工程材料及焊接基礎(chǔ)材料的力學(xué)性能.ppt

薛教授,工程材料及焊接基礎(chǔ),時間：2011.9.62011.12.20,工程材料參考資料：,工程材料與制造工藝教程，沈紉秋； 工程材料，李遇昌,王本德； 船舶與海洋工程材料，姜錫瑞； 金屬熔焊原理，周振豐，張文鉞。,工程材料及焊接基礎(chǔ),課程的主要內(nèi)容：,（1）金屬的基礎(chǔ)理論 材料的力學(xué)性能、純金屬結(jié)構(gòu)與結(jié)晶、相結(jié)構(gòu)與相圖、鐵碳合金、鋼的熱處理、塑性變形與再結(jié)晶。 （2）工程材料 鋼、有色金屬及其合金、非金屬材料、復(fù)合材料。 （3）材料加工工藝 鑄造、鍛壓、焊接、熱處理。,工程材料及焊接基礎(chǔ),課程的目的：,獲得常用工程材料的種類、成分、組織、性能和改性方法的基本知識。通過對基礎(chǔ)科學(xué)和知識的綜合和運用，初步具備根據(jù)零件的服役條件合理選擇和使用材料，正確制定熱處理工藝方法和妥善安排工藝路線的能力。,工程材料及焊接基礎(chǔ),課程的特點：,內(nèi)容龐雜，原理規(guī)律多，概念定義多。 許多內(nèi)容 看不見，摸不著，枯燥、乏味。 老師難教，學(xué)生難學(xué)。,工程材料及焊接基礎(chǔ),材料的分類：,按結(jié)合鍵分為金屬鍵（金屬材料）、離子鍵（陶瓷材料）及共價鍵（高分子材料）； 按性能劃分為結(jié)構(gòu)材料（力學(xué)性能為主）和功能材料（物理性能為主）。 本課程以工程結(jié)構(gòu)材料為主。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,金屬材料的性能：,物理性能： 熔點、密度、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和磁性。 根據(jù)服役條件和用途的不同，選擇不同物理性能的材料，成為選擇材料的依據(jù)。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,化學(xué)性能： 常溫或高溫下抵抗各種介質(zhì)侵蝕的能力，也稱為化學(xué)穩(wěn)定性（抗氧化性和耐腐蝕性，mm/y）。 耐蝕性：抗大氣、海水、酸、堿等腐蝕介質(zhì)。 抗氧化性：抵抗高溫、強腐蝕燃?xì)饣蛄黧w介質(zhì)對材料性能的影響。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,材料的力學(xué)性能,除物理、化學(xué)性能外，一般設(shè)計與選材時以材料的力學(xué)性能做為主要依據(jù)。 材料的力學(xué)性能一般包括：強度、塑性、硬度、韌性、疲勞強度等。 力學(xué)性能數(shù)據(jù)可以通過標(biāo)準(zhǔn)實驗測定或者查閱相關(guān)手冊。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,（1）強度 金屬在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。根據(jù)外力的不同強度可以分為：抗拉、抗壓、抗彎、抗剪和抗扭強度等。 分別以應(yīng)力（單位面積上的內(nèi)力，P/A）和應(yīng)變（單位長度上的伸長量L/L0）代替P和L繪出的應(yīng)力-應(yīng)變可得到比例極限、彈性極限、屈服強度和抗拉強度指標(biāo)等。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,低碳鋼拉伸圖,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,比例極限（Mpa）： 金屬材料的伸長量與載荷成正比的最大應(yīng)力。應(yīng)力小于比例極限時，符合虎克定律。 實際很難測定，國標(biāo)規(guī)定：拉伸曲線上稍微偏離彈性直線的某點，該點的切線與載荷軸夾角的正切值較彈性直線與載荷軸間的夾角正切值增加50%時，該點處的應(yīng)力作為“規(guī)定比例極限”。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,彈性極限(MPa)： 材料能夠承受，不產(chǎn)生塑性變形的最大應(yīng)力。小于該點時載荷與伸長量呈非線性，但仍是彈性變形，大于該點為彈-塑性變形階段。 國標(biāo)規(guī)定：殘余伸長量為標(biāo)距程度L0的0.01%時的應(yīng)力作為“規(guī)定的彈性極限”。