材料性能的認(rèn)識(shí)課件

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材料性能的認(rèn)識(shí)*1.使用性能：在使用條件下所表現(xiàn)的性能力學(xué)性能(強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等)；物理性能（光、電、磁等）；化學(xué)性能(抗氧化性、抗腐蝕性等)；其它性能(耐磨性、熱硬性、消振性等)；2、工藝性能：材料制備、加工過程中所表現(xiàn)的性能鑄造性能（流動(dòng)性、收縮、偏析等)；壓力加工性能、冷加工性能、鍛造性能等；切削加工性；焊接性；熱處理性能；等等材料性能包含使用性能與工藝性能兩方面：*一、強(qiáng)度與塑性1.強(qiáng)度—材料在靜載荷作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力，材料的強(qiáng)度用拉伸試驗(yàn)測定?！?.1材料的力學(xué)性能

圖1-2低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線*強(qiáng)度指標(biāo)：金屬材料的強(qiáng)度是用應(yīng)力來表示的，單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力，用σ表示。常用的強(qiáng)度指標(biāo)有：彈性極限

σe：是指材料產(chǎn)生完全彈性變形時(shí)所能承受的最大應(yīng)力。單位為MPa(N/mm2)

。屈服強(qiáng)度σs：材料在產(chǎn)生屈服現(xiàn)象的最小應(yīng)力。對于拉伸曲線上沒有屈服平臺(tái)的材料(脆性材料—鑄鐵)，此時(shí)將屈服強(qiáng)度定義為產(chǎn)生0.2%殘余伸長時(shí)的應(yīng)力(即變形量為試樣長度的0.2%，如圖1-3所示)，記s0.2?？估瓘?qiáng)度σb：材料在斷裂前所承受的最大工程應(yīng)力。圖1-3鑄鐵應(yīng)力應(yīng)變曲線*2.塑性—指金屬材料在靜載荷作用下斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。評定材料塑性的指標(biāo)通常是伸長率和斷面收縮率。伸長率δ：試樣拉斷后標(biāo)距的增長量與原始標(biāo)距長度之比;

δ=(L1-L0)/L0×100%斷面收縮率ψ：試樣拉斷處橫截面積的縮減量與原始橫截面積之比。

ψ=(A0-A1)/A0×100%

金屬材料的塑性好壞，對零件的加工和使用有十分重要的意義。例如，低碳鋼的塑性較好，故可以進(jìn)行壓力加工，普通鑄鐵的塑性差，因而不能進(jìn)行壓力加工，只能進(jìn)行鑄造。同時(shí)由于材料具有一定的塑性，故能夠保證材料不致因稍有超載就突然破斷，這就增加了材料使用的安全可靠性。*二、硬度材料抵抗另一硬物壓入其內(nèi)的能力，即金屬表面上局部體積內(nèi)抵抗彈性變形、塑性變形或抵抗破壞的能力。是衡量材料軟硬程度的指標(biāo)。1.布氏硬度(HB)—較軟材料：有色金屬、灰口鑄鐵等。

測定原理：一定直徑的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球在一定的載荷作用下壓入試樣表面，保持一定時(shí)間后卸除載荷，測量其壓痕直徑，計(jì)算硬度值。用球面壓痕單位表面積上所承受的平均壓力來表示。用HBS(淬火鋼球)或HBW(硬質(zhì)合金鋼球)表示。圖1-4布氏硬度試驗(yàn)原理示意圖*布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：試驗(yàn)時(shí)使用的壓頭直徑較大，在試樣表面上留下壓痕也較大，測得的硬度值也較準(zhǔn)確。缺點(diǎn)：對金屬表面的損傷較大，不易測試太薄工件的硬度，也不適于測定成品件的硬度。

