材料的性能课件

金属材料与热处理金属材料与热处理一、材料的概念二、材料的发展史三、材料的分类四、关于本课程绪论主要内容一、材料的概念1.材料是经过某种加工，具有一定结构、组分和性能，并可应用于一定用途的物质。材料是物质，但不是所有的物质都可以称为材料。2.材料是人类社会生活的物质基础，材料的发展引起时代的变迁，推动人类文明和社会进步。3.在知识经济新时代，材料、能源、信息称为现代技术的三大支柱，其作用和意义尤为重要。二、材料的发展史二、材料的发展史二、材料的发展史二、材料的发展史二、材料的发展史二、材料的发展史二、材料的发展史二、材料的发展史二、材料的发展史二、材料的发展史三、金属材料的分类钢铁材料非铁金属金属材料铸铁钢碳素钢合金结构钢合金工具钢特殊性能用钢(不锈钢及耐热钢)轻金属(铝,镁,钛)重金属(铜,锌,铅,镍)贵重金属(金,银)稀有金属(钨钼钒铌钴)放射金属(镭铀钍)四、关于本课程1.包括金属学基础及热处理、机械工程常用的金属材料、非金属材料、新型材料和零件毛坯的选用。主要讲授工程构件和机器零件用材料的成分、组织结构和性能之间的关系、变化规律和改变材料性能的途径等。本课程的目的是使学生获得有关工程材料的基本理论和知识，初步掌握零件设计时的合理选材、用材，并具有正确运用热处理技术、妥善安排加工工艺路线和材料检测等方面的知识和能力。第一章金属材料的性能使用性能：指各个零件或构件在正常工作时金属材料应具备的性能，他决定了金属材料的应用范围，使用的可靠性和寿命。包括力学（机械）性能、物理性能、化学性能。工艺性能：指金属材料在冷、热加工过程中应具备的性能，它决定了金属材料的加工方法。包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。应根据零件的性能要求、受载情况、服役条件、工作环境等。为了合理地使用和加工金属材料，必须了解其使用性能和工艺性能。力学性能材料的性能使用性能工艺性能物理性能化学性能强度塑性韧性刚度硬度耐磨性疲劳蠕变密度熔点导电性导热性热膨胀磁性成分耐蚀性抗氧化铸造性能锻造性能焊接性能热处理性能切削加工性力学性能定义:是指金属材料在外力的作用下所表现出来的抵抗变形和破坏的能力。力学性能强度硬度断裂韧度疲劳主要指标：塑性韧性•强度•塑性拉伸试验拉伸试验拉伸试验机用静拉伸力对标准拉伸试样进行缓慢的轴向拉伸直至拉断的一种试验方法。*拉伸试样：长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0d0L0液压式万能电子材料试验机力—伸长曲线FesbkLFsFbO屈服弹性变形缩颈断裂塑性变形塑性变形:外力去除后不能消失的变形弹性(elasticity):金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。弹性变形(elasticdeformation):随载荷撤除而消失的变形。弹性极限(elasticlimit):Fe弹性极限载荷(N)σe=(Mpa)S0试样原始横截面积(mm2)拉伸试样的颈缩现象力—伸长曲线FesmkLFsFmO屈服弹性变形缩颈断裂塑性变形强度(strength):材料在力的作用下抵抗塑性变形和破坏的能力。屈服强度(yieldstrength):屈服点SFsRe=(Mpa)S0试样屈服时的载荷(N)试样原始横截面积(mm2)当材料的内应力R＞Re时，材料将产生明显的塑形变形。Re常用作塑性材料的选材和设计的依据。规定残余延伸强度（无屈服平台）：Rr0.2=Fr0.2/S0slF0.20.2%l0o(3)抗拉强度(tensilestrength):试样在断裂前所能承受的最大应力。Fm试样断裂前的最大载荷(N)Rm=(Mpa)S0试样原始横截面积(mm2)当材料的内应力R＞Rm时，材料将产生断裂。Rm常用作脆性材料的选材和设计的依据。力学性能强度硬度韧性断裂韧度疲劳主要指标：塑性塑性(plasticity):是指材料在载荷作用下断裂前发生不可恢复永久变形的能力。(1)断面收缩率(percentagereductioninarea):是指试样拉断处横截面积Su的收缩量与原始横截面积S0之比。S0-SuZ=×100%S0(2)断后伸长率(A)specificelongation:是指试样拉断后的标距伸长量Lu与原始标距L0之比。Lu–L0A=×100%L0A5%属脆性材料A5%属塑性材料塑性对材料的意义：1.提高安全性2.便于压力加工成型刚度：材料在受力时抵抗弹性变形的能力。疲劳强度1.定义：在交变应力作用下，零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的运行后也会发生破坏，零件在这种应力作用下发生的断裂现象称为疲劳断裂。疲劳破坏的特征①疲劳断裂时无明显的宏观朔性变形，断裂前没有预兆，而是突然破坏；②引起疲劳断裂的应力很低，常常低于材料的屈服点；③疲劳破坏的宏观断口由两部分组成。疲劳试验疲劳曲线疲劳曲线是指交变应力与循环次数的关系曲线。疲劳极限—材料经无限多次应力循环而不断裂的最大应力。它表示材料抵抗疲劳断裂的能力。对称应力循环时的疲劳极限用σ-1表示国家标准GB4337-84规定：一般钢铁材料的交变次数107周次；有色金属的交变次数为08周次时的应力值确定为σN。在机械零件的断裂中，80%以上都属于疲劳断裂。措施：合理设计结构；防止应力集中；减小表面粗糙度；表面硬化处理。韧性指标：材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图试样冲断时其吸收能量KU2为:KU2=mgH–mgh(J)g断裂韧度断裂是工程构件最危险的一种失效方式，尤其是脆性断裂，它是突然发生的破坏，断裂前没有明显的征兆，这就常常引起灾难性的破坏事故。原因是：传统材料是把材料看成均匀的，无缺陷无裂纹的理想固体，但是，实际的工程材料，在制备、加工及使用过程中，都会产生各种宏观缺陷（被看成裂纹）。ReRm断裂力学是研究带裂纹体的力学，它给出了含裂纹体的断裂判据，并提出一个材料固有性能指标---断裂韧度KIC，用它来比较各种材料的抗断能力。式中：Y__裂纹的几何形状因子;σ__外加应力（MPa）；a__裂纹的半长（m）；K1__应力强度因子（MPa·m1/2或MN·m-3/2）当K1达到临界值K1C时，零件内裂纹将发生失稳扩展而出现低应力脆性断裂，而K1＜K1C时，零件安全可靠。K1=Yσ√a2、应力强度因子（裂纹前端附近应力场的强弱）当K1达到临界值K1C时，零件内裂纹将发生失稳扩展而出现低应力脆性断裂，而K1＜K1C时，零件安全可靠。3、断裂韧度K1C材料抵抗裂纹扩展的能力断裂韧度表示。