材料性能及应用意义.ppt

第一节材料性能依据 第二节材料的使用性能 第三节材料的工艺性能 第四节材料的环境性能 第一章材料性能及应用意义 材料的性能是一种参量 用于表征材料在给定的外界条件下所表现出来的行为 材料本身是一个复杂的系统 它包含材料的化学成分和内部结构 因此可以说 材料的化学成分和内部结构是性能的内部依据 而性能则是指确定成分和结构的材料的外部表现 这里的结构是一个广泛的概念 它包括原子结构 结合键 原子排列方式 晶体 非晶体与晶体缺陷 以及组织 显微组织与宏观组织 等四个层次 第一节材料性能依据 材料性能依据 由于材料的性能一般必须量化表示 因而它通常是依照标准规定通过不同的试验来测定表述的 这便是我们从材料手册或设计资料上获得的性能参数 实际工件的性能当然首先取决于材料的性能 但须考虑到工件的形状尺寸 加工工艺过程和使用条件对其重要的影响 材料科学与工程是依据 工艺 结构 性能 这条思路去控制或改造材料的性能 即工艺决定结构 结构决定性能 在此 结构 是惯用的 成分 结构 的简称 工艺 则主要是指材料的制备和加工工艺 但也应考虑材料在使用过程中结构的可能变化以及由此而对性能产生的影响 第二节材料的使用性能 力学性能是指材料在载荷 外力 作用下所表现出的行为 通过不同的标准试验测定的相关参量的临界值或规定值 即可作为力学性能指标 一 力学性能 材料的变形与断裂是其受到外力作用时所表现出的普遍力学行为 试验测定的力学性能指标也很多 常用的力学性能有 一 强度 二 塑性 三 刚度 四 弹性 五 硬度 六 韧性 七 疲劳性能 八 耐磨性 固体材料中 由原子 离子 电子及它们之间的相互作用所反映出现的物理性能 不仅对工程材料的选用有着重要的意义 而且也会对材料的加工工艺产生一定的影响 这里简单介绍工程上常用物理性能的一般概念 二 物理性能 物理性能 单位体积的物质质量称为密度 单位g cm3或t m3 一般而言 金属材料具有较高的密度 如钢铁密度为7 8t m3 陶瓷材料次之 高分子材料最低 金属材料中 密度在4 5t m3之下的称为轻金属 其中铝 2 7t m3 为典型代表 一 密度 物理性能 1 熔点熔点反映了材料由固态变为液态的特征温度 2 热容材料热容定义为温度每升高1K所需的热量 记作C 单位J K 比热容 简称比热 记作c 则是指单位质量物质的热容 二 热学性能 物理性能 3 热膨胀因温度的升降而引起材料体积膨胀或收缩的现象称之为热胀冷缩 绝大多数固体材料都有此特性 4 热传导热能由高温区向低温区传输的现象即称为热传导 导热 表征材料热传导性能的指标有导热系数 热导率 单位为W m K 和传热系数k 单位为 W m2 K 二 热学性能 物理性能 1 电阻率 电阻率 单位为 m 是最基本的电学性能参数 它衡量了材料的导电能力 也可用电导率表示 三 电学性能 物理性能 2 电阻温度系数材料的导电能力随温度的变化而变化 一般金属材料的电阻率随温度升高而增加 即具有正电阻温度系数 某些金属材料 如Sn Zn Hg等 在接近热力学温度0K附近时的某一临界温度Tc时 电阻突然消失 此即为超导电现象 三 电学性能 物理性能 3 介电性能把带电导体分开并能长期经受电场作用的绝缘材料称为介电材料 表征介电性的参数有介电常数 介电强度 介质损耗等 三 电学性能 物理性能 1 磁导率 磁导率 单位为H m 表示材料在单位磁场强度的外磁场作用下材料内部的磁通量密度 相对磁导率 r则是指材料磁导率 与真空磁导率 0之比 四 磁学性能 物理性能 2 饱和磁化强度Ms和磁矫顽力Hc铁磁性材料所能达到的最大磁化强度叫做饱和磁化强度 Ms越大 铁磁性越强 铁磁性材料经饱和磁化后 除去外磁场 仍能保留一定程度的磁化即剩磁现象 要使剩磁为零 即退磁 则须加上一反向磁场Hc 此即磁矫顽力 三 电学性能 三 化学性能 材料在生产 