《材料的性能》PPT课件

材料的性能是指材料的性质和功能。性质是本身所具有的特性或本性；功能是人们对材料的某种期待与要求可以承担的功效，以及承担该功效下的表现或能力。第一章材料的性能力学性能物理性能化学性能工艺性能使用性能1、力学性能：在外力或能量作用下表现出来的变形和破坏的特征。通常把作用在材料上的外力或能量称为载荷或负荷。对结构零件，力学性能是工程设计的重要依据。材料的常用力学性能指标有：•静载时材料的力学性能：弹性，强度，塑性，硬度•动载时材料的力学性能：冲击韧性疲劳特性耐磨性•高、低温下的力学性能：高温——蠕变，低温——脆性断裂载荷大小不变或变化缓慢由于运动而产生的作用在构件上的作用力。静力拉伸试验万能材料试验机静力拉伸试验变形和断裂行为材料在外力作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。外力去除后能恢复的变形称为弹性变形。外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。0/FS00()/lll为消除试样几何尺寸对实验结果的影响：拉伸试验P:比例极限e:弹性极限E：弹性模量s:屈服强度(0.2)b:抗拉强度弹性和刚性弹性变形：在OA段，外力卸载后试样恢复到原始长度。通常用弹性极限e表示材料可以承受最大弹性变形的应力。0eeFS工程实际中，一般规定以残余应变量为0.01%时的应力值作为“条件弹性极限”。弹性和刚性弹性变形：在OA’段为直线，即应力与应变成正比，变化规律服从虎克定律，其极限应力为比例极限p。弹性和刚度刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量E。取应力应变曲线上的弹性变形阶段，实际工件的刚度首先取决于材料的弹性模量（即基体金属的性质），又与该工件的形状和尺寸有关；但是难于通过合金化、热处理、冷热加工等方法使之改变，即E是结构不敏感参数。强度与塑性①强度：在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。(单位MPa)屈服强度s：材料产生屈服（塑性变形）时的最小应力，表示材料抵抗塑性变形的能力。0ssFS条件屈服强度0.2：对于无明显屈服现象的材料，规定以残余应变量达到0.2%时的应力值作为屈服强度。强度与塑性抗拉强度b：材料能承受的最大拉应力，表示材料抵抗破断的能力。0bbFS抗拉强度又称为强度极限，是零件因断裂而失效的主要设计和选材依据之一。与弹性极限和屈服强度相比，抗拉强度具有易于测定的优点，得到广泛应用。强度与塑性②塑性：金属材料在外力作用下发生永久变形而不断裂的能力。断面收缩率是试样被拉断后截面积的相对收缩量。强度与塑性塑性指标的工程意义：一般不直接用于机械设计计算；当零件遭受意外过载或冲击时，通过塑性变形和应变强化可避免突然断裂；零件因存在台阶、沟槽及表面粗糙时，通过塑性变形可缓和应力集中的作用，防止破坏；保证某些成形工艺和修复工艺的顺利进行；对金属材料能反映材料冶金质量的好坏。③硬度：材料抵抗外物压入能力，硬度测量简便快速，不破坏零件，硬度与强度间存在一定关系，可用硬度来估计强度，硬度测量应用很广泛。压入法（常用）●布氏硬度：HBW；（单位N/mm2,习惯不写)●洛氏硬度：HRA、HRB、HRC；（无单位）●维氏硬度：HV。（单位N/mm2,习惯不写)刻划法：莫氏硬度硬度反映材料抵抗局部塑性变形的能力，是衡量材料软硬程度的指标，也是表征材料性能的一个综合参量。莫氏硬度：刻划法硬度，适用于陶瓷和矿物。材料名称硬度级别滑石1石膏2萤石4钠长石6黄玉8刚玉9金刚石10布氏硬度：应用最久、最广泛用直径D硬质合金球在力P的作用下压在试样上一定时间，压痕直径为d。适用于较软的塑性材料。优点：压痕面积大，测量结果误差小。缺点：不适宜成品零件即薄而小的零件。2220.1020.102PPHBWSDDDd布氏硬度值的表示方法：硬度值＋HBW＋球直径mm＋试验力数值(单位kgf)＋与规定时间(10-15s)不同的试验力保持时间如：350HBW5/750,600HBW1/30/20洛氏硬度：用将标准压头用规定压力压入被测材料表面，根据压痕深度h来确定硬度值。