《材料主要性能》PPT課件

挑戰(zhàn)者號(hào)爆炸事故55億,1986年1月28日，“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)在升空后73秒之后發(fā)生爆炸墜毀，起因只是由于一個(gè)小密封圈出現(xiàn)故障，造成液態(tài)氫泄漏，最終引發(fā)大爆炸該航天飛機(jī)的造價(jià)為45億美元，在用于事故調(diào)查、錯(cuò)誤糾正、損失裝置更換的費(fèi)用也花費(fèi)了10億美元,使用性能：材料在使用過(guò)程中所表現(xiàn)的性能。包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。工藝性能：材料在加工過(guò)程中所表現(xiàn)的性能。包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削性能等。,第2章金屬材料的主要性能,材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。當(dāng)外力去除后能夠恢復(fù)原來(lái)形狀的性能稱為彈性，外力去除后能夠恢復(fù)的變?yōu)閺椥宰冃巍Ｔ谕饬ψ饔孟?，產(chǎn)生永久變形而不至引起斷裂的性能，稱為塑性，在外力去除后保留下來(lái)的這部分不能恢復(fù)的變形，稱為塑性變形。,五萬(wàn)噸水壓機(jī),2.1靜載下金屬材料的力學(xué)性能,拉伸試樣,拉伸試驗(yàn)機(jī),應(yīng)力=P/F0應(yīng)變=(l-l0)/l0,1、拉伸試驗(yàn)與應(yīng)力應(yīng)變曲線,2.1靜載下金屬材料的力學(xué)性能,2、剛度與強(qiáng)度,（1）彈性：指標(biāo)為彈性極限e，即材料承受最大彈性變形時(shí)的應(yīng)力。,在應(yīng)力應(yīng)變曲線中，OA段為彈性變形階段，A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為材料承受最大彈性變形時(shí)的應(yīng)力，稱為彈性極限，用e表示。其中，OA部分為斜直線，應(yīng)力應(yīng)變成比例關(guān)系，A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為保持這種比例關(guān)系的最大應(yīng)力，稱為比例極限，用p表示。對(duì)大多數(shù)材料來(lái)講，A、A幾乎重合，故一般不做區(qū)分。,2.1靜載下金屬材料的力學(xué)性能,彈性模量的大小主要取決于材料的本性，同一種材料的彈性模量E基本一樣，但相同材料的兩個(gè)不同零件，其剛度不同，可以通過(guò)增加橫截面積或改變截面形狀來(lái)提高零件的剛度。,（2）剛度：材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。指標(biāo)為彈性模量E。,2.1靜載下金屬材料的力學(xué)性能,（3）強(qiáng)度：材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。（a）屈服強(qiáng)度sBC段，發(fā)生塑性變形而應(yīng)力不增加，這種現(xiàn)象叫做屈服。B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度，用s表示。有的材料的屈服強(qiáng)度不明顯，規(guī)定使用條件屈服強(qiáng)度0.2（殘余變形量為0.2%時(shí)的應(yīng)力值）來(lái)標(biāo)定。,屈服強(qiáng)度反映材料抵抗永久變形的能力，是最重要的零件設(shè)計(jì)指標(biāo)。,2.1.1靜載下金屬材料的力學(xué)性能,（b）抗拉強(qiáng)度b：材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。CD段為均勻塑性變形階段，應(yīng)力隨著應(yīng)變?cè)黾佣黾?，產(chǎn)生應(yīng)變強(qiáng)化。超過(guò)D點(diǎn)后，式樣開(kāi)始發(fā)生局部塑性變形，即出現(xiàn)頸縮，隨應(yīng)變?cè)黾討?yīng)力明顯下降，并在E點(diǎn)迅速斷裂。D點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為抗拉強(qiáng)度b。,抗拉強(qiáng)度反映材料抵抗斷裂破壞的能力，也是零件設(shè)計(jì)的材料評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。,2.1.1靜載下金屬材料的力學(xué)性能,塑性：材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。