01 材料性能-(《工程材料》机械专业)

第1章材料的性能材料的性能使用性能材料制成零件或构件后，为保证其正常工作和一定的工作寿命所必须具备的性能。工艺性能材料在冷、热加工过程中，为保证加工过程的顺利进行材料所必须具备的性能。力学性能物理性能化学性能铸造性能锻造性能焊接性能热处理性能切削加工性能1.1力学性能力学性能：指材料抵抗各种外加载荷的能力，其中包括弹性、刚度、强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。拉伸试验机拉伸试样(GBT228-2002)1.1力学性能——低碳钢拉伸曲线pesbkσε应力：单位面积上试样承受的载荷，σ=F/Ao(MPa)；应变：单位长度的伸长量，ε=Δl/l0o弹性：金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能；弹性变形：随载荷撤除而消失的变形；σe弹性极限：σe=Fe/Ao塑性：材料在外力作用下，产生永久变形而不破坏的性能；塑性变形：不随外力去除而消失的变形；屈服：外力不增加而试样继续发生变形的现象；抗拉强度：σb=Fb/Ao试样在断裂前所能承受的最大应力σsσb屈服强度：σs=Fs/Ao比例弹性变形非比例弹性变形颈缩1.1力学性能——低碳钢拉伸曲线弹性模量E：材料在弹性范围内，应力与应变的比值，E=σ/ε，E标志材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度；名义屈服强度σ0.2：σεo0.2%abσ0.2延伸率δ：试样拉断后的标距伸长量Δl与原始标距l0之比；断面收缩率ψ：是指试样拉断处横截面积的收缩量ΔA与原始横截面积A0之比。1.1力学性能——低碳钢拉伸曲线新、旧国家标准性能名称和符号对照表：性能名称新标准旧标准单位屈服强度—σsN/mm2上屈服强度ReHσsUN/mm2下屈服强度ReLσsLN/mm2规定非比例延伸强度（条件屈服强度）Rp0.2σp0.2N/mm2抗拉强度RmσbN/mm2断后伸长率AA11.3δ5δ10%%断面收缩率Zψ%1.1力学性能——低碳钢拉伸曲线硬度是指材料对局部塑性变形的抗力；常用的硬度测量方法是压入法；1.1力学性能——硬度种类布氏硬度HB，Brinellhardness洛氏硬度HR，Rockwellhardness维氏硬度HV，Vickershardness1.1力学性能——硬度布氏硬度值是外力除以压痕球冠表面积；在实际操作中，不需计算，用刻度放大镜测出压坑直径d，然后查表。1.1力学性能——硬度——布氏硬度淬火钢球：用以测定硬度450的金属材料，硬度值用HBS表示；硬质合金球：用以测定硬度在450～650之间的材料，其硬度值用HBW表示；布氏硬度压痕如：120HBS表示用淬火钢球测得的布氏硬度值为120；优缺点：较高的测量精度，反映材料的平均性能，与σ0.2有存在一定的经验关系；不能测定高硬度材料。1.1力学性能——硬度——布氏硬度以顶角为120°的金刚石圆锥压入试样表面；先加初载荷，然后加主载荷；压入试样表面之后，去除主载荷；保留初载荷的情况下，根据试样表面压痕深度(h=h3-h1)确定被测材料的洛氏硬度。1.1力学性能——硬度——洛氏硬度常用标尺：HRC；压头类型：120°金刚石圆锥体；应用：一般淬火钢件。洛氏硬度压痕优点：操作迅速、简便，可由表盘上直接读出硬度值，可测较薄工件；缺点：精度较差，硬度值波动较大。1.1力学性能——硬度——洛氏硬度与布氏法相似；金刚石四棱锥体；正方形压痕；根据对角线平均长度查表，获得硬度值。优点：可用同一标尺测定从极软到极硬的材料，可测较薄材料和各种表面渗层，且准确度高；缺点：需测量压痕对角线长度，测试手续相对较繁。1.1力学性能——硬度——维氏硬度冲击韧性：材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力。国家标准测试方法：GB/T229-1994金属夏比缺口冲击试验方法；冲击韧度aK：冲断时，在试样横截面的单位面积上所消耗的功称为冲击韧性值，aK=Ak/S由于冲击试验采用的是标准试样，目前一般用冲击功AK表示冲击韧性值。