在進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)時(shí)，鋼球直徑D、施加的試驗(yàn)力F和試驗(yàn)力保持時(shí)間應(yīng)根據(jù)被測試金屬的種類和試樣厚度，按布氏硬度試驗(yàn)規(guī)范正確選擇(見教材表1-1)。在試驗(yàn)條件允許時(shí)，應(yīng)盡量選用直徑為10mm的球體作壓頭。選用的F/D2比值不同時(shí)布氏硬度值不能直接比較。*2.洛氏硬度(HR)—硬度中等：鋼鐵材料測定原理：以頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑為φ1.588mm的淬火鋼球作壓頭，在先施加初始試驗(yàn)力F1(98N),再加上主試驗(yàn)力F2的作用下壓入金屬表面。卸去F2后，仍保留初試驗(yàn)力F1，測量其殘余壓入深度h3，用h3和h1只差h來計(jì)算洛氏硬度值。適合測量的材料：HRA：硬質(zhì)合金；HRC:

淬火鋼(應(yīng)用最多)HRB:

低碳鋼、銅合金、鐵素體可鍛鑄鐵圖1-5洛氏硬度實(shí)驗(yàn)原理示意圖*洛氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：操作簡單迅速，效率高，直接從指示器上可讀出硬度值；壓痕小，故可直接測量成品或較薄工件的硬度；可測量高硬度薄層和深層材料。缺點(diǎn)：由于壓痕小，測得的數(shù)值不夠準(zhǔn)確，通常要在試樣不同部位測定四次以上，取其平均值為該材料的硬度值。*3.維氏硬度(HV)——較硬材測定原理：與布氏硬度相同，不同點(diǎn)是壓頭為金剛石正棱角錐。所測定的硬度值比布氏、洛氏精確，壓入深度淺，適于測定經(jīng)表面處理零件的表面層的硬度。F↓維氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：與布氏、洛氏試驗(yàn)比較，維氏硬度試驗(yàn)不存在試驗(yàn)力于壓頭直徑有一定比例關(guān)系的約束；不存在壓頭變形問題；測量數(shù)據(jù)精確可靠，誤差較小。缺點(diǎn)：其硬度值需要先測量對角線長度，然后經(jīng)計(jì)算或查表確定，故效率不如洛氏硬度試驗(yàn)高。圖1-6維氏硬度實(shí)驗(yàn)原理圖*三、沖擊韌性1.沖擊吸收功

當(dāng)加載速度極快時(shí)，不能用靜載荷下的σs、σb作失效判據(jù)。必須考慮所用材料的沖擊韌性。沖擊韌性：指材料在沖擊載荷作用下，抵抗破壞的能力。沖擊載荷：指加載速度很快而作用時(shí)間很短的突發(fā)性載荷。沖擊功：指試樣在沖擊力一次作用下折斷時(shí)所吸收的功，用Ak表示。沖擊韌度：指試樣缺口處單位橫截面面積A上的沖擊功，用αk表示。即αk＝Ak/A

沖擊功Ak越大，材料的韌性越好，把沖擊功低的材料稱為脆性材料，高的稱為韌性材料。*圖1-7一次擺錘沖擊試驗(yàn)原理示意圖(a)試樣放在試驗(yàn)機(jī)上；(b)擺錘由h1升高到h2高度目前最常用的沖擊試驗(yàn)方法是擺錘式一次沖擊試驗(yàn)。*2.小能量多次沖擊試驗(yàn)圖1-8小能量多次沖擊測試的原理圖1-沖頭;2-試樣;3-支承架;4-橡膠傳動(dòng)軸

實(shí)踐證明，金屬材料受大能量的沖擊載荷作用時(shí)，其沖擊抗力主要取決于沖擊韌度的大小，而在小能量多次沖擊條件下，其沖擊抗力主要取決于材料的強(qiáng)度和塑性。*四、疲勞強(qiáng)度

1.疲勞現(xiàn)象軸、齒輪、軸承、彈簧等零件，在工作過程中各點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間作周期性的變化，這種隨時(shí)間作周期性變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力(也稱循環(huán)應(yīng)力)。在交變應(yīng)力作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過較長時(shí)間的工作而產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程稱為疲勞斷裂。*