加工和使用时 均会与环境介质 如大气 海水 各种酸 碱 盐溶液 高温等 发生复杂的化学变化 从而使其性能恶化或功能丧失 其中腐蚀问题最为普遍 重要 据统计 在发达国家因腐蚀而造成的直接与间接经济损失可达国民收入的5 以上 化学性能 腐蚀是指材料表面与周围介质发生化学反应 电化学反应或物理溶解而引起的表面损伤现象 由这三种作用引起的腐蚀相应地称为化学腐蚀 电化学腐蚀和物理腐蚀 其中物理腐蚀 如钢铁在液态锌中的溶解 因在工程上较少见 不太重要 故这里主要介绍化学腐蚀和电化学腐蚀的概念与防腐蚀措施 化学性能 化学腐蚀是指材料与周围介质直接发生化学反应 但反应过程中不产生电流的腐蚀过程 如金属材料在干燥气体中和非电解质溶液中的腐蚀 陶瓷材料在某些介质中的腐蚀等 一 化学腐蚀 化学性能 电化学腐蚀是指材料与电解质发生电化学反应 并伴有电流产生的腐蚀过程 陶瓷材料和高分子材料一般是绝缘体 故通常不发生电化学腐蚀 而金属材料的电化学腐蚀则极其普遍 是腐蚀研究的主要对象 二 电化腐蚀 化学性能 提高耐化学腐蚀性 主要指抗氧化性 的措施有 选择抗氧化材料 如耐热钢 耐热铸铁 耐热合金 陶瓷材料等 进行表面处理 如表面镀层 表面涂层 热喷涂铝 陶瓷等 三 提高零件耐蚀性的主要措施 化学性能 提高耐电化学腐蚀的措施有 选择耐蚀材料 如不锈钢 铜合金 陶瓷材料 高分子材料等 进行表面处理 如镀层 Ni Cr 热喷涂陶瓷 喷涂塑料与涂料等 电化学保护 如牺牲阳极保护法 加缓蚀剂以降低电解质的电解能力 如在含氧水中加入少量重铬酸钾等 三 提高零件耐蚀性的主要措施 第三节材料的工艺性能 将熔炼好的液态金属浇注到与零件形状相适应的铸型空腔中 冷却后获得铸件的方法称为铸造 铸造性能通常包括流动性 收缩 疏松 成分偏析 吸气性 铸造应力及冷热裂纹倾向等 一 铸造性能 二 锻造性能 锻造性能又称塑性加工性能 它是指利用材料的可塑性 借助外力的作用产生变形从而获得所需形状 尺寸和一定组织性能的零件 通常用材料的塑性 塑性变形能力 和强度 塑性变形抗力 及形变强化能力来综合衡量 金属材料一般具有良好的塑性 故可通过各种塑性加工方法制成所需形状 尺寸的零件 这是金属材料应用最广泛的重要原因 三 焊接性能 焊接是材料的连接成形方法之一 广泛地用于连接金属材料 材料的焊接性能是指被焊材料在一定的焊接条件下获得优质焊接接头的难易程度 它包括两个主要方面 其一是焊接接头产生缺陷的倾向性 如各种焊接裂纹 气孔等 其二是焊接接头的使用可靠性 如强度 韧性等 四 切削加工性能 材料进行各种切削加工 如车 铣 刨 钻 镗等 时的难易程度称为切削加工性能 切削是一种复杂的表面层现象 牵涉到摩擦及高速弹性变形 塑性变形和断裂等过程 因此切削的难易程度与许多因素有关 评定材料的切削加工性能也是比较复杂的 一般用材料被切削的难易程度 切削后表面粗糙度和刀具寿命等几方面来衡量 五 热处理性能 热处理是改变材料性能的主要手段 在热处理过程中 材料的成分 组织 结构发生变化从而引起了成分结构敏感性参数的改变 热处理性能则是指材料热处理的难易程度和产生热处理缺陷的倾向 其衡量的指标或参数很多 如淬透性 淬硬性 耐回火性 回火脆性 氧化与脱碳倾向及热处理变形与开裂倾向等 本课程将重点对此讨论 第四节材料的环境性能 材料一般都在大气 土壤和水等环境介质或自然介质中使用 即工况环境和自然环境 材料在与环境介质的交互作用过程中 发生能量或物质交换而失效 如金属材料的腐蚀 高分子材料的老化等 材料的环境适应性即是指材料适应其环境而抵抗失效的能力 使环境因素对材料力学性能 物力性能 化学性能及至工艺性能的影响行为的表征 一 材料的环境适应性 二 材料的环境协调性 材料工业是社会与经济发展的基础 然而在材料的制备 生产 使用及废弃的过程中 消耗大量的能源与资源 同时也造成了环境的恶化 