材料的机械性能

金属材料的性能金属材料的性能概述1.材料科学的发展天然材料→加工材料→高分子材料→复合材料。金属材料的性能2.工程材料的分类金属材料的性能金属材料的性能3.材料的性能分类使用性能：使用中，机械性能、理化性能。工艺性能：加工中，可铸性、可锻性、可焊性、热处理性能、切削性能。金属材料的性能4.材料的用途黑色多于有色；塑料：成本低、成形容易、美观、耐腐蚀。复合材料：技术、成本高，主要用于航空航天领域。金属材料的性能第一节金属材料的机械性能1.机械性能又称力学性能，材料承受外力作用的能力。2.机械性能指标四大项：强度、硬度、塑性、韧性。3.材料性能手册的使用所查性能的测定条件与工作条件相一致，还要考虑尺寸因素等。金属材料的性能一、强度1.概念⑴定义材料在外力作用下，抵抗变性和破坏的能力。由于零件材料大多是在受拉时产生变形或破坏的，所以通常用受拉时的强度来代表材料的强度指标。金属材料的性能⑵分类①受力方向抗拉强度、抗压强度、剪切强度、弯曲强度等。②工作温度高温强度、常温强度、低温强度。③受力性质一般强度、疲劳强度。金属材料的性能⑶机械零件的失效形式腐蚀磨损断裂⑷强度值来源实验测定：主要来源。理论计算：误差比较大。金属材料的性能2.拉伸实验拉伸试验录像金属材料的性能⑴实验设备材料试验机。⑵拉伸试样圆试样长试样扁试样短试样⑶拉伸过程金属材料的性能金属材料的性能应力—应变曲线的动画过程金属材料的性能⑷拉伸曲线原始曲线：载荷-伸长曲线经过变换：应力-应变曲线金属材料的性能⑸拉伸变形过程弹性变形、屈服、均匀变形、颈缩断裂四个阶段。⑹测定结果σe、E、σs、σ0.2、δ、ψ。金属材料的性能3.常温强度⑴概念弹性、弹性变形、塑性、塑性变形。金属材料的性能⑵弹性极限σe=Pe/Fo(Mpa=N/㎜2)对弹簧设计意义最大的强度指标。例三峡施工77吨大卡车，合金弹簧钢。金属材料的性能⑶弹性模数E=σe/εe(Mpa)衡量材料刚性，E大，刚性大，弹性变形小。E性质稳定。例：单杠E=σe/εe=（P/Fo）÷(ΔL/Lo)=PLo/FoΔL金属材料的性能⑷屈服强度有明显屈服：σs=Ps/Fo(Mpa)低碳钢、纯铝等。无明显屈服：σ0.2=P0.2/Fo(Mpa)铸铁、铝合金等。设计、使用中，σσs；σs大，材料抵抗塑性变形能力大。金属材料的性能低碳钢和铸铁的应力—应变曲线比较金属材料的性能⑸抗拉强度（强度极限）定义把试样在拉伸过程中所能承受的最大应力值称为材料的强度极限，又称为抗拉强度，以σb表示。σb=Pb/Fo(Mpa)设计、使用中，σσb；如果σσb，断裂。金属材料的性能4.高温强度飞机发动机、活塞、锅炉等。⑴高温瞬时强度在规定温度下，以一般加载速度拉伸，σmax。火箭发动机。⑵高温持久强度高温下长时间承受外力作用，抵抗变形和破坏的能力。飞机发动机。⑶高温蠕变强度高温下材料长时间工作产生两种现象：蠕变、断裂。在规定温度下、规定时间内产生预定应变时的应力。核电站锅炉。金属材料的性能金属材料的性能5.低温强度一般来说，钢棒在室温下难以敲断，而将钢棒放进液氮中降温后取出，就很容易敲断，这是由于材料在室温与低温下的性能有差异，在低温下材料的脆性高。一些在低温下工作的工件还应考虑其低温性能，如我国南极科考队所用的机械设备。金属材料的性能6.疲劳强度曲轴、连杆、齿轮、弹簧等。⑴疲劳破坏零件长期经受即使小于其屈服强度的交变载荷作用也会突然断裂而破坏，这种破坏称为疲劳破坏。疲劳破坏危害比较大：低应力，无预兆，属于低应力脆断。例:二战后由商船改装成的运兵船在港口停泊时沉入海底。金属材料的性能疲劳极限获得方法：通过转旋弯曲试验方法疲劳曲线动画金属材料的性能⑵疲劳强度当交变应力循环次数N达到无限次时，材料仍不发生疲劳破坏所能承受的最大交变应力值作为该材料的疲劳强度。碳素钢N=107高强度钢N=108σr(Mpa)交变应力循环系数r=最小应力/最大应力r=1时：σ-1(Mpa)金属材料的性能⑶原因材料内部不可避免地存在一些缺陷，如裂纹、气孔、缩松、夹渣等，这些缺陷可以充当裂纹源，在交变载荷的作用下进行扩展，达到一定程度后，工件上剩余截面积不足以抵抗外力作用时，发生突然的断裂⑷措施降低工件表面粗糙度；减少工件内部缺陷；提高工件表面强度；减少和避免应力集中。金属材料的性能二、塑性1.定义材料在外力作用下产生永久变形而不被破坏的能力。