01第一章材料的性能

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第一章 材料的性能,性,能,工艺性,能,：,铸造性能、可锻性、可焊性、切削加工性和热处理工艺性等,使用性,能,力学性,能,：,强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等,化学性,能,：,抗氧化性和耐腐蚀性,物理性,能,：,密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性和磁性等,使用性能：,材料在使用过程中所表现的性能。,包括,力学性能、物理性能,和,化学性能。,工艺性能：,材料在加工过程中所表现的性能。,包括,铸造,、,锻压、焊接、热处理,和,切削性能等,。,神舟一号飞船,力学性能,：在外力作用下反映出来的性能；,材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为,变形,。,外力去处后能够恢复的变形称为,弹性变形,。,外力去处后不能恢复的变形称为,塑性变形,。,五万吨,水压机,应力,=,P,/,F,0,应变,= (,l,-,l,0,)/,l,0,拉伸试验机,低碳钢的应力,-,应变曲线,拉伸前,断裂后,拉伸试样,一、弹性和刚度,弹性：,即,材料承受最大弹性变形时的应力。,指标为,弹性极限,e,。,刚度：,材料受力时抵抗弹性变形的能力。,指标为,弹性模量,E,：,弹性模量,的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。,二、强度与塑性,强度：,材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。,屈服强度,s,：,材料发生微量塑性变形时的应力值。,条件屈服强度,0.2,：,残余变形量为,0.2%,时的应力值。,抗拉强度,b,：,材料断裂前所承受的最大应力值。,0.2,塑性：,材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。,指标为：,断面收缩率,：,拉伸试样的颈缩现象,伸长率,：,拉伸前,断裂后,说明：,用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。,直径,d,0,相同时，,l,0,，,。,只有当,l,0,/,d,0,为常数时，塑性值才有可比性。,当,l,0,=10,d,0,时，伸长率用,表示；,当,l,0,=5,d,0,时，伸长率用,5,表示，显然,5,时，无颈缩，为脆性材料表征,时，有颈缩，为塑性材料表征,无,颈缩试样,有颈缩试样,三、冲击韧性,是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。,指标为冲击韧性值,a,k,(,通过,冲击实验,测得,),。,韧脆转变温度：,材料的冲击韧性随温度下降而下降。,在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称,韧脆转变,.,发生韧脆转变的温度范围称,韧脆转变,温度,。,材料的使用温度应高于韧脆转变温度。,体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金属没有,.,解理断口,韧窝断口,TITANIC,建造中的,Titanic,TITANIC,的沉没与船体材料的质量直接有关,Titanic,号钢板,（左图）,和,近代船用钢板,（右图）,的冲击试验结果,Titanic,近代船用钢板,四、疲劳,材料在低于,s,重复交变应力作用下发生断裂的现象,.,材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为,疲劳极限,。用,-1,表示。,钢铁材料规定次数为,10,7,，有色金属合金为,10,8,。,疲劳应力示意图,疲劳曲线示意图,疲劳断口,通过,改善材料形状结构,，,减少表面缺陷,，,提高表面光洁度,，,进行表面强化,等方法可提高材料疲劳抗力,.,轴的疲劳断口,疲劳辉纹（扫描电镜照片,）,五、硬度,材料抵抗表面局部塑性变形的能力。,1,、,布氏硬度,HB,布氏硬度计,布氏硬度测试原理,压头为钢球时,，布氏硬度用符号,HBS,表示，适用于布氏硬度值在,450,以下的材料。,压头为硬质合金球时,，用符号,HBW,表示，适用于布氏硬度在,650,以下的材料。,符号,HBS,或,HBW,之前的数字表示硬度值，之后的数字按顺序分别表示球体直径,、,载荷及载荷保持时间,如,120HBS10/1000/30,表示直径为,10mm,的钢球在,1000kgf(9.807kN),载荷作用下保持,30s,测得的布氏硬度值为,120,。,布氏硬度压痕,布氏硬度的优点：,测量误差小，数据稳定。,缺点：,压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。,适于测量,退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。,材料的,b,与,HB,之间经验关系：,对于低碳钢,:,b,(MPa),3.6HB,对于高碳钢,:,b,(MPa),3.4HB,对于铸铁,:,b,(MPa),1HB,或,b,(MPa),0.6(HB-40),HB,b,(MPa,),钢,黄铜,球墨铸铁,2,、洛氏硬度,洛氏硬度计,洛氏硬度用符号,HR,表示，,HR=,k,-(,h,1,-,h,0,)/0.002,根据压头类型和主载荷不同,分为九个标尺,常用的标尺为,A,、,B,、,C,。