工程材料的主要性能PPT課件

單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,第,1,章 工程材料的主要性能,分類：工程材料種類繁多，常見分類方法,按成分分類,金屬材料,復(fù)合材料,陶瓷材料,高分子材料,本章重點(diǎn)內(nèi)容,學(xué)習(xí)目的,通過本章的學(xué)習(xí)，,掌握,材料常用的力學(xué)性能指標(biāo)及力學(xué)性能指標(biāo)在選材中的應(yīng)用,1.,常用的力學(xué)性,能指標(biāo),2.,力學(xué)性能指標(biāo),在選材中的意義,思考：,材料的性能有哪些？,材料的性能是由什么決定的？,如何衡量這些性能？,不同服役條件下應(yīng)具備哪些性能？,第,1,節(jié) 材料的性能,使用性能,材料,的性能,工藝性能,力學(xué)性能,物理性能,化學(xué)性能,鑄造性,可鍛性,可焊性,切削加工性,熱處理性,材料的性能有哪些？,材料的性能包含,使用性能,和,工藝性能,使用性能,：是指材料在服役條件下，為保證安全可靠地工作，材料所必須具備的性能如：力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能工程材料使用性能的好壞，決定了它的使用壽命和應(yīng)用范圍。

工藝性能,：是指制造工藝過程中材料適應(yīng)某種成形加工的性能如：鑄造性、鍛造性、焊接性、切削加工性、熱處理工藝性工程材料工藝性能好壞，直接影響零件或構(gòu)件的制造方法和制造成本1.1.1,材料的力學(xué)性能,力學(xué)性能：,是指金屬材料在外力作用時(shí)表現(xiàn)出來的性能外力形式：拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等載荷形式：靜載荷、沖擊載荷、交變載荷等,一、低碳鋼常溫靜載拉伸實(shí)驗(yàn),標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣：,長試樣,L,0,=10,d,0,短試樣,L,0,=5,d,0,應(yīng)力,(,),：單位橫截面積的內(nèi)力,1.,拉伸曲線分析,oe,彈性變形階段,csd,屈服階段,db,強(qiáng)化階段,bk,縮頸階段,k,試樣斷裂,1.,拉伸曲線分析,彈性變形階段,e,點(diǎn)以前產(chǎn)生的變形是可以恢復(fù)的彈性變形，,e,點(diǎn)對應(yīng)了彈性變形階段的極限值，稱為彈性極限，以,e,表示（單位為,Mpa,）oe,段近似為一直線，直線的斜率代表彈性模量,E,，彈性模量,E,是衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)E,愈大，使其產(chǎn)生一定量彈性變形的應(yīng)力也應(yīng)愈大彈性模量的大小主要取決于金屬的本性（晶格類型和原子結(jié)構(gòu)），而與金屬的顯微組織無關(guān)工程上稱為材料的,剛度，表示材料彈性變形抗力的大小。

1.,拉伸曲線分析,屈服階段,圖形上出現(xiàn)平臺(tái)，即載荷無明顯增加，試樣繼續(xù)伸長，材料喪失了抵抗變形的能力，這種現(xiàn)象叫屈服當(dāng)應(yīng)力超過,e,時(shí)，試樣開始出現(xiàn)塑性變形s,為屈服階段的最小應(yīng)力，稱為,屈服強(qiáng)度（屈服點(diǎn)）,式中,F,s,屈服時(shí)的最小載荷（,N,）；,S,0,試樣原始截面積（,mm,2,）,其含義是：當(dāng),=s,時(shí)，認(rèn)為材料開始產(chǎn)生塑性變形；當(dāng),=b,時(shí)，材料將會(huì)斷裂，當(dāng),b,時(shí)，材料不會(huì)斷裂1.,拉伸曲線分析,縮頸階段,當(dāng)應(yīng)力達(dá)到,b,時(shí)，試樣就在某個(gè)薄弱部位形成縮頸由于試樣局部截面的逐漸減小，故應(yīng)力也逐漸降低，當(dāng)達(dá)到曲線上的,k,點(diǎn)時(shí)，試樣發(fā)生斷裂2.,強(qiáng)度指標(biāo),強(qiáng)度,是指材料在靜載荷作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力其中抵抗塑性變形的能力，用屈服強(qiáng)度,s,表示，無明顯屈服階段，可用規(guī)定殘余伸長應(yīng)力,0.2,表示；抵抗斷裂的能力，用抗拉強(qiáng)度,b,表示s,與,b,的比值叫做,屈強(qiáng)比,，屈強(qiáng)比愈小，工程構(gòu)件的可靠性愈高，屈強(qiáng)比太小，則材料強(qiáng)度的有效利用率太低，一般取值在,0.65,0.75,斷面收縮率,塑性,是指材料斷裂前發(fā)生最大變形的能力3.,塑性指標(biāo),斷后伸長率,式中,L,0,，,L,1,分別為試樣原始標(biāo)距和被拉斷后的標(biāo)距（,mm,）。

式中,S,0,，,S,1,分別為試樣原始截面積和斷裂后縮頸處的最小截面積（,mm,2,）塑性對材料的意義,a.,提高安全性：塑性好的材料，在受力過大時(shí)，首先產(chǎn)生塑性變形而不突然斷裂，因此比較安全b.,便于壓力加工成型：塑性好的材料可以發(fā)生大量塑性變形而不破壞，易于通過塑性變形加工成形狀復(fù)雜的零件加工硬化：,材料經(jīng)過加工產(chǎn)生塑性變形后，強(qiáng)度、硬度上升，而韌性、塑性下降的現(xiàn)象4.,加工硬化,二、硬度實(shí)驗(yàn),材料抵抗另一硬物體壓入其內(nèi)的能力叫,硬度,，即受壓時(shí)抵抗局部塑性變形的能力硬度測量能夠給出金屬材料軟硬程度的數(shù)量概念硬度試驗(yàn)簡單易行，又無損于零件，而且可以近似的推算出材料的其他機(jī)械性能，因此在生產(chǎn)和科研中應(yīng)用廣泛硬度試驗(yàn)方法很多，機(jī)械工業(yè)普遍采用壓入法來測定硬度，壓入法又分為,布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度,等1.,布氏硬度,實(shí)驗(yàn)過程,一定直徑的球體,(,鋼球或硬質(zhì)合金球,),在一定載荷作用下壓入試樣表面，保持一定時(shí)間后卸除載荷，測量其壓痕直徑,計(jì)算硬度值布氏硬度值用球面壓痕單位表面積上所承受的平均壓力來表示用符號(hào),HBS(,當(dāng)用鋼球壓頭時(shí),),或,HBW(,當(dāng)用硬質(zhì)合金球時(shí),),來表示HBS,（,HBW,）,=F/A=2F/DD-(D2-d2)1/2,1.,布氏硬度,布氏硬度表示方法,標(biāo)注：如,120HBS10/1000/10,，即表示用直徑,D,=10mm,的淬火鋼球壓頭在,1000kgf(9.8KN),的試驗(yàn)載荷作用下，保持,10,秒所測得布氏硬度值為,120,。

HBS,只可用