和非均匀性：材料的表面优先和处于软位向的滑移系优先；•2）晶界的影响和晶粒位向差的影响•晶界对位错运动有阻碍作用•晶粒之间相互阻碍和协调•霍耳——佩奇公式：σs=σi+kd-1/2第2章金属材料的塑性变形•二、屈服强度和强度极限•1、屈服强度σs及条件屈服强度σ0.2•屈服强度σs：表示材料不发生明显的塑性变形所能承受的最大工程应力。•条件屈服强度σ0.2：表示材料在标距长度内发生0.2%的残余工程应变时工程应力。•2、强度极限（抗拉强度）σb•强度极限σb：表示材料在拉断前所能承受的最大工程应力。•三、塑性：材料在断裂前产生塑性变形的能力。•1、塑性的意义•1）可使得材料通过塑性变形产生的应变硬化提高抗过载能力，•2）保证材料塑性变形的顺利进行•3）塑性可判定金属材料冶金质量的好坏。•2、塑性指标•伸长率δ•断面收缩率ψ第2章金属材料的塑性变形•四、影响屈服强度的因素•1、晶体结构•屈服即位错开始运动，因此单晶体理论屈服强度=临界切应力•切应力取决于阻力（点阵阻力、位错交互运动的阻力）•1)点阵阻力：派—纳力•一个位错晶体中运动所需克服的阻力。•2）位错交互运动的阻力•3）位错运动与其它缺陷的作用•2、晶界和亚晶界的影响•HALL-PETCH公式•在纳米晶范围内仍出现细晶强化•3、合金元素的影响第2章金属材料的塑性变形•固溶强化•柯氏气团强化•沉淀强化•时效强化•弥散强化•4、环境因素•1）温度：温度升高，屈服强度下降。•2）加载速度：加载速度（变形速度）越快，屈服强度增高。•3）应力状态的影响：•不同的加载方式，屈服强度不同。第2章金属材料的塑性变形•固溶强化•柯氏气团强化•沉淀强化•时效强化•弥散强化•4、环境因素•1）温度：温度升高，屈服强度下降。•2）加载速度：加载速度（变形速度）越快，屈服强度增高。•3）应力状态的影响：•不同的加载方式，屈服强度不同。第2章金属材料的塑性变形•五、影响金属材料塑性的因素•1、晶体结构•2、晶粒大小•3、第二相的形态、大小、数量及分布•4、温度•5、加载速度•6、应力状态•六、应变硬化及应变硬化指数•七、超塑性及具有超塑性的条件第3章金属材料的断裂与断裂韧性•过量变形、磨损、腐蚀、断裂是机件的四种主要失效形式。•断裂•断裂过程包括裂纹的萌生、扩展与断裂三个阶段。•断口及断口分析法•一、断裂的类型及断裂机理•一）断裂的类型•1.根据断裂前塑性变化大小分为：韧性断裂和脆性断裂•韧性断裂：指金属断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断消耗能量。•中、低强度钢的光滑圆柱试样在室温下的静拉伸断裂是典型的韧性断裂。•韧性断裂的宏观断口同时具有上述三个区域，而脆性断口纤维区很小，剪切唇几乎没有。•脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因此危害性很大。•脆性断裂的断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。板状矩形拉伸试样断口呈人字纹花样。第3章金属材料的断裂与断裂韧性•2.按裂纹扩展的途径分为：穿晶断裂与沿晶断裂•多晶金属断裂时，裂纹扩展的路径可能不同，穿晶断裂的裂纹穿过晶粒内，而沿晶断裂的裂纹沿晶界扩展。第3章金属材料的断裂与断裂韧性•3.根据断裂机理分类：纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂与准解理断裂•(1)剪切断裂：•金属材料在切应力的作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂；•包括滑断纯剪切断裂和微孔聚集型断裂。•微孔聚集型断裂是通过微孔成核、长大聚合而导致材料分离。•断口宏观特征：呈暗灰色、纤维状•断口微观特征：断口上分布有大量韧窝。第3章金属材料的断裂与断裂韧性•(2)解理断裂：•是指金属材料在一定条件下（如低温），当外加正压力达到一定数值后，由于原子间结合键的破坏引起的以极快速率沿一定晶体学晶面产生的穿晶断裂；•由于与大理石的断裂相似，所以称这种晶体学平面为解理面。•断口宏观特征：呈极平坦的镜面•断口宏观特征：解理台阶、河流花样、舌状花样。•微孔聚集型断裂是通过微孔成核、长大聚合而导致材料分离。