,洛氏硬度测试示意图,符号,HR,前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺,。,HRA,用于测量高硬度材料,如硬质合金、表淬层和渗碳层,。,HRB,用于测量低硬度材料,如有色金属和退火,、,正火钢等。,HRC,用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。,洛氏硬度的优点：,操作简便，压痕小，适用范围广。,缺点：,测量结果分散度大。,钢球压头与金刚石压头,洛氏硬度压痕,维氏硬度计,维氏硬度原理,维氏硬度压痕,3,、,维氏硬度,维氏硬度用符号,HV,表示,，,符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。,小负荷维氏硬度计,显微维氏硬度计,根据载荷范围不同，规定了三种测定方法,维氏硬度试验,、,小负荷维氏硬度试验,、,显微维氏硬度试验,。,维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点,。,六、断裂韧性,油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关,北极星导弹,裂纹扩展的基本形式,1943,年美国,T-2,油轮发生断裂,应力强度因子：,描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。,断裂韧性：,材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。,C,为断裂应力，,a,C,为临界裂纹半长，单位为,1.6,材料的物理及化学性能,1.6.1,材料的物理性能,轻金属：,密度,小于,510,3,kg,m,3,的金属，如铝、镁、钛及它们的合金。,重金属：,密度大于,510,3,kg,m,3,的金属，如铁、铅、钨等。,1.,金属的物理性能,（,1,）密度,单位体积物质的质量称为该物质的密度：,=m/V,(2),熔点,金属从固态向液态转变时的温度称为熔点，纯金属都有固定的熔点。,难熔金属,，如钨、钼、钒等，可以用来制造耐高温零件，如在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。,易熔金属,，如锡、铅等，可用于制造保险丝和防火安全阀零件等。,(3),导热性,导热性通常用热导率来衡量。热导率的符号,是,，,单位是,W,mK,。,热导率越大，导热性越好。金属的导热性以银为最好，铜、铝次之。合金的导热性比纯金属差。 在制造散热器、热交换器与活塞等零件时，要选用导热性好的金属材料。,(4),导电性,传导电流的能力称导电性，用电阻率来衡量，电阻率的单位是,m,。,电阻率越小，金属材料导电性越好,，金属导电性以银为最好，铜、铝次之。合金的导电性比纯金属差。 电阻率小的金属,(,纯铜、纯铝,),适于制造,导电零件和电线,。电阻率大的金属或合金,(,如钨、钼、铁、铬,),适于做电热元件。,(5),热膨胀性,热膨胀性用线膨胀系数,a,L,和体胀系数,a,v,来表示。,a,L,=,L2-L1,L1t,a,v3,a,L,由膨胀系数大的材料制造的零件，在温度变化时，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其间隙尺寸；在热加工和热处理时也要考虑材料的热膨胀影响，以减少工件的变形和开裂,。,(6),磁性,铁磁性材料,：,在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钴等；,顺磁性材料,：在外磁场中只能,微弱地被磁化,，如锰、铬等；,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。 铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。抗磁性材料则用于要求避免电磁场干扰的零件和结构材料，如航海罗盘。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,抵抗环境介质腐蚀的能力,叫做材料的抗蚀性。,1.6.2.,材料的化学性能,分为：化学腐蚀,电化学腐蚀。,(1),耐腐蚀性,1,）化学腐蚀,金属与周围介质发生,纯化学作用,产生的腐蚀,金属在干燥气体中的腐蚀。,如高温燃气对涡轮喷气式发动机零部件的腐蚀。,金属在非电解液中的腐蚀。,如飞机管路系统受汽油、滑油的腐蚀。,特点：,腐蚀过程中,不产生电流,。腐蚀速度慢、危害小。,条件：,必须有两相或两种电极电位不同的金属,有电解液,三者相互接触,i,2,）电化学腐蚀,指金属和周围介质发生电化学作用而产生的腐蚀。,特点：,伴有电流产生，腐蚀速度快，危害大,材料,抵抗高温氧化的能力,叫做材料的抗氧化性。,(2),抗氧化性,抗氧化的金属材料经常在表面形成一层致密的保护性氧化膜,阻碍氧的进一步扩散,.,耐腐蚀性和抗氧化性统称为材料的热稳定性,.,浇注时,液态金属充满比较复杂的铸型并获得优质铸件 的能力,.,1.7,材料的工艺性能,(1),铸造性,(2),可锻性,金属易于锻压成型的能力,.,(3),可焊性,材料易于被焊接到一起并获得优质焊缝的能力,.,(4),切削加工性,材料容易被切削加工成型并得到准确的形状和高的表面光洁度的能力,.,谢谢大家,