工程材料材料分类与性能

第1章材料的分类与性能1.1材料的分类1.2工程材料的性能1.1材料的分类金属高分子陶瓷材料有机材料无机材料复合材料Way?工程材料分类What?各类材料的特点金属材料——主要为金属键。热和电的良导体；具有良好的强度与延展性以及金属光泽。陶瓷材料——通常为离子键或共价键。绝缘体，而且比较耐热。高分子材料——通常为共价键、分子键和氢键，以共价键为主。分子结构都非常大；通常密度较低，在高温下不稳定。复合材料——性能的复合。玻璃纤维增强高分子复合材料铸造性可锻性可焊性切削加工性热处理性工程材料的性能使用性能力学性能*物理性能化学性能工艺性能1.2工程材料的性能——表征材料在给定外界条件下的行为。什么是材料的性能？材料在外加载荷（外力或能量）作用下或载荷与环境因素（温度、介质和加载速率）联合作用下表现出来的行为。－－主要是指材料在力的作用下抵抗变形和开裂的性能。力学性能机械设计中应首先考虑材料的力学性能。通俗地讲,力学性能反应在多大和怎样形式的载荷条件下而不致于改变零件几何形状和尺寸的能力。力学性能指标:弹性、刚度、塑性、韧性、强度、硬度、疲劳强度等。工程材料的机械性能――材料在受力时的性质。（也称力学性能）。一、静载单向静拉伸应力―应变曲线拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线拉伸试验机曲线分为四阶段：1．阶段I（oab段）―弹性变形阶段a:Ppb:Pe（不产生永久变形的最大抗力）oa段：△L∝P直线阶段ab段：极微量塑性变形（0.001--0.005%)2．阶段II（bcd段）―屈服变形c:屈服点Ps屈服现象：金属材料开始产生明显塑性变形的标志。拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静载拉伸曲线3．阶段III（dB段）―均匀塑性变形阶段B:Pb材料所能承受的最大载荷4．阶段IV(BK段)―局部集中塑性变形1.低Ｃ钢、正火、退火调质中Ｃ钢，低、中C合金钢、某些Al合金及某些高分子材料具有类似上述曲线。2.铸铁、陶瓷：只有第I阶段3.中、高碳钢：没有第II阶段颈缩拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静载拉伸曲线1.低Ｃ钢、正火、退火调质中Ｃ钢，低、中C合金钢某些Al合金及某些高分子材料具有类似上述曲线。2.铸铁、陶瓷：只有第I阶段3.中、高碳钢：没有第II阶段二、材料的强度(strength)单位：MPa(MN/mm2)公式：σ=P/Fo物理意义:材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。――材料所能承受的极限应力.1．屈服强度σs(yieldstrength)和条件屈服强度σ0.02a:σs=Ps/FoPsσs=(Mpa)F0试样屈服时的载荷(N)试样原始横截面积(mm2)σs：代表材料开始明显塑性变形的抗力,是设计和选材的主要依据之一。b:σ0.2条件屈服强度中高碳钢等无屈服点。国家标准－－以产生一定的微量塑性变形的抗力的极限应力值来表示。脆性材料：σb=σs，如灰口铸铁P0.2σ0.2=(Mpa)F0试样产生0.2%残余塑性变形时的载荷(N)试样原始横截面积(mm2)2．抗拉强度(tensilestrength)σb=Pb/Fo材料被拉断前所承受的最大应力值。Pbσb=(Mpa)F0试样断裂前的最大载荷(N)试样原始横截面积(mm2)σb：代表材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值。3．疲劳强度σ-1(fatiguestrength)疲劳现象：承受载荷的大小和方向随时间作周期性变化。在交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。（80%的断裂由疲劳造成）影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余应力等。1943年美国T-2油轮发生断裂疲劳极限σ-1：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。条件疲劳极限：经受107应力循环而不致断裂的最大应力值。钢材的循环次数一般取N=107有色金属的循环次数一般取N=108钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:σ-1=(0.45～0.55)σb陶瓷、高分子材料－疲劳抗力很低；金属材料－疲劳强度较高；纤维增强复合材料－较好的抗疲劳性能。三、塑性(plasticity)－材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。延伸率与试样尺寸有关，d5,d10(Lo=5do,10do)。1．延伸率（specificelongation）δ2~5%属脆性材科δ≈5~10%属韧性材料δ10%属塑性材料是指试样拉断后的标距伸长量Lk与原始标距L0之比。Lk:试样拉断后最终标距长度。ψ=△F/Fo=(Fo-Fk)/Fox100%ψ越大，塑性愈好ψ5%,脆性材料2.断面收缩率(percentagereductioninarea):－试样拉断处横截面积Ｆk的收缩量与原始横截面积F0之比。F0-Fkψ=×100%F0四、刚度和弹性1．刚度E=σ/ε杨氏弹性模量GPa,MPa本质是：反映了材料内部原子种类及其结合力的大小，组织不敏感的力学指标。2．弹性(elasticity)比例极限：σp=Pp/Fo，应力―应变保持线性关系的极限应力值；弹性极限：σe=Pe/Fo，不产生永久变形的最大抗力。工程上，σp、σe视为同一值，通常也可用σ0.01材料在受力时，抵抗弹性变形的能力材料不产生塑性变形的情况下，所能承受的最大应力五硬度(hardness)－抵抗外物压入的能力，是材料综合性能指标。1．