机械工程材料_第一章_金属材料的性能

第一章材料的性能使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。神舟一号飞船1.1金属的物理性能和化学性能1.1.1金属的物理性能1.1.2金属的化学性能1.1.1金属的物理性能1.密度某种物质单位体积的质量称为该物质的密度。金属的密度即是单位体积金属的质量。密度的表达式如下：(1.1)式中——物质的密度(kg／m3)；m——物质的质量(kg)；v——物质的体积(m3)。1.1.1金属的物理性能密度是金属材料的特性之一。不同金属材料的密度是不同的。在体积相同的情况下，金属材料的密度越大，其质量(重量)也就越大。金属材料的密度，直接关系到由它所制成设备的自重和效能。一般将密度小于5×lO3kg／m3的金属称为轻金属，密度大于5×lO3kg／m3的金属称为重金属。利用密度公式可以计算大型零件的质量，测量金属的密度可以鉴别金属和确定某些金属铸件的致密程度。1.1.1金属的物理性能2.熔点金属和合金从固态向液态转变时的温度称为熔点。金属都有固定的熔点。合金的熔点决定于它的成分，例如钢和生铁虽然都是铁和碳的合金，但由于含碳量不同，熔点也不同。熔点对于金属和合金的冶炼、铸造、焊接是重要的工艺参数。熔点高的金属称为难熔金属(如钨、钼、钒等)，可以用来制造耐高温零件，如在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。熔点低的金属称为易熔金属(如锡、铅等)，可以用来制造印刷铅字(铅与锑的合金)、保险丝(铅、锡、铋、镉的合金)和防火安全阀等零件。1.1.1金属的物理性能3.导热性金属材料传导热量的性能称为导热性。导热性的大小通常用热导率来衡量。热导率的符号是λ，单位是W/(m·K)。热导率越大，金属的导热性越好。金属的导热能力以银为最好，铜、铝次之。合金的导热性比纯金属差。1.1.1金属的物理性能4.导电性金属材料传导电流的性能称为导电性。衡量金属材料导电性能的指标是电阻率ρ，电阻率的单位是Ω·cm，电阻率越小，金属导电性越好。金属导电性以银为最好，铜、铝次之。合金的导电性比纯金属差。导电性好的金属如纯铜、纯铝，适于做导电材料，导电性差的金属如康铜和铁铬铝合金适于做电热元件。1.1.1金属的物理性能5.热膨胀性金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。一般来说，金属受热时膨胀而体积增大，冷却时收缩而体积缩小。热膨胀性的大小用线胀系数αl和体胀系数αV来表示。线胀系数计算公式如下：（1.2）式中——线胀系数(1／K或1／℃)；——膨胀前长度(m)；——膨胀后长度(m)；——温度变化量(K或℃)。1.1.1金属的物理性能6.磁性金属材料在磁场中受到磁化的性能称为磁性。根据金属材料在磁场中受到磁化程度的不同，可分为铁磁性材料(如铁、钴等)、顺磁性材料(如锰、铬等)、抗磁性材料(如铜、锌等)三类。铁磁性材料在外磁场中能强烈地被磁化；顺磁性材料在外磁场中，只能微弱地被磁化；抗磁性材料能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用。工程上实用的强磁性材料是铁磁性材料。铁磁性材料当温度升高到一定数值时，磁畴被破坏，变为顺磁体，这个转变温度称为居里点。如铁的居里点是770℃。1.1.2金属的化学性能1.耐腐蚀性金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力，称为耐腐蚀性。腐蚀作用对金属材料的危害很大。它不仅使金属材料本身受到损伤，严重时还会使金属构件遭到破坏，引起重大的伤亡事故。这种现象在制药、化肥、制酸、制碱等化工部门更应引起足够的重视。因此，提高金属材料的耐腐蚀性能，对于节约金属、延长金属材料的使用寿命，具有现实的经济意义。1.1.2金属的化学性能2.抗氧化性金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。金属材料的氧化随温度升高而加速，例如钢材在铸造、锻造、热处理、焊接等热加工作业时，氧化比较严重。这不仅造成材料过量的损耗，也可形成各种缺陷。为此，常在工件的周围造成一种保护气氛，避免金属材料的氧化。1.1.2金属的化学性能3.化学稳定性化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学稳定性称为热稳定性。在高温条件下工作的设备(如锅炉、加热设备、汽轮机、喷气发动机等)上的部件需要选择热稳定性好的材料来制造。1.2力学性能1.2.1弹性和刚度1.2.2强度和塑性1.2.3冲击韧性1.2.4疲劳1.2.5硬度1.2.6断裂韧性材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。五万吨水压机低碳钢的应力-应变曲线拉伸试样拉伸试验机应力=P/F0应变=(l-l0)/l01.2.1弹性和刚度弹性：指标为弹性极限e，即材料承受最大弹性变形时的应力。刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量E。）（MPatgEe弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。