洛氏硬度测试示意图洛氏硬度值的表示方法：硬度值(从硬度计上直接读出)＋HRA、HRB或HRC如：60HRC,75HRA常用洛氏硬度因所用压头和载荷不同又分为：HRC、HRB、HRA三种，其中HRC应用最广泛。优点：操作迅速简便，效率高，适用于大量生产中的成品检验；压痕很小，几乎不损伤工件表面，可对工件直接进行检验。缺点：压痕小，数据分散度较大，代表性、重复性差；不同标尺测得的硬度值不能直接进行比较。测量原理与布氏硬度法相似，用压痕单位面积上承受的力作为材料硬度的度量。但采用对面夹角136度四棱锥金刚石压头，在力P作用下压入材料，力的大小从980N、490N…到0.192N不等。维氏硬度：维氏硬度值的表示方法：硬度值＋HV＋试验力数值(kgf)＋与规定时间(10-15s)不同的试验力保持时间如：640HV/30/20,600HBW1/30/20优点：具有前两种测试方法的优点，负荷大小可任意选择，适合各种软、硬不同的测量，特别适用于测量薄工件、表层或微区。缺点：需测量四方锥形的对角线后才能得到硬度值，效率低。实际上是小载荷的维氏硬度试验，载荷在1000g以下，压痕对角线长度以mm计，符号同样用HV表示，用于测量微区硬度（如单个晶粒、夹杂物、某种相组成等）的测试。显微硬度：利用笔形里氏硬度计中的冲击装置，对被测部位施加冲击力后，得到硬度值。硬度值定义为冲击体回弹速度vR与冲击速度vA之比乘以1000。里氏硬度：里氏硬度值的表示方法：硬度值＋HL＋冲击装置型号(D、DC、G、C)如：700HLD优点：小型、便携，对被测件损伤极小，测量范围大，可与压入法试验（布氏、洛氏、维氏）硬度值通过对比曲线进行相互换算。缺点：物理意义不够明确。1000RAvHLv布氏硬度计洛氏硬度计维氏硬度计金相显微镜里氏硬度计BrinellHardnessTesterRockwellApparatusVickersHardnessTesterMetalloscopeRichterHardnessTester冲击韧性冲击韧性是材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。常用一次摆锤冲击试验测定。试样尺寸试验方法冲击韧性冲击韧性aK值：以带缺口标准试样快速冲断时，单位横截面积吸收的冲击功表示，单位J/cm2。冲击韧性是材料强度和塑性综合作用的结果。12KKAGHGHaSS冲击韧性的工程意义：反映材料的冶金质量和热加工产品的质量；结合断口分析，可揭示气孔、夹杂、偏析等冶金缺陷，检查过热、过烧、回火脆性等锻造或热处理缺陷；根据AK－T曲线，可确定材料的韧脆转变温度；可评定材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性。疲劳强度机械零件的断裂失效中，80％以上属于疲劳断裂。材料受交变载荷作用时，即使工作应力低于抗拉强度，甚至低于屈服强度，但经一定循环周次后，会在没有明显的宏观塑性变形和预兆情况下，突然发生的脆性断裂，这种现象称为材料疲劳断裂。疲劳断裂是损伤的积累过程，包括疲劳裂纹的产生、扩展、瞬间断裂三各阶段。交变载荷示意图（载荷大小、方向随时间呈周期性循环变化）疲劳断裂的原因，一般认为是由于材料表面与内部的缺陷(夹杂、划痕、尖角等)，造成局部应力集中，形成微裂纹。疲劳强度疲劳强度：表示材料经受无限多次循环而不断裂的最大应力。对于对称应力循环条件，绘制疲劳曲线(-1-N)，对于钢铁材料，当应力降到某值后，疲劳曲线趋于水平直线，此直线对应的应力即为疲劳强度/极限。对多数有色金属和聚合物，疲劳曲线上没有水平部分，工程上规定以108次应力循环对应的应力作为条件疲劳极限。应力大小和循环次数有关断裂韧性断裂韧性是材料中存在缺陷时，材料抵抗低应力脆断(低于屈服强度时发生的脆性断裂)的能力。大型构件不可避免存在各种缺陷(冶金缺陷、加工和使用过程中产生的裂纹)，在外力作用下，裂纹发生扩展，当裂纹长度超过临界尺寸时，迅速失稳扩展，导致低应力脆断。