布氏硬度HB(Brinell-hardness)适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻软的轴承合金。布氏硬度计适用范围:＜450HBS;＜650HBW;2．洛氏硬度HR(Rockwllhardness)定义：每0.002mm相当于洛氏1度洛氏硬度常用标尺有：B、C、A三种①HRB轻金属，未淬火钢②HRC较硬，淬硬钢制品③HRA硬、薄试件h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计10HRC≈HBS3．维氏硬度(diamondpenetratorhardness)――科学试验维氏硬度的压力一般可选5，10，20，30，50，100，120kg等，小于10kg的压力可以测定显微组织硬度。适用范围:测量薄板类;HV≈HBS。六、冲击韧性(notchtoughness)－材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:Ak=mgH–mgh(J)冲击韧性值ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。AKak=(J/cm²)S0ak值低－脆性材料：断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状。ak值高－韧性材料：明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽。韧性与温度有关——脆性转变温度TK温度对冲击韧性的影响七、断裂韧性1．问题的提出前面所述的力学性能，都是假定材料内部是完整、连续的，但是实际上，内部不可避免的存在各种缺陷（夹杂、气孔等），由于缺陷的存在，使材料内部不连续。低应力脆断――断裂力学2．应力场强度因子KI裂纹尖端前沿有应力集中产生，形成一个裂纹尖端应力场。表示应力场强度的参数——“应力场强度因子”。I：单位厚度，无限大平板中有一长度2a的穿透裂纹；Y：裂纹形状，加载方式，试样几何尺寸，试验类型有关的系数――几何形状因子；Y=。3．断裂韧性KIC对于一个有裂纹的试样，在拉伸载荷作用下，Y值是一定的，当外力逐渐增大，或裂纹长度逐渐扩展时，应力场强度因子也不断增大，当应力场强度因子KI增大到某一值时:就可使裂纹前沿某一区域的内应力大到足以使材料产生分离，从而导致裂纹突然失稳扩展，即发生脆断。这个应力场强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性，用KIC表示。σy=KIγ=π/2a断裂韧性——KIC它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。当KIKIC时，裂纹失稳扩展，发生脆断。KI＝KIC时，裂纹处于临界状态KIKIC时，裂纹扩展很慢或不扩展，不发生脆断。KIC可通过实验测得，它是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。是材料的一种固有特性，与裂纹本身的大小、形状、外加应力等无关，而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。断裂韧性——KIC4．应用断裂韧性是强度和韧性的综合体现。（1）已知2a、σ，选择一定KIC的材料或根据KIC，制定零件工作是否安全KI≥KIC，失稳扩展。（2）已知2a、KIC，计算承受的最大应力σ。（3）已知σ、KIC，计算不产生脆断所允许的内部宏观裂纹的临界尺寸2a。5Titanic沉没原因Titanic——含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果－－该科学研究回答了80年未解之谜。八、工程材料的其它性能（自学）（一）、热学性能1．热膨胀――原子（或分子）受热后平均振幅增加（1）体积膨胀系数β；（2）线膨胀系数α。结合键越强则原子间作用力越大，原子离开平衡位置所需的能量越高，则膨胀系数越小。2．热传导――自由电子的运动和晶格振动。导热系数λ：单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量。3．热容：材料在温度升高10℃时所吸收的热量叫做热容。1克物质的热容叫比热。材料的热学性能与原子和自由电子的能量交换密切相关。（二）、电磁学性能1、导电性电阻率：ρ电导率：1/ρ超导体：ρ——0导体：ρ=10-8－10-5半导体：ρ=10-5－107绝缘体：ρ=107－10222、磁性R＝ρL／S（1．物质接磁性分类：（2．磁化率磁化强度M＝X·HX：磁化率（或磁化系数）（3．导磁率B＝μ·H（μ：介质导磁率）（4．磁弹回线和矫顽力抗磁性物质顺磁性物质铁磁性物质（三）、比重和熔点1．比重2．熔点（四）、耐磨性能*（五）、抗蚀性能**实际上很重要。（六）、加工性能（可加工性）1.铸造性能（流动性、收缩、偏析倾向）铸造铝、铜合金铸铁（灰口）铸钢（共晶点附近最好）2.锻造性能（塑性、变形抗力）低碳钢中碳钢（低合金钢）高碳钢（高合金钢）铸铁不可锻压3.焊接性能（可焊性、焊后开裂的倾向、焊区硬度）低碳钢中碳钢（低合金钢）高碳钢（高合金钢）铜、铝合金4.切削性能（切削难易程度、加工表面质量）5.热处理工艺性能（热处理难易程度及产生缺陷的倾向）淬透性、变形和开裂、过热敏感性、回火脆化和氧化脱碳等CH1作业1.什么是机械工程材料?试举几种常见工程材料并简述其应用。2.围绕材料与工程的核心关系是什么？3.名词解释：强度、硬度、刚度、弹性模量、塑性、冲击韧性、屈服极限、条件屈服强度、疲劳极限。4.什么是屈服现象？它的物理意义是什么？为什么有的材料还要规定条件屈服强度？5.何为断裂韧性？请简述如何根据材料的断裂韧性、零件工作应力以及零件中裂纹的长度来判断零构件发生低应力脆断的可能性。6.疲劳断裂和低应力脆断有何异同？重点掌握各种机械性能指标（强度,塑性；冲击韧性；硬度HB，HRC，HV；疲劳强度，断裂韧性。）的物理意义和单位。一般要求材料的工艺性能及物理化学性能。