材料性能及检测

材料性能与检测CompanyLogo力学性能：弹性、塑性、硬度、韧度、强度耐环境性能：耐腐蚀性、老化、抗辐照性性能划分物理性能：热学、磁学、电学、光学四、材料性能的划分4力学性能：材料在外加载荷作用下或载荷与环境联合作用下所表现的行为—变形和断裂。即材料抵抗外载引起变形和断裂的能力。力学性能力学性能表征材料软硬程度变形能力弹性、塑性材料脆性硬度韧性材料抵抗外力能力强度56五、材料性能的四个方面宏观表征：表征材料性能的参数，如强度、硬度微观本质：材料的性能是材料内部结构因素在一定外界作用下的综合反映影响因素：内因（材料结构），外因（温度等）性能测试：测试原理、设备、方法第一节金属材料的机械性能定义：金属材料的机械性能又称为力学性能，表示材料承受外力作用的能力。金属材料的机械性能实验有：拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切、硬度、疲劳和冲击等，通过这些实验可以测出相应的机械性能指标，最常见的是拉伸实验、硬度实验和冲击实验。机械性能指标包括四大项：强度、硬度、塑性和韧性。性能指标：定义、符号、单位、数值含义。一、强度力学拉伸试验：图中d0和l0分别为试样在拉伸前的计算直径和计算长度，d和l分别为试样在拉断后的断口直径和计算长度。图1-1标准拉伸试样示意图kbb—极限载荷点力学拉伸试验0ll0dFee—弹性极限点sS—屈服点K—断裂点拉伸曲线dl应力—应变曲线0SF0ll缩颈sFeFbFoFFL3、屈服强度（屈服极限）概念：材料抵抗应力作用下，开始发生明显塑性变形，拉力不增加，应力增加，产生屈服现象的最小应力值称为屈服强度。单位：MPa（N/mm2）;表示符号：σs当材料单位面积上所受的应力σeσσs时，只产生微量的塑性变形。当σσs时，材料将产生明显的塑性变形。它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。屈服强度——是塑性材料选材和评定的依据。**条件屈服强度概念：实际上，某些材料（铸铁、铸铝等）在做拉伸曲线时和低碳钢不一样，并没有明显的屈服现象(低碳钢和铸铁的应力——应变曲线比较)。为此人为的专门规定，把当试样产生的残余塑性变形量为标距长度的0.2%时所对应的应力值(σ0.2)定为该材料的屈服强度（条件屈服强度）。单位：MPa(N/mm2);表示符号：σ0.2实际意义：一些工程零件(如紧固螺栓)在使用时是不允许发生塑性变形的，因此屈服强度是工程设计与选材的重要依据之一。低碳钢和铸铁的应力——应变曲线比较疲劳极限获得方法：通过旋转弯曲试验方法3、条件疲劳极限对于钢铁材料，取N=107的循环周次所对应的最大应力为它的σ-1。对于大多数非铁金属及其合金的疲劳曲线上没有水平直线部分。如图曲线2所示这种情况要根据零件的工作条件及使用寿命确定一个疲劳极限的循环周次，并以此所对应的应力σN作为疲劳极限，亦称条件疲劳极限。一般规定：铸铁取N=107，非铁金属取N=108金属的疲劳曲线二、塑性（一）布什硬度如图所示：布氏硬度测试原理图三、硬度概念：硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，是衡量金属软硬的判据。常用方法：通常用布氏硬度、洛氏硬度、李氏硬度、肖氏硬度、维氏硬度等来表示材料的硬度。布氏硬度计布什硬度的表示方法硬度值的标注方法如下：硬度值硬度代号压头直径D/载荷P/保荷时间T如：150HBS10/3000/30表示用直径10mm的淬火钢球压头，在3000kgf载荷作用下保荷时间为30秒所测得的布氏硬度值为150。（二）洛氏硬度如图所示为洛氏硬度测试原理图。HR=K-e/0.002式中：HR为洛氏硬度代号；K为常数，当采用金刚石圆锥压头时K=100，用淬钢球压头时K=130。洛氏硬度计洛氏硬度的表示方法硬度值硬度代号如：60HRC金刚石圆锥压头载荷为150kgf所测得的硬度值为60。洛氏硬度值没有单位，硬度值越大材料硬度越高，材料的耐磨性越好。（三）布氏硬度与洛氏硬度的比较与选用共同点与不同点布什硬度和洛氏硬度特点比较：1、测定准确性布什大于洛氏2、测量范围洛什大于布氏3、测量效率洛什大于布氏4、应用对象布什硬度：主要用于原材料、毛坯和半成品的硬度的单件、小批测量。不适合于测量厚度太小和成品零件的硬度。洛氏硬度：不仅可以用于测量原材料、毛坯和半成品的硬度，也可以用于测量成品的硬度，不仅可以用于单件、小批测量，也可以用于大批量测量。四、冲击韧度概念：冲击韧度表示材料抵抗冲击载荷作用的能力，并以冲断试样每单位面积所消耗的功来表示。冲击韧度值αk愈大，材料韧性愈好，抵抗冲击载荷作用的能力愈强。αk=Ak/F=G(H-h)/F(J/m²)式中：αk—冲击韧度值；Ak—冲击吸收功；G—实验机摆锤质量；H—摆锤原始高度；h—冲断试样后摆锤的终止摆动高度F—试样断口处的横截面积。一、物理性能金属材料的物理性能主要是指其密度、熔点、导电性、导热性及热胀冷缩性等。