1.1力学性能——韧性TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关建造中的Titanic号Titanic近代船用钢板1.1力学性能——韧性1842年5月10日，法国国王在凡尔赛宫举行庆典，人们乘火车回城途中，机车车轴断裂，数十人丧生；疲劳“晶化理论”；20世纪50年代世界上第一批喷气客机“彗星号”连续失事；1954年1月10日，英国海外航空公司“彗星”1号客机机身突然在空中破碎，坠入地中海；不到1年的时间里，有3架以完全相同的方式在空中解体；彗星客机总共生产114架，有13架发生事故而损坏。彗星号1.1力学性能——疲劳疲劳：在交变应力(随时间做周期性变化的应力)作用下，零件所承受的应力虽然低于屈服强度，但经过较长时间的工作会产生裂纹或突然断裂；疲劳强度：当应力低于一定值时，试样可经受无限个周期循环而不破坏，此应力值称为材料的疲劳强度；N1N2N3N4Nσ2σ3σ1σσ4黑色金属：107周次；有色金属、不锈钢：108周次。1.1力学性能——疲劳1.2物理和化学性能——物理性能1.密度——单位体积的物质的质量；比强度：强度σb与密度ρ之比；2.熔点——材料的熔化温度；陶瓷金属、合金；高分子材料没有固定的熔点；低熔点合金耐高温难熔材料3.导热性——材料传导热量的性能；金属及合金的导热系数远高于非金属材料；阿基米德法：ρ=Wa·ρflWa－Wfl4.导电性——材料传导电流的能力；IACS=InternationalAnnealedCopperStandard国际退火铜标准；金属及其合金具有良好的导电性：银铜铝铁；高分子材料大多是绝缘体，高分子复合材料也有良好的导电性；陶瓷材料是绝缘体、半导体；5.热膨胀性——材料随着温度变化而膨胀收缩的特性；陶瓷金属高分子6.磁性——材料导磁的性能；软磁材料：易磁化、导磁性好，外磁场去除后，磁性基本消失；永磁材料：经磁化后，保持磁场，磁性不易消失；铁、镍、钴铝、铜、铅、不锈钢居里点：磁性材料当温度升高到一定值时，磁性消失；铁-770℃1.2物理和化学性能——物理性能1.耐腐蚀性：是指材料抵抗各种介质侵蚀的能力；非金属材料金属材料2.抗氧化性：材料在加热时抵抗氧化作用的能力；3.化学稳定性：是材料耐腐蚀性和抗氧化性的总称；金属及合金的抗氧化机理：氧化膜热稳定性：高温下的化学稳定性。1.2物理和化学性能——化学性能1.3工艺性能——铸造性能铸造：金属材料的液态成型工艺。将熔融金属浇注、压射或吸入铸型型腔，凝固后使之成为具有一定形状和性能的铸件；流动性、收缩性、偏析。是否易于进行压力加工；取决于材料的塑性和变形抗力；纯铜、碳钢、铸铁。1.3工艺性能——锻造性能焊接性能：两块材料在局部加热至熔融状态下能牢固地焊接在一起的能力；低碳钢具有良好的焊接性，而高碳钢、铸铁的焊接性不好。1.3工艺性能——焊接性能热处理：就是通过加热、保温、冷却的方法使材料在固态下的组织结构发生改变，从而获得所要求的性能的一种加工工艺；淬火、回火、退火、正火、表面热处理。1.3工艺性能——热处理性能淬火quenching：将钢或合金加热，以获得相应的高温相，然后快速冷却，获得低温亚稳相的热处理工艺；回火tempering：淬硬钢加热到临界点A1以下预定的温度的热处理。通过松弛淬火应力和使组织向稳定状态过度，改善材料延性和韧性，使钢获得一定的力学性能和稳定的几何尺寸；1.3工艺性能——热处理性能退火annealing：软化材料的热处理，将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却(随炉冷却)，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺；正火normalizing：工件奥氏体化后，保温一定时间然后在空气中或保护气氛中冷却转变成接近平衡状态的一种热处理工艺；表面热处理：表面淬火及化学热处理。1.3工艺性能——热处理性能材料接受切削加工的难易程度；材料具有适当的硬度和足够脆性时较易切削；灰铸铁钢，碳钢高合金钢。1.3工艺性能——切削加工性能作业题见公共邮箱：TheEnd