反应材料有裂纹存在时，抵抗脆性断裂的能力。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。为安全设计提供了一个重要的力学性能指标硬度指标定义：是材料表面抵抗局部变形的能力。工程上常用的有:布氏硬度(HBW)洛氏硬度(HRAHRBHRC)维氏硬度(HV)硬度是综合性能指标硬度测量简便迅速，不破坏零件(一)布氏硬度HBW1.压头：硬质合金钢球2.试验原理：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。符号HBW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、载荷及载荷保持时间。如:120HBW10/1000/30表示直径为10mm的硬质合金球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。3.标注：4.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。1.压头：120º金刚石圆锥体钢球钢球HRAHRCHRB(二)洛氏硬度2.试验原理：用锥顶角为120°的金刚石圆锥或直径1.588mm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。3.特点：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：压痕较小，当内部组织不均匀时，测量不够精确，可比性差，不同标尺的硬度值不能比较。是生产中应用最广泛的硬度试验方法。可用于成品检验和薄件表面硬度检验。不适于测量组织不均匀材料。4.应用：(三)维氏硬度1.压头：锥面夹角为136º的金刚石正四棱锥体2.试验原理：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。4、测量范围常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。3、优缺点（1）测量准确，应用范围广（硬度从极软到极硬）（2）可测成品与薄件（3）试样表面要求高，费工。材料的物理性能：是金属在重力、电磁场、温度等物理因素作用下，所表现出的性能或固有的属性。如密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性。1.密度2.熔点3.导热性导热性通常用热导率来衡量。热导率越大,导热性越好。金属的导热性银为最好,铜、铝次之。合金的导热性比纯金属差。在热加工和热处理时，必须考虑导热性，防止材料在加热或冷却过程中形成过大的内应力，以免零件变形或开裂。选用导热性好的金属材料制造散热器、热交换器与活塞等零件。4.导电性5.热膨胀性材料随温度变化而膨胀、收缩的特性。膨胀系数大的材料制造的零件,温度变化时,尺寸和形状变化较大。轴和轴瓦之间要根据其膨胀系数来控制间隙尺寸；在热加工和热处理时要考虑材料的热膨胀影响,减少工件变形和开裂。6.磁性铁磁性材料:在外磁场中能强烈被磁化，如铁、钴。顺磁性材料:在外磁场中只微弱被磁化，如锰、铬。抗磁性材料:能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用，如铜、锌等。铁磁性材料制造变压器、电动机、测量仪表等。抗磁性材料用于要求避免电磁场干扰的零件和结构材料，如航海罗盘。居里点：铁磁性材料当温度升高到一定数值时，磁畴被破坏，变为顺磁体，这个转变温度称为居里点。如铁的居里点是770℃。材料的化学性能:1.耐腐蚀性金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力称耐腐蚀性。碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差；钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好。铝合金和铜合金有较好的耐腐蚀性。2.抗氧化性金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称抗氧化性。加入Cr、Si等元素,可提高钢的抗氧化性。如4Cr9Si2可制造内燃机排气阀及加热炉炉底板,料盘等。金属材料的工艺性能：是指金属材料在制造机械零件和工具过程中，采用某种加工工艺制成成品的难易程度。按工艺方法可分为：铸造性能；锻造性能；焊接性能；切削加工性能；热处理性能。铸造性能：指铸造成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力，反映了金属材料熔化浇注成为铸件的难易程度；用流动性、收缩性和偏析来衡量。1.流动性熔融金属的流动能力称为流动性。完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。2.收缩性铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减少的现象称为收缩性。铸件收缩不仅影响尺寸，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。故铸造用金属材料的收缩率越小越好。3.偏析金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。偏析大会使铸件各部分的力学性能有很大的差异，降低铸件的质量。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。金属材料的塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。焊接性：指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。钢材的碳含量是焊接性好坏的主要因素。低碳钢和碳的质量分数低于0.18%的合金钢有较好的焊接性能。碳含量和合金元素含量越高,焊接性能越差。可加工性：表示对材料进行切削的难易程度，可用切削后的表面质量和刀具寿命来表示。金属材料具有适当的硬度(170HBW～230HBW)和足够的脆性时切削性良好。改变钢的化学成分(加少量铅、磷)和进行适当的热处理(低碳钢正火，高碳钢球化退火)可提高钢的切削加工性能。铜有良好的切削加工性能。热处理性能：反映钢热处理的难易程度和产生热处理缺陷的倾向。指标有淬硬性、淬透性、表面氧化与脱碳，过热与过烧，热处理变形和开裂倾向。第三单元金属的晶体结构与结晶晶体与非晶