指標(biāo)為：,伸長(zhǎng)率：,斷面收縮率：,斷裂后,拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象,3、塑性,2.1靜載下金屬材料的力學(xué)性能,說(shuō)明：用斷面縮率表示塑性比伸長(zhǎng)率更接近真實(shí)變形。直徑d0相同時(shí)，l0，。只有當(dāng)l0/d0為常數(shù)時(shí)，塑性值才有可比性。當(dāng)l0=10d0時(shí)，伸長(zhǎng)率用表示；當(dāng)l0=5d0時(shí)，伸長(zhǎng)率用5表示。顯然5時(shí)，無(wú)頸縮，為脆性材料表征，時(shí)，有頸縮，為塑性材料表征。,2.1靜載下金屬材料的力學(xué)性能,4、硬度,材料抵抗抵抗更硬物體壓入其表面（產(chǎn)生局部塑性變形）的能力，是衡量材料軟硬程度的指標(biāo)。（1）布氏硬度HB,布氏硬度計(jì),2.1靜載下金屬材料的力學(xué)性能,（1）HBS（HB）：壓頭為淬火鋼球，適用于布氏硬度值在450以下的材料。（2）HBW：壓頭為硬質(zhì)合金球，適用于布氏硬度在650以下的材料。,符號(hào)HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值,符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間。例如：120HBS10/1000/30,表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為120。,布氏硬度壓痕,布氏硬度的表示方法與測(cè)試范圍：,2.1靜載下金屬材料的力學(xué)性能,優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。適應(yīng)于：測(cè)量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼,鑄鐵及有色金屬的硬度。材料的b與HB之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：對(duì)于低碳鋼:b(MPa)3.6HB對(duì)于高碳鋼：b(MPa)3.4HB對(duì)于鑄鐵：b(MPa)1HB或b(MPa)0.6(HB-40),2.1靜載下金屬材料的力學(xué)性能,布氏硬度的特點(diǎn)與應(yīng)用：,（2）洛氏硬度,洛氏硬度符號(hào)HR表示，測(cè)量：頂角120金剛石圓錐壓頭，使一定壓力，壓入被測(cè)材料，據(jù)壓痕深度度量材料軟硬，壓痕越深，硬度越低。范圍20-67，每0.002mm的壓痕深度為一個(gè)硬度單位。根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為用九個(gè)標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為A、B、C。,2.1靜載下金屬材料的力學(xué)性能,符號(hào)HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。,HRA用于測(cè)量高硬度材料,如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。HRB用于測(cè)量低硬度材料,如有色金屬和退火、正火鋼等。HRC用于測(cè)量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，壓痕小，適用范圍廣。缺點(diǎn)：測(cè)量結(jié)果分散度大。,2.1靜載下金屬材料的力學(xué)性能,（3）維氏硬度HV:采用錐面夾角136金剛石四棱錐體壓頭,卸載后得一對(duì)角線長(zhǎng)d的四方錐形壓痕,載荷除以壓痕表面積的值為維氏硬度,單位MPa。,P,136,d,維氏硬度用于測(cè)量極軟到極硬的薄片金屬材料,幾種硬度之間的相互換算關(guān)系：1HBS10HRC,1HBS1HV,特別提示,零(構(gòu))件服役的環(huán)境是多種多樣的，對(duì)于工程上的零部件絕大多數(shù)是承受動(dòng)載荷的作用，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)里的連桿、曲軸等部件就是這種情況。因此。研究材料的動(dòng)載力學(xué)性能才能接近實(shí)際情況。以便為解決實(shí)際工程問(wèn)題提供了更適合的評(píng)價(jià)方法。,1、沖擊韌性,是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。,指標(biāo)為沖擊韌性值ak(通過(guò)沖擊實(shí)驗(yàn)測(cè)得)。