《材料的性能》PPT课件

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,材料科学与工程学院,材料：你最关心的是什么？,性能：包含哪些指标？,性能,力学（机械）性能,物理和化学性能,工艺性能,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，它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。,1.1 力学性能,力学性能（机械性能）：,指金属材料具有的抵抗一定外力作用而不被破坏的性能。金属材料的力学性能主要有：刚度、强度、弹性、塑性、硬度、冲击韧度、断裂韧度和疲劳强度等。,金属材料的刚度、强度、弹性、塑性是通过拉伸实验来测定的，标准试样如图所示，把试样安装在拉伸试验机上，并对试样施加一个缓慢增加的轴向拉力，试样产生变形，直至断裂。,圆形拉伸试样,低碳钢的拉伸曲线,一、金属变形的三个阶段,1.弹性变形阶段(oa段),当应力,e,时发生弹性变形。,特点：外力去除后完全恢复原状，应力、应变成正比。,即:,=E,E-弹性模量,-应变,3、塑性变形阶段(cd段),当应力,s,b,时发生显著但均匀的塑性变形。特点：外力去除后部分复原，保留一部分加工硬化。,2、屈服阶段(abc段),金属开始显著的塑性变形，除去外力，试样不能恢复原尺寸。,4、断裂阶段(dk段),当,k,后，试样发生“颈缩”，再一分为二，发生断裂,。,材料抵抗变形和断裂的能力称为材料的,强度,。通过拉伸试验可以测量以下的强度指标。,1、,应力与应变,应力单位面积所承受的载荷。,应变单位长度的伸长量。,2、弹性极限材料发生弹性变形的最大应力值。,3、屈服极限材料发生塑性变形的最小应力值。,条件屈服强度,4、抗拉强度材料抵抗塑性变形的最大应力值。,二、强度,三、塑性,塑性,指金属材料在静载荷作用时，在断裂前产生塑性变形的能力，反映材料塑性的力学性能指标有延伸率 和断面收缩率 。,1）延伸率：,指试样拉断后其标距长度的相对伸长值。即,2）断面收缩率：,指试样拉断后缩颈处横截面积的最大相对收缩值。,试样断裂后的标距长度；,试样的原始标距长度,；,式中,试样断裂出的最小横截面积；,试样的原始横截面积；,式中,四、硬度,硬度,指金属材料抵抗外物压入其表面的能力，也是衡量金属材料软硬程度的一种力学性能指标。工程上常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。,1）布氏硬度HBS(HBW)：,布氏硬度是在布氏硬度计上进行测量的，用一定直径的钢球或硬质合金球为压头，以相应的实验力压入试样表面，保持规定的时间后，卸除实验力，在试样表面形成压痕，以压痕球形表面所承受的平均负荷作为布氏硬度值，如图所示。,布氏硬度实验原理图,实验力（kgf）；,球体直径（mm）；,压痕平均直径（mm）。,式中,2）洛氏硬度：,洛氏硬度是用压头压入的压痕深度作为测量硬度值的依据,如图所示。可以直接从洛氏硬度计的表盘上读出，它是一个相对值，人们规定每0.002mm压痕深度为一个洛氏硬度单位。洛氏硬度用HRA、HRB和HRC来表示。,洛氏硬度实验原理,3）维氏硬度HV,：,测试的基本原理与布氏硬度相同，但压头采用锥面夹角136的金刚石正四棱锥体，维氏硬度试验所用载荷小，压痕深度浅，适用于测量零件薄的表面硬化层的硬度。试验载荷可任意选择，故可测硬度范围宽，工作效率较低。,五、疲劳强度,疲劳,是指构件在低于屈服强度的交变应力作用下，经过较长时间工作而发生突然断裂，而无明显的塑性变形的现象。,交变应力,（周期性应力）：应力的大小、方向周期性变化。有对称周期性应力和非对称周期性应力。,疲劳曲线（S-N曲线）,3）疲劳曲线：,反映承受的交变应力与断裂前的应力周期次数间的关系曲线，如图所示。曲线上对应于某一循环次数N的破坏应力即为该循环数下的,疲劳强度,。曲线的水平渐近线即为,疲劳极限,。,4）疲劳极限：,应力愈高，循环次数愈少，反之亦然。当应力低到一定值时，循环次数无穷大，表示材料可经无限次应力循环而不失效；此应力即为疲劳强度（疲劳极限）。