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,屈服強度(MPa)： 金屬材料開始屈服時的最小應(yīng)力（外力不增加塑性變形繼續(xù)顯著增加）。但是合金鋼、銅合金、鋁合金等沒有明顯的屈服點，因此國標(biāo)規(guī)定：殘余應(yīng)變量達到0.2%時的應(yīng)力稱為屈服極限，用0.2表示。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,抗拉強度(MPa)： 由于變形引起強化作用使得變形抗力增加，金屬材料能承受的最大應(yīng)力稱為抗拉強度。,工程材料及焊接基礎(chǔ),工程上不僅希望有高的s，而且有一定的屈強比（s/b），屈強比越小，結(jié)構(gòu)的安全性越高，萬一突然超載，結(jié)構(gòu)不會立即破斷。否則材料強度的利用率很低，不能發(fā)揮材料的性能潛力。,金屬基礎(chǔ)理論,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,幾種典型材料的拉伸圖 鑄鐵、碳鋼、純鋁,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,剛度： 抵抗彈性變形的能力，用彈性模量表征。彈性模量主要取決于材料本身特性，表示金屬原子間結(jié)合力大小的參數(shù)，冷變形、熱處理、合金化等手段對彈性模量的提高作用不大。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,塑性,斷裂前金屬產(chǎn)生塑性變形的能力。通常用延伸率（%）和斷面收縮率（%）表示， 表示塑性更能體現(xiàn)材料的真實應(yīng)變。 試樣拉斷后標(biāo)距增加的長度與原標(biāo)距長度百分比。 試樣拉斷后斷裂處截面積最大縮減量與原試樣截面積百分比。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,硬度：,表示材料軟硬程度，表征材料對局部塑性變形抗力的指標(biāo)。 一般來說硬度高，耐磨性好；硬度與強度之間有一定的聯(lián)系，可由硬度估算強度；測量簡便，不必破壞零件。 測量硬度的方法主要有布氏法、洛氏法與維氏法。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,在布氏硬度機上測定。將直徑為D的淬火鋼球在一定的載荷P作用下壓入所測材料，經(jīng)過規(guī)定加載時間然后卸載，得到直徑為d的壓坑，載荷除以壓坑面積得到布氏硬度值。 布氏硬度值在450以下的材料選用普通淬火鋼球，以HBS表示；硬度值達到650以下，選用硬質(zhì)合金球。太硬可能引起鋼球變形時不能用布氏硬度值表示。,布氏硬度（HBS/W）：,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,布氏硬度與b之間的換算關(guān)系：,軋制鋼、鍛鋼：b(0.340.36)HBS； 冷變形黃銅、青銅： b0.4HBS； 鑄鋼： b(0.30.4)HBS； 灰鑄鐵： b0.1HBS； 鑄鋁： b0.26HBS。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,洛氏硬度（HR）：,以壓頭的壓坑深度計量硬度大小。加載過程如下： (1)加10kg初載，壓坑深度h1，目的消除表面粗糙度的影響； （2）加主載50/90/140kg，壓坑深度為h2； （3）卸主載保留初載，由于彈性恢復(fù)壓坑深度為h3。h3-h1=h計算深度。 HR=K- h /0.002表示硬度值。 K常數(shù)，金剛石圓錐體100，淬硬鋼球130,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,常用洛氏硬度的三種標(biāo)度,壓坑小，多用于成品檢驗，但也因此對組織粗大成分不均勻的材料測量結(jié)果不準(zhǔn)確。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,維氏硬度（HV）：,單位壓痕表面積所承受的抗力。 與布氏硬度法相似，不同點在于所加載荷較小，并且用頂角為136的金剛石棱錐體做壓頭。在載荷作用下測量對角線長度為d的壓痕。 廣泛用于測定工件表面硬化層或金屬鍍層以及薄片金屬的硬度。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,沖擊韌性：,試樣抵抗沖擊載荷的能力。 結(jié)構(gòu)服役時要承受沖擊載荷，比如飛機起落架、發(fā)動機渦輪軸、鍛錘錘頭、火車掛鉤、沖床的連桿和曲軸等。 