,2.2動(dòng)載和高溫下金屬材料的力學(xué)性能,沖擊試驗(yàn)測(cè)定原理,1、沖擊韌性,沖擊韌性值ak=(GH1-GH2)/F9.8（J/cm）,2.2動(dòng)載和高溫下金屬材料的力學(xué)性能,2,即試樣缺口處單位面積上所吸收的沖擊功。ak值與材料、溫度、缺口形狀、試樣大小有關(guān)，對(duì)組織缺陷很敏感，用來(lái)檢驗(yàn)冶煉、熱加工等的工藝質(zhì)量的有效方法。,在實(shí)際中，零件經(jīng)過(guò)一次沖擊即發(fā)生斷裂的情況極少。許多零件總是在很多次沖擊之后才會(huì)斷裂，且所承受的沖擊能量也遠(yuǎn)小于一次沖斷的能量。這種沖擊稱做多次沖擊。大能量一次沖擊時(shí)，其沖擊抗力主要取決于塑性；而小能量多次沖擊時(shí)，其多沖抗力則主要取決于強(qiáng)度。,2、疲勞強(qiáng)度,（1）材料在低于s的重復(fù)交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。隨材料承受的交變應(yīng)力值的下降，其斷裂時(shí)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N值增加。材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力稱為疲勞極限。對(duì)稱循環(huán)交變的疲勞極限用-1表示。鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107，有色金屬合金為108。,疲勞應(yīng)力示意圖,2.2動(dòng)載和高溫下金屬材料的力學(xué)性能,2、疲勞強(qiáng)度,（1）疲勞斷裂：材料在低于s的重復(fù)交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。（2）疲勞曲線：材料所承受的交變應(yīng)力與其斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系圖。(3）疲勞極限-1：材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力稱為疲勞極限。,隨材料承受的交變應(yīng)力值的下降，其斷裂時(shí)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N值增加。材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力稱為疲勞極限。對(duì)稱循環(huán)交變的疲勞極限用-1表示。鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為10，有色金屬合金為10。,7,8,2.2動(dòng)載和高溫下金屬材料的力學(xué)性能,1-疲勞源、2-疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和3-瞬時(shí)斷裂區(qū)疲勞斷口示意圖,金屬的疲勞極限受到很多因素的影響，主要有：工作條件、表面狀態(tài)、材質(zhì)、殘余內(nèi)應(yīng)力等。改善零件的結(jié)構(gòu)形狀，避免應(yīng)力集中，降低零件表面粗糙度值以及采取各種表面強(qiáng)化的方法，都能提高零件的疲勞極限,2.2動(dòng)載和高溫下金屬材料的力學(xué)性能,特別提示,零(構(gòu))件服役的環(huán)境是多種多樣的，如有的零件在高溫下工作，有的零件在低溫下工作，那么在室溫下測(cè)定的性能指標(biāo)就不能代表它在高溫或低溫下的性能。屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度與溫度有很大關(guān)系，一般溫度升高，材料強(qiáng)度降低。,2.2動(dòng)載和高溫下金屬材料的力學(xué)性能,3、蠕變,蠕變是指材料在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。,由于蠕變變形而最后導(dǎo)致金屬材料的斷裂稱為蠕變斷裂。,2.3金屬材料的物理、化學(xué)和工藝性能,1、物理性能：主要有密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和磁性等。飛機(jī)零件常選密度小的鋁、鎂、鈦合金來(lái)制造。設(shè)計(jì)電器考慮金屬材料導(dǎo)電性。設(shè)計(jì)日用品-材料熱成型性。2、化學(xué)性能:指其在常溫或高溫時(shí)，抵抗各種活性介質(zhì)侵蝕的能力。如耐酸、耐堿性、抗氧化性等。如化工設(shè)備、醫(yī)療用具可用不銹鋼；內(nèi)燃機(jī)排氣閥和電站設(shè)備的零