环境协调性是指材料工程的全过程中 资源 能源消耗少 环境污染小 再生循环利用率高等特性 同时具备较好的功能性 经济性和环境协调性的材料即为环境材料 它是人类主动考虑材料对环境的影响而开发的材料 充分体现了人类 社会 自然三者相互和谐发展的新理念 是材料产业可持续发展的必由之路 更是社会与经济可持续发展的关键与基础 符合科学发展观战略 第一章结束 一 强度 广义的强度是指材料在外力作用下对变形与断裂的抵抗能力 若将断裂看成变形的极限 则可将强度简称为变形的抵抗能力 通常强度是依据国家标准 GB6397 1986 的规定进行静拉伸试验得的 二 塑性 塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力 即材料断裂前的塑性变形的能力 如在拉伸 压缩 扭转 弯曲等外力作用下所产生的伸长 缩短 扭曲 弯曲等都可用来表示材料的塑性 但材料的塑性一般是在静拉伸试验中测定的 常用试样拉断后的伸长程度 伸长率 和断面的收缩程度 断面收缩率 来表示 由于伸长率 测定较方便 故工程上应用较广 但考虑到材料塑性变形时可能有缩颈行为 故断面收缩率 能较真实地反映材料的塑性好坏 三 刚度 绝大多数机器零件在工作时基本上都是处于弹性变形阶段 即均会发生一定量的弹性变形 但若弹性变形量过大 则工件也不能正常工作 由此引出了材料对弹性变形的抵抗能力 刚度 或刚性 指标 如果说强度保证了材料不发生过量塑性变形甚至断裂的话 刚度则保证了材料不发生过量弹性变形 从这个角度来看 刚度和强度具有相同的技术意义而同等地重要 因而机械设计时既包括强度设计又包括刚度设计 四 弹性 材料的弹性是用来描述在外力作用下材料发生弹性行为的综合性能指标 前已述及的比例极限 p 弹性极限 e和弹性模量E等在一定的程度上均可用来说明材料的弹性性能 但作为弹性元件 如各种弹簧 音叉等 的材料 最直接的弹性性能指标尚有以下几个必须予以考虑 如图1 2所示 四 弹性 图1 2弹性比功与滞弹性行为 a 弹性比功b 滞弹性行为 五 硬度 硬度是反映材料软硬程度的一种性能指标 它表示材料表面局部区域内抵抗变形或破裂的能力 是表征材料性能的一个综合参量 测定硬度的试验方法有十多种 但基本上均可分为压入法和刻划法两大类 其中压入法较为常用 六 韧性 前已述及 材料的强度是变形和断裂的抗力 而塑性是断裂前的变形能力 材料的韧性则是指材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力 它是材料强度和塑性的综合表现 韧性不足可用其反义词 脆性来表达 韧性不足即说明不需要大的力或能量就可使材料发生断裂 材料的韧性高低决定了材料的断裂类型 韧性断裂和脆性断裂 低韧性的材料易于发生脆性断裂而危害性极大 如压力容器和大型锅炉的爆炸 船舶脆断沉没 电站设备转子与叶片的飞断等 评定材料韧性的力学性能指标主要有冲击韧度和断裂韧度 七 疲劳性能 许多零件如弹簧 齿轮 曲轴 连杆等都是在交变载荷 应力 作用下工作的 交变载荷是指载荷大小 方向随时间发生周期性的循环变化 故又称循环载荷 描述它的参数有 最大应力 max 最小应力 min 应力幅 a max min 2 应力比r min max等 零件在这种交变载荷下经较长时间工作而发生断裂的现象称为疲劳断裂 据统计 在机械零件的断裂中 80 以上属于疲劳断裂 故而研究材料疲劳 掌握材料的疲劳性能有着极其重要的意义 八 耐磨性 零件在接触状态下发生相对运动时 其接触面就会发生摩擦现象 如轴与轴承 活塞环与气缸内壁 齿轮与齿轮 碎石机颚板与石头等 由两种材料因摩擦而引起的表面材料逐渐损伤 表现为表面尺寸变化和物质耗损 的现象叫做磨损 摩擦力F的大小取决于两接触材料间的摩擦系数 和接触面上作用的法向载荷N 即F N 降低摩擦力是减轻磨损的最根本思路之一