1、导热性金属的导热性常用导热系数λ（W/(m*K)）来评价，λ值愈大，导热性愈好。材料的导热性对加工和使用都有很大的影响。2、热胀冷缩性材料的热胀冷缩性用线膨胀系数α（1/℃）或体积膨胀系数来评价。线膨胀系数或体积膨胀系数愈大，材料的尺寸或体积随温度升高而增大愈多，随温度降低而减少愈多，不仅对零件的使用有很大影响，而且影响零件的加工。第二节金属的物理性能和化学性能二、化学性能化学性能是指金属在室温或者高温抵抗各种介质化学作用的能力，即化学稳定性。主要化学性能有抗氧化性和抗腐蚀性。1.抗氧化性材料在使用过程中，尤其是在高温下使用要考虑材料的抗氧化性。2.抗腐蚀性腐蚀也是零件失效的一个主要原因，根据零件的工作环境的不同，要考虑材料耐不同介质腐蚀的能力。无机非金属材料CompanyLogo应力与应变当材料受到外力作用，它所处的条件又不能产生惯性移动时，其几何形状和尺寸会发生变化，这种变化就称为应变，亦可称为形变。定义单位面积上的附加内力为应力。631.1.2弹性模量单位应变所需应力的大小，是材料刚性的表征。模量的倒数称为柔量，是材料容易形变程度的一种表征。拉伸模量（杨氏模量）E：剪切模量（刚性模量）G：压缩模量（本体模量）K：EGVPK64泊松比材料在拉伸时，不仅有轴向伸长，同时有横向收缩。横向应变对轴向应变之比称为泊松比，以ν表示00llmm轴向应变横向应变可以证明没有体积变化时，υ＝0.5，橡胶拉伸时就是这种情况。其他材料拉伸时，υ0.5.65υ与E和G之间有如下关系式：E=2G(1+υ)因为0υ≤0.5，所以2GE≤3G。也就是说EG，即拉伸比剪切困难.这是因为在拉伸时高分子链要断键，需要较大的力；剪切时是层间错动，较容易实现。661.3高分子材料的拉伸行为哑铃状试件L0=5.65A01/2或11.3A01/267y-屈服点e-弹性极限点冷拉σε应变软化应变硬化ebyebyp-比例极限ppb-断裂点p-比例极限1.3.1线型非晶态高聚物的应力-应变曲线68拉伸过程高分子链的三种运动情况：▲弹性形变（开始～e点）▲强迫高弹形变▲塑性变形ey（屈服点）69动画引自九江学院杜大明《材料科学基础》ppt弹性变形与塑性变形70弹性变形材料产生弹性变形的本质是构成材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反映。橡胶类材料则是呈卷曲状的分子链在力的作用下通过链段运动沿受力方向产生的伸展。VTVTlSlUf,,材料在等温、等容条件下发生弹性回复的驱动力由内能变化和熵变两部分组成。71弹性变形的特点1)可逆性：去掉外力后变形消失弹性变形都是可逆变形2).金属、陶瓷或结晶态高聚物：应力-应变线性关系，弹性变形量都较小3).橡胶态的高聚物：应力-应变不呈线性关系，且变形量较大72弹性变形的力学性能指标（1）弹性模量：是单位应变所需应力的大小，物理意义是产生100%弹性变形所需的应力。（2）比例极限σp：是保持应力与应变成正比关系的最大应力，即在应力-应变曲线上刚开始偏离直线时的应力0AFpp（3）弹性极限σe：是材料发生可逆的弹性变形的上限应力值，应力超过此值，则材料发生塑性变形。0AFee73（4）弹性比功：是材料开始塑性变形前单位体积所能吸收的弹性变形功，又称弹性比能或应变比能，用αe表示，它在数值上等于应力-应变曲线弹性段以下所包围的面积eeeoEaeeee2212提高弹性比功的方法：提高σe降低E（提高弹性极限应变εe）橡胶低E和高弹性应变—高弹性比功74非理想弹性理想弹性行为：E（1）.应变-应力线性（2）.应力和应变同相位（3）.应变是应力的单值函数高分子材料的非理想弹性行为：滞弹性、粘弹性、内耗75（1）滞弹性材料在快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能，又称弹性后效。弹簧薄膜传感器动画引自九江学院杜大明《材料科学基础》ppt非理想弹性变形76滞弹性示意图ABabcedOH正弹性后效加载时应变落后于应力反弹性后效卸载时应变落后于应力77定义：材料在外力作用下弹性和粘性两种变形机理同时存在的一种力学行为粘性：液体或溶体内质点间或流层间因相对运动而产生的内摩擦力以反抗相对运动的性质。（2）粘弹性特征：应变对应力的响应不是瞬时完成的，需要通过一个驰豫过程，卸载不留残余变形；应力和应变的关系与时间有关。78（3）内耗理想弹性行为7911εσ011ACDBE橡胶拉伸和回缩的应力-应变曲线内耗也称为材料循环韧性，表示材料在交变载荷下吸收不可逆变形供的能力，又称消振性80塑性变形是微观结构的相邻部分产生永久性位移，而不引起材料断裂的现象。塑性变形是一种不可逆变形.塑性变形主要是由于切应力引起的。材料塑性变形过程中仍然保留着弹性变形，所以整个变形过程是弹性加塑性变形过程，可称为弹塑性变形。81高分子材料的塑性变形结晶态高分子材料:塑变机制：塑性变形是由薄晶转变为沿应力方向排列的微纤维束的过程82非晶态高分子材料：