采用擺錘沖擊試驗法測定。有兩種表示方法： Ak擺錘沖斷試樣所做的功（J）； ak打斷試件在其缺口處單位面積上消耗的能量（J/cm2）。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,影響ak的因素：金屬材料缺陷、淬火過熱、夾雜、裂紋、溫度等都非常敏感。 需要注意的問題：大能量一次沖擊抗力主要取決于材料的塑性，而小能量多次沖擊抗力則取決于材料的強度。片面追求過高的ak ，而使強度受到損害，導(dǎo)致零件早期失效。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,疲勞強度：,疲勞：金屬材料在交變載荷作用下，其工作應(yīng)力小于抗拉強度或屈服強度，零件發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象。 疲勞易發(fā)構(gòu)件：旋轉(zhuǎn)或做往復(fù)運動的轉(zhuǎn)軸、齒輪、彈簧、連桿等零件上，80%的零件失效與疲勞有關(guān)。 交變載荷形成兩類應(yīng)力：方向不變，大小變化（重復(fù)應(yīng)力）；方向和大小都發(fā)生變化（交變應(yīng)力）,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,疲勞斷裂原因：在交變載荷作用下，在零件表面 的應(yīng)力集中部位（晶界、孿晶、非金屬夾雜、裂紋、軟點、劃痕等）或材料本身強度較低的部位（脫碳層）產(chǎn)生不均勻劃移，造成駐留劃移帶，形成疲勞微裂紋，隨著應(yīng)力循環(huán)周次的進行，微裂紋進一步擴展，使零件有效截面積減少。減少到不能承受外加載荷作用時發(fā)生失效破壞。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,疲勞斷口特征：以疲勞源為中心逐漸向零件內(nèi)部擴展的若干弧線光亮區(qū)和最后斷裂的粗糙區(qū)（結(jié)晶狀或纖維狀）組成。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,疲勞強度是試樣經(jīng)過無限次應(yīng)力循環(huán)仍不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力，是評定疲勞抗力的指標(biāo)，以應(yīng)力做縱坐標(biāo)，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)做橫坐標(biāo)，可以繪制一幅SN曲線。,R=下限應(yīng)力/上限應(yīng)力,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,改善疲勞強度的措施： 設(shè)計方面：避免尖角，保證零件的粗糙度； 材料方面：保證冶金質(zhì)量，減少夾雜疏松缺陷； 工藝方面：強化零件表面，比如表面淬火、滲碳、氮化、噴丸、滾壓等。表面硬度提高可減少劃傷，在表層形成壓應(yīng)力。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,斷裂韌性：,低應(yīng)力脆斷： （1）斷裂應(yīng)力低于材料屈服強度； （2）即使是塑性材料，斷裂前也沒有任何征兆，呈脆性斷裂。 傳統(tǒng)力學(xué)不能解釋該現(xiàn)象。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,傳統(tǒng)力學(xué)：無缺陷均勻體； 斷裂力學(xué)：有許多宏觀裂紋的連續(xù)體。 實踐也證明了材料破斷總是從一些缺陷或裂紋處開始的，低應(yīng)力脆斷為該裂紋擴展的結(jié)果。 構(gòu)件中裂紋的長度越長或深度越深，裂紋尖端的應(yīng)力越集中，發(fā)生失穩(wěn)破斷的臨界應(yīng)力越小。,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,裂紋在外力作用下擴展的方式：,工程材料及焊接基礎(chǔ),金屬基礎(chǔ)理論,斷裂力學(xué)運用彈性力學(xué)的分析方法，對裂紋尖端彈性應(yīng)力場進行分析，提出了一個描述裂紋尖端附近應(yīng)力場程度強弱的力學(xué)參數(shù)應(yīng)力強度因子K1。當(dāng)K1增大到某一臨界值時。裂紋失穩(wěn)擴展，試樣迅速斷裂，稱為臨界應(yīng)力強度因子K1C，臨界應(yīng)力以C表示，裂紋長度aC為臨界裂紋長度。,工程材料及焊接基礎(chǔ),成分、熱處理工