•(2)解理断裂：•是指金属材料在一定条件下（如低温），当外加正压力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂；•由于与大理石的断裂相似，所以称这种晶体学平面为解理面。第3章金属材料的扭转、弯曲、压缩性能•(2)解理断裂：•是指金属材料在一定条件下（如低温），当外加正压力达到一定数值后，由于原子间结合键的破坏引起的以极快速率沿一定晶体学晶面产生的穿晶断裂；•由于与大理石的断裂相似，所以称这种晶体学平面为解理面。•断口宏观特征：呈极平坦的镜面•断口微观观特征：解理台阶、河流花样、舌状花样。2.准解理•在淬火回火钢中，当裂纹在晶粒内部扩展时，难于严格的沿一定晶体学平面扩展，•断裂路径不再与晶粒位向有关，而主要与细小的碳化物质点有关，其微观形态，与解理河流相似，但又不是真正的解理，所以称为准解理。第4章金属材料的扭转、弯曲、压缩性能•4.1应力状态软性系数值越大，表示应力状态越“软”，金属越易于产生塑性变形和韧性断裂。α值越小，表示应力状态越“硬”，金属越不易于产生塑性变形而易于产生脆性断裂。单向拉伸的α为0.5单向压缩的α为0.2扭转的α为0.5)]([232131maxmax最大正应力最大切应力第4章金属材料的扭转、弯曲、压缩性能•4.2扭转•一、扭转试验•当圆柱试样承受扭矩T进行扭转时，试样表面的应力状态如图所示，在与试样轴线呈45°的两个斜截面上作用最大与最小正应力σ1及σ3，在与试样轴线平行和垂直的截面上作用最大切应力，两种应力的比值接近1。•在弹性变形阶段，试样横截面上的切应力和切应变沿半径方向的分布是线性的（图2-6b）。•当表层产生塑性变形后，切应变的分布仍保持线性关系，但切应力则因塑性变形而有所降低，呈非线性分布。第4章金属材料的扭转、弯曲、压缩性能第4章金属材料的扭转、弯曲、压缩性能第4章金属材料的扭转、弯曲、压缩性能•二、扭转试验测定的主要力学性能指标•1.切变模量G•在弹性范围内，切应力与切应变之比，表示材料抵抗切应变的能力。G第4章金属材料的扭转、弯曲、压缩性能•2.扭转比例极限•3.扭转屈服强度•4.抗扭强度psPpTWSSTWbbbTW4.2扭转•二、扭转试验的特点及应用•特点：•(1)应力状态软性系数α=0.8，比拉伸时的α大，易于显示拉伸时表现为脆性或低塑性金属材料的塑性行为。•(2)圆柱形试样扭转时，整个长度上塑性变形是均匀的，没有缩颈现象。•(3)能较敏感的反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能。•(4)扭转试验时的最大正应力与最大切应力在数值上大体相等，而生产上所用大部分金属材料的正断抗力大于切断抗力，所以扭转试验是测定这些材料切断抗力最可靠的方法。•应用：4.3弯曲•一、弯曲试验•将圆柱形或矩形试样放置于一定跨距Ls的支座上，进行三点弯曲或四点弯曲加载，通过记录弯曲力f和试样挠度f之间的关系曲线，就可确定金属在弯曲力下的力学性能。4.3弯曲•二、弯曲试验所测的主要性能指标•弯曲试验主要测定脆性或低塑性材料的抗弯强度•试样弯曲至断裂前达到的最大弯曲力，按弹性弯曲应力公式计算的最大•弯曲应力，称为抗弯强度。•三、弯曲实验的特点及应用•(1)弯曲试验的试样形状简单、操作方便，不存在拉伸试验时的试样偏斜对结果的影响，可用弯曲的挠度显示材料的塑性。•(2)弯曲试验时，样品表面应力最大，可灵敏的反映材料表面的缺陷。•(3)测量灰铸铁、硬质合金、工具钢的抗弯强度，评价其性能和质量。bbbbbMW4.4压缩•一、压缩试验4.4压缩•二、压缩试验可测定的主要压缩性能指标：•1.抗压强度•单位试样被压至破坏过程中的最大应力σbc•2.相对压缩率•3.相对断面扩展率•三、压缩试验的特点•(1)单向压缩试验的应力状态软性系数α=2，比拉伸、扭转、弯曲的应力状态都软，所以主要用于拉伸时呈脆性的金属材料力学性能的测定。•(2)拉伸时塑性很好的材料，在压缩时只发生压缩变形而不断裂。•(3)对于接触面处承受多向压缩应力的机件，如滚动轴承、套圈与滚动体，常采用多向压缩实验。第5章金属材料的硬度•5.1金属硬度的意义及硬度试验的特点•硬度是表征材料软硬程度的一种性能•物理意义随着试验方法不同而不同•压入法是应用最广泛的硬度测试方法•压入法的应力状态软性系数α=2，在这种应力状态下