1.2.2强度与塑性强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。条件屈服强度0.2：残余变形量为0.2%时的应力值。抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。s0.2塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。指标为：伸长率：%100001lll%100010FFF断面收缩率：断裂后拉伸试样的颈缩现象说明：①用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。②直径d0相同时，l0，。只有当l0/d0为常数时，塑性值才有可比性。当l0=10d0时，伸长率用表示；当l0=5d0时，伸长率用5表示。显然5③时，无颈缩，为脆性材料表征时，有颈缩，为塑性材料表征1.2.3冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。指标为冲击韧性值ak(通过冲击实验测得)。韧脆转变温度材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。韧体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金属没有。TITANIC建造中的Titanic号TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果Titanic近代船用钢板1.2.4疲劳材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用-1表示。钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。疲劳应力示意图疲劳曲线示意图疲劳断口通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）1.2.5硬度材料抵抗表面局部塑性变形的能力。布氏硬度HB)(2102.022dDDDPHB布氏硬度计压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值,符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。布氏硬度压痕布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。材料的b与HB之间的经验关系：对于低碳钢:b(MPa)≈3.6HB对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB对于铸铁：b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈0.6(HB-40)HB钢黄铜球墨铸铁洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。HRA用于测量高硬度材料,如硬质合金、表淬层和渗碳层。HRB用于测量低硬度材料,如有色金属和退火、正火钢等。HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。缺点：测量结果分散度大。钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕维氏硬度维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。根据载荷范围不同，规定了三种测定方法—维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计1.2.6断裂韧性油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关1943年美国T-2油轮发生断裂北极星导弹裂纹扩展的基本形式应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。IKYa2/1)(ccaCCICaYK23/mMN断裂韧性：材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。C为断裂应力，aC为临界裂纹半长，单位为Y为与试样和裂纹几何尺寸有关的量。若K1大于K1C，构件发生失稳脆断，反之构件安全。若已知断裂韧性和工作应力，则可确定裂纹临近尺寸，若实际尺寸a小于临界尺寸a0，则安全。1.2.9高温机械性能温度升高对力学性能都产生不利影响。温度升高后，弹性模量、屈服点、抗拉强度等都降低，特别是应变硬化指数降低较大。金属长时间在恒温（特别是高温）和恒载作用下，即使应力小于屈服强度，也会产生塑性变形，该现象称为蠕变。该变形导致材料产生的断裂成为蠕变断裂。短时拉伸试验：与常温类似，区别在于该拉伸在加热炉中进行。目的：确定特定温度下的强度和塑性指标。蠕变试验：目的是确定蠕变极限。蠕变极限是高温长时间载荷作用下材料对塑性变形抗力的指标。蠕变极限的表示方法：1、给定温度下,试样产生规定蠕变速度的应力值。2、给定温度T下和在规定时间，试样产生一定蠕变变形量的应力值。高温工作的材料还必须测定其在高温长时间载荷下抵抗断裂的能力，即持久强度（给定温度下，材料经过时间t发生断裂的应力值）。TT/tTt