无限次当然不是数学上的无穷大，只是一个很大的数而已，对于钢铁材料为10,7,，有色金属材料为10,8,。,六、冲击韧性,材料的,冲击韧性,是在冲击载荷作用下，抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力。可用摆锤冲击试验机来测定金属材料的冲击值。冲击韧度值可用下式计算。,冲击韧度（J/cm,2,）,；,冲击吸收功（J）；,摆锤重量（N）；,摆锤抬升高度（m）；,摆锤冲击后的高度（m）,；,试样缺口底部处横截面积（cm,2,）。,式中,试样安放位置,冲击试验,1.2 金属材料的物理和化学性能,物理性能,指不发生化学反应就能表现出来的性能，如,密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性,等。,化学性能,是材料在化学介质的作用下所表现出来的性能。如材料的,耐腐蚀性能、抗氧化性能和化学稳定性能,等。,一、相对密度,不同材料的相对密度各不相同，如钢为7.8左右，陶瓷的相对密度为2.2-2.5；各种塑料的相对密度更小。材料的相对密度直接关系到产品的重量。,抗拉强度,b,与相对密度P之比称为,比强度,。弹性模量E与相对密度P之比称为,比弹性模量,。这两者也是考虑某些零件材料性能的重要指标。,二、热膨胀性,材料的热膨胀性通常用,线膨胀系数,表示对精密仪器或机器的零件，热膨胀系数是一个非常重要的性能指标；在异种金属焊接中，常因材料的热膨胀性相差过大而使焊件变形或破坏。,一般，陶瓷的热膨胀系数最低金属次之，高分子材料最高。,三、导热性,材料的导热性用其,导热系数,表示，其单位为W/(m.K)。制件材料的导热性越差，则零件在加热或冷却时，由于表面和内部产生温差，膨胀不同，便越会产生破裂。导热性好的材料（如铜、铝及其合金等），常用来制造热交换器等传热设备的零部件。,四、导电性,材料的导电性一般用,电阻率,表示，电阻率的单位用.m表示。通常金属的电阻率随温度升高而增加，而非金属材料则与此相反。金属及其合金一般具有良好的导电性，银的导电性最好，铜、铝次之。高分子材料都是绝缘体，但有的高分子复合材料也有良好的导电性。陶瓷材料虽然也是良好的绝缘体，但某些特殊成分的陶瓷却是有一定导电性的半导体。,五、耐腐蚀性,耐腐蚀性是指材料抵抗各种介质腐蚀的能力。非金属材料的耐蚀性能总的说来，远远高于金属材料材料。耐蚀性常用每年腐蚀深度（渗蚀度）Ka(mm/年）来评定耐蚀等级。,六、高温抗氧化性,现代工业中许多在高温下工作的机器与设备，首先必须具备抗氧化性能。所谓抗氧化性井不是指高温下完全不被氧化，而通常是指材料在迅速氧化后，能在表面形成一层连续而致密并与母体结合牢靠的膜，从而阻止进一步氧化的特性。,1.3、金属材料的工艺性能,金属材料的工艺性能指金属材料适应加工工艺要求的能力。按工艺方法的不同，可分为,铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能,。,材料工艺性能的好坏，会直接影响制造零件的,工艺方法和质量以及制造成本,。因此选材时也必须充分考虑。,一、铸造性,指浇注铸件时，液体金属能充满比较复杂的铸型并获得优质铸件的性能流动性好、收缩率小、偏析倾向小是铸造性好的衡量指标。,某些工程塑料，在某些成型工艺方法中，也要求好的流动性和小的收缩率。,二、可锻性,指材料是否易于进行压力加工的性能。可锻性好坏主要以材料的塑性及变形抗力来衡量。钢的可锻性良好，铸铁不能进行任何压力加工。,热塑性塑料可经挤压和压塑成型，这与金属挤压和模压成型相似。,三、切削加工性,指材料是否易于进行切削加工的性能。它与材料,种类,、,成分、硬度、韧性、导热性及内部组织状态,等许多因素有关。有利切削的硬度为HB160230。切削加工性好的材料，切削容易，刀具磨损小，加工表面光洁。金属和塑料相比，切削工艺有不同的要求。,四、可焊性,指材料是否易于焊接在一起并能保证焊缝质量的性能，一般用焊接处出现各种缺陷的倾向来衡量。低碳钢具有优良的可焊性，而铸铁和铝合金的可焊性就很差某些工程塑料也有良好的可焊性，但与金属的焊接机制及工艺方法并不相同。,