2.疲勞強(qiáng)度材料承受的交變應(yīng)力σ與材料斷裂前承受交變應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)(N)之間的關(guān)系可用疲勞曲線來表示。金屬承受的交變應(yīng)力越大，則斷裂時(shí)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N越少。當(dāng)應(yīng)力低于一定值時(shí)，試樣可以經(jīng)受無限周期循環(huán)而不破壞，此應(yīng)力值稱為材料的疲勞極限(疲勞強(qiáng)度)，即不至引起斷裂的最大應(yīng)力稱為疲勞極限，用σ-1表示。一般規(guī)定鋼鐵材料循環(huán)次數(shù)取107次，有色金屬及其合金循環(huán)次數(shù)取108次。圖1-9疲勞曲線示意圖*§1.2材料的其他性能一、材料的物理化學(xué)性能1.材料的物理性能密度：單位體積物質(zhì)的質(zhì)量稱為該物質(zhì)的密度；熔點(diǎn)：金屬從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度稱為熔點(diǎn)，純金屬都有固定的熔點(diǎn)；導(dǎo)熱性：導(dǎo)熱性通常用熱導(dǎo)率來衡量!熱導(dǎo)率的符號(hào)是λ，單位是W/m·K，熱導(dǎo)率越大，導(dǎo)熱性越好。導(dǎo)電性：傳導(dǎo)電流的能力稱導(dǎo)電性，用電阻率來衡量，電阻率的單位是Ω?m，電阻率越小，金屬材料導(dǎo)電性越好，金屬導(dǎo)電性以銀為最好；銅、鋁次之；熱膨脹性：金屬材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性稱為熱膨脹性，熱膨脹性用線脹系數(shù)αL或體脹系數(shù)αV來表示。磁性：金屬材料可分為鐵磁性材料、順磁性材料、和抗磁性材料三類。*2.材料的化學(xué)性能

金屬材料的化學(xué)性能是指材料抵抗其周圍介質(zhì)侵蝕的能力，主要包括耐蝕性和抗氧化性等。金屬材料的耐腐蝕性和抗氧化性統(tǒng)稱化學(xué)穩(wěn)定性；在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性稱為熱穩(wěn)定性。*二、金屬的工藝性能

工藝性能是指金屬材料制備、加工過程中所表現(xiàn)的性能，是反應(yīng)材料對不同加工工藝方法的適應(yīng)能力。主要包括鑄造性能、壓力加工性能、切削加工性、焊接性和熱處理性能等。1.鑄造性能

金屬及合金在鑄造工藝中獲得優(yōu)良鑄件的能力稱為鑄造性能，衡量鑄造性能的主要指標(biāo)有流動(dòng)性，收縮性和偏析傾向等。流動(dòng)性—熔融金屬的流動(dòng)能力稱為流動(dòng)性；收縮性—鑄件在凝固和冷卻過程中，其體積和尺寸減小的現(xiàn)象稱為收縮性；偏析傾向—金屬凝固后，內(nèi)部化學(xué)成分和組織的不均勻現(xiàn)象稱為偏析。*2.壓力加工性能

從理論上講，壓力加工性能是指金屬材料在冷熱狀態(tài)下塑性變形的能力"即熱鍛和冷沖壓時(shí)變形的能力；從加工方法上可用壓力加工時(shí)獲得優(yōu)良?jí)褐萍碾y易程度來衡量壓力加工性能；壓力加工性能包括充填模具所需要的固體流動(dòng)性，對模壁的摩擦阻力對氧化起皮的抗力，熱裂趨勢，冷變形時(shí)的硬化趨勢，不均勻變形，產(chǎn)生折皺的趨勢等。3.焊接性能

焊接性能是指金屬材料對焊接加工的適應(yīng)性，主要包括焊接性、熔接合金成分的改變、吸氣性及氧化性、內(nèi)應(yīng)力及冷熱開裂傾向等。*4.切削加工性能

切削加工