2.拉伸实验测定δ、ψ大，塑性好，一般可锻性、可焊性也好。金属材料的性能3.塑性、脆性材料的划分δ≥5%：塑性材料，低碳钢、铜合金δ5%：脆性材料，铸铁。4.δ5与δ10长径比Lo/do=5：短试样，用δ5表示；长径比Lo/do=10：长试样，用δ10表示，一般也可用δ表示。金属材料的性能三、硬度1.概念⑴定义硬度是指材料抵抗压入塑性变形、刻划的能力。⑵数值意义是衡量金属软硬的判据，压痕越小，硬度越高，耐磨性越好。例：以牙咬鉴定黄金与黄铜。⑶常用硬度布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、里氏硬度、肖氏硬度等。金属材料的性能2.布氏硬度布氏硬度动画金属材料的性能⑴设备布氏硬度计。⑵测试原理及过程⑶压头淬火钢球：HBS，450；硬质合金球：HBW，450-650。金属材料的性能⑷硬度标注150HBS10/300/30150HBS150HB⑸特点与应用压痕大，效率低；重复性、代表性好。主要用于毛坯、原材料、半成品的单件、小批生产。金属材料的性能3.洛氏硬度洛氏硬度录像洛氏硬度动画金属材料的性能金属材料的性能⑴设备洛氏硬度计。⑵测试原理与过程⑶压头淬火钢球：HRB（测量基体，较软）；金刚石圆锥：HRA（测量硬质合金或表面硬化层）、HRC（测量硬基体）。金属材料的性能⑷特点与应用压痕小、效率高；代表性、重复性差。可用于成品、半成品、毛坯等的单件、小批、大批测量。例：1000件45钢调质钢轴的硬度测量。金属材料的性能4.维氏硬度维氏硬度计应用：显微硬度硬度梯度极薄试样。金属材料的性能金属材料的性能5.里氏硬度应用：现场检测、大型工件时代TH120/TH121里氏硬度计金属材料的性能问题：金刚石的硬度如何测试？金属材料的性能四、冲击韧性1.冲击韧性⑴定义材料在冲击载荷作用下抵抗断裂的能力大载荷一次冲击：起落架；小载荷多次冲击：锤杆。金属材料的性能悬臂梁冲击试验机金属材料的性能⑵实验原理与过程图1-8冲击弯曲试验用试样及试验结果1-机架2-试样3-刻度盘4-指针5-摆锤金属材料的性能金属材料的性能⑷数值意义αk大，冲击韧性好，冲断时单位面积消耗能量大，抵抗冲击能力大。金属材料的性能金属材料的性能补充：阻尼性能金属材料的性能金属材料的性能金属材料的性能金属材料的性能金属材料的性能第二节金属的物理性能和化学性能一、物理性能金属材料的物理性能主要是指其密度、熔点、导电性、导热性及热胀冷缩性等。1、密度摩托车、飞机等高速运转的机械产品.密度较低的铝合金、钛合金、树脂基复合材料等。金属材料的性能2.熔点铸型、高速飞机等高温下工作的机械产品。熔点更高的钛合金。金属材料的性能3.导热性材料的导热性对加工和使用都有很大的影响。例如：在确定钢的锻造加热速度时就要考虑材料的导热性，高合金钢的导热性比碳钢差，所以要采用较慢的加热速度加热，避免工件内外的温差过大而导致工件的变形、开裂。金属材料的性能4.导电性用于制造电器设备的材料要考虑材料的导电性。如：常用的导线，铜芯的导电性要优于铝芯的，而一些重要的触点则要采用导电性更好的银制造。金属材料的性能5.热胀冷缩性材料的热胀冷缩性用线膨胀系数或体积膨胀系数来评价。线膨胀系数或体积膨胀系数愈大，材料的尺寸或体积随温度升高而增大愈多，随温度降低而减少愈多，不仅对零件的使用有很大影响，而且影响零件的加工。例如：材料在铸造过程中会发生尺寸和体积收缩，如果得不到补缩就会产生缩孔、缩松等缺陷，并且容易产生较大的铸造应力。金属材料的性能二、化学性能化学性能是指金属在室温或者高温抵抗各种介质化学作用的能力，即化学稳定性。主要化学性能有抗氧化性和抗腐蚀性。1.抗氧化性材料在使用过程中，尤其是在高温下使用要考虑材料的抗氧化性。2.抗腐蚀性腐蚀也是零件失效的一个主要原因，根据零件的工作环境的不同，要考虑材料耐不同介质腐蚀的能力。金属材料的性能思考题1.试说明金属材料的性能分类。2.从定义、表示符号、单位和意义四个方面列表总结机械性能指标。3.何谓疲劳现象，为什么说疲劳破坏比其它破坏形式的危害更大？4.分别说明何种使用条件下的工件要考虑材料高温强度、低温强度、疲劳强度、冲击韧度。5.试比较布氏硬度和洛氏硬度的特点与应用。6.材料的物理性能主要有哪些，分别对于工件的使用有何影响？7.材料的化学性能主要有哪些，分别对于工件的使用有何影响？