断裂韧性断裂韧性指标为KIC，又称临界应力强度因子，有专门的测定方法。为防止低应力脆断，工程应用要求：Y裂纹形状系数，a裂纹长度的一半。IICKKKI表示裂纹尖端(存在应力集中)附近的实际应力值。与裂纹形状有关，随外力和裂纹长度增大而增大，当KI值大到某一数值时，可使裂纹失去稳定而迅速扩展，材料处于临界脆断状态。其中应力强度因子耐磨性一个零件相对另一零件有摩擦运动而造成接触面的尺寸变化、质量损失现象称为磨损。根据磨损机理不同，主要分为氧化磨损、粘着磨损(分子作用力)、磨粒磨损(切削)和接触疲劳磨损。磨损的后果可能因零件尺寸变化，轻则降低传动质量，影响部件的使用性能；重则因尺寸变小造成零件断裂。耐磨性：材料抵抗磨损的能力。常用评定指标：磨损率w和相对耐磨性相。耐磨性是无量钢量，可避免在磨损过程中参数变化及测量所造成的系统误差。1www试验材料标相标准材料试磨损率w是材料在单位时间或单位运动距离内所产生的磨损质量。测定方法让两试样组成摩擦副，在设定条件(力、润滑剂)进行一定时间的摩擦运动后，测定试样的尺寸减小值/质量的损失值/摩擦表面外观形貌来比较不同材料的耐磨性。提高耐磨性的措施：降低材料的摩擦系数，提高摩擦副表面的硬度。密度与比容导热性热膨胀系数α单位体积物质的质量Kg/M3单位质量的物质所占的体积M3/Kg物体内温度梯度为1℃/M时，在单位时间、单位面积内传递的热量W/(M·K)温度上升1℃时，单位长度的伸长量mm/(℃·mm)或℃-12、物理性能：材料本身的具有各种物理量(热、电、光、磁等)以及环境变化时他们的变化程度。熔点物质由固态转变为液态的温度，反映固态下原子间结合力。电阻与电导电阻温度系数导磁率电阻率为单位长度和单位截面积导体的电阻。单位是M，其倒数称为电导率S/M温度上升1℃时，电阻率的变化系数，单位℃-1电子导电的特点是温度升高，电阻率上升；离子导电是热激活过程，温度升高，电阻率下降。超导现象是材料在很低温度下，电阻突然从某个值降为零的特征。每种材料有自己的转变温度，某些化合物的转变温度达到100K以上。是铁合金、化合物(铁氧体)特有性能。物理性能工程材料主要考虑其耐腐蚀性，电化学材料有的考察电极电位、储能密度等。材料由于周围环境介质侵蚀而造成的损伤和破坏均称为腐蚀。发生腐蚀的化学过程有化学腐蚀(氧化)、电化学腐蚀和应力腐蚀等不同形式。腐蚀速度与材料、介质、温度、应力、辐照……因素有关。腐蚀不仅影响零件表面质量，并且可以造成零件早期损坏，防腐设计应考虑材料的选择和防腐措施相结合。3、化学性能：反映材料与各种化学试剂发生化学反应的可能性和反应速度大小的相关参数。4、工艺性能是材料力学、物理、化学性能的综合表现。主要反映材料生产或零部件加工过程的可能性或难易程度。1）材料可生产性：得到材料可能性和制备方法。2）铸造性：将材料加热得到熔体，注入较复杂的型腔后冷却凝固，获得零件的方法。流动性：充满型腔能力收缩率：缩孔数量的多少和分布特征偏析倾向：材料成分的均匀性3）锻造性：材料进行压力加工(锻造、压延、轧制、拉拔、挤压等)的可能性或难易程度的度量。4）焊接性：利用部分熔体，将两块材料连接在一起。塑性变形能力：材料不破坏的前提下的最大变形量。塑性变形抗力：发生塑性变形所需要的最小外力。连接能力：焊接接头部位强度与母材的差别程度。焊接缺陷：焊接处出现气孔、裂纹可能性的大小或母材变形程度。5.切削加工性：材料进行切削加工的难易程度。它与材料的种类、成分、硬度、韧性、导热性等有关。6.热处理性能：可以实施的热处理方法和材料在热处理时性能改变的程度。切削抗力加工表面质量排屑难易程度切削刀具的使用寿命随着科技进步的发展，对材料工艺性能的评价标准也在不断发展和变化。小结材料的力学性能主要有强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度。材料的工艺性能包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、切削加工性能等