《材料的使用性能》PPT课件.ppt
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1、第一篇 材料的性能及应用意义,第一章 材料的使用性能,第一节 力学性能第二节 物理性能第三节 化学性能,金属材料的性能主要包含工艺性能和使用性能两方面。使用性能:金属材料在使用条件下所表现出来的性能;包括力学性能、物理和化学性能工艺性能:制造工艺过程中材料适应加工的性能;如铸造性能,锻造性能等。,金属材料的性能,第一节 力学性能,材料的机械性能亦称力学性能,是指材料在载荷(外力)作用时表现出来的行为,包括强度、塑性、刚性、弹性、硬度、韧性、疲劳性能和耐磨性等。,一强度:,广义的强度是指材料在外力作用下对永久变形与断裂的抵抗能力,若将断裂看成变形的极限,则强度简称为变形的抵抗能力。强度可依据国家
2、标准的规定进行拉伸试验得到。(1)分类:根据载荷的不同可分为抗拉强度b、抗压强度bc、抗弯强度bb、抗剪强度b、抗扭强度t,圆形拉伸试样(拉伸前和拉断后)(a)拉伸前(b)拉伸后,(2)拉伸试验测b,一强度:,低碳钢的工程应力-应变图(-图),材料在弹性范围内,应力与应变的比值/称为弹性模数E(单位MPa)。E标志材料抵抗弹性变形的能力,用以表示材料的刚度。,(3)拉伸试验测b,应力:=P/A0(MPa)应变:=l/l0=(l-l0)/l0*100%变形阶段:弹性变形阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段、断裂。强度指标:e弹性极限:材料保持弹性变形,不产生永久变形的最大应力,是弹性零件的设计基础
3、。s屈服极限(屈服强度):表示金属开始发生明显塑性变形的抗力,没有明显屈服的材料用0.2表示;b强度极限(抗拉强度):表示金属受拉时所能承受的最大应力。金属材料的强度与其化学成分、工艺过程、热处理过程均有关。,二.刚度(刚性),1.概念:材料对弹性变形的抵抗能力。在应力应变曲线的弹性变形阶段,应力与应变的比值即为材料刚度,也就是材料的弹性模量,在数值上等于该直线的斜率。,强度保证材料不发生过量塑性变形甚至断裂,刚度保证了材料不发生过量弹性变形。,2.影响因素(1)金属材料:E决定于基体金属的性质,难于通过合金化、热处理、冷热加工等方法改变,E是结构不敏感性参数。如对钢铁材料(Fe基合金)无论成
4、分和组织结构如何变化,室温下E均在(2021.4)104MPa范围内。(2)陶瓷材料、高分子材料、复合材料的弹性模量对其成分和组织结构是敏感的,可以通过不同方法改变。,二.刚度(刚性),三.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,弹性性能指标有:,1.最大弹性应变量e:材料在外力作用下所能发生的最大可恢复应变量,即弹性变形能力。对应于弹性极限e时的弹性应变量,数值e=e/E,可见,高弹性极限、低弹性模量的材料具有较好的弹性。,2.弹性比功:材料吸收变形功而不发生永久变形的能力,即弹性变形时吸收的最大弹性功。可用应力-应变曲线中弹性部分所围成的面积来表示,即 弹性比
5、功=ee/2=e2/(2E)。提高弹性极限或降低弹性模量E,弹性比功值就越高,材料的弹性就越好。,三.弹性,3.滞弹性(弹性滞后):加载时应变不立即达到平衡值,卸载时变形也不立即恢复,这种应变滞后于应力的现象称为滞弹性或弹性滞后。可用应力-应变曲线上弹性滞后环的面积来表示。,三.弹性,四.塑性,材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力,即材料断裂前发生不可逆永久变形的能力。常用延伸率和断面收缩率表示。(1)延伸率:拉伸试验中,标距的伸长与原始标距的百分比。(2)断面收缩率:试样拉断后,缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比。金属材料的延伸率和断面收缩率越大,材料的塑性越好。,五.硬度,
6、硬度: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,特别是塑性变形、压痕或划痕的能力,是表征材料性能的一个综合参量。,硬度的表示方法主要有:布氏硬度洛氏硬度维氏硬度和显微硬度莫氏硬度锉刀硬度,1.布氏硬度,原理:用一定直径D的钢球或硬质合金球(压头),以相应的试验力F压入试样表面,经规定保持时间,卸载后测量试样表面的压痕直径d,计算出压痕球冠形表面积进而得到所承受的平均应力值,即为布氏硬度值,即用球面压痕单位表面积上所承受的平均压力表示。HB 表示方法:200HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球,在9800N(1000kgf)的载荷下保持30s时测得的布氏硬度
7、为200,适用材料:各种退火状态的钢材、铸铁、有色金属等,也用于调质处理的机械零件。,优缺点:操作复杂,需查表,不常用。,2.洛氏用度,原理:采用一定规格的压头,在一定试验力作用下压入试样表面,然后测定压痕的深度来计算并表示其硬度值,符号HR。h越大,硬度越低。有HRA,HRB,HRC三种表示法。,适用材料:钢铁原材料、有色金属、淬火后工件、硬质合金等。,优点:操作迅速简便,压痕小,不损伤工件表面,应用广。,3.其他硬度,(1)维氏硬度:薄工件或薄表面硬化层 显微硬度:材料微区硬度(单个晶粒、夹杂物、某种组成相)的测试;HV(2)莫氏硬度:是一种刻划硬度,用于陶瓷和矿物的硬度测试,该硬度的标尺
8、是选定10种不同的矿物,从软到硬将莫氏硬度分为10级,如金刚石对应于莫氏硬度的10级;HM(3)锉刀硬度:适合于大型零件的测定。,各种硬度之间有粗略的经验换算关系。,六.韧性,材料在塑性变形和断裂前吸收变形能量的能力,它是材料强度和塑性的综合表现。,韧性 脆性,材料韧性的高低决定了材料的断裂类型:延性断裂和脆性断裂。低韧性的材料易于发生脆性断裂且危害极大,如压力容器和大型锅炉的爆炸,船舶脆断沉没等。,评定材料韧性的指标有:冲击韧度和断裂韧度。,(一)冲击韧度,1.概念:指材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力。冲击韧度用来评价材料在冲击载荷下(多数情况下还有缺口联合作用)的脆化趋势及其程
9、度的。,用标准试样的冲击吸收功处以断裂面面积表示,,其中:k 为冲击韧度,J/cm2;Ak为冲击吸收功,J;A0为试样缺口处面积,cm2。,2.应用意义:(1)反映了材料的冶金质量和各种热加工工艺质量;(2)反映材料对一次或少数次大能量冲击破坏的能力,并评定在此工作条件下材料对缺口的敏感性;(3)评定材料的冷脆性。,(一)冲击韧度,3.局限性:只用来评定中低强度钢的韧性,仅反映材料在一次大能量冲击加载下抵抗变形与断裂的能力。,(二)断裂韧度,1.概念:表征材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。,引入应力场强度因子KI,Y 零件中裂纹的几何形状因子 a裂纹长度名义工作应力,KI值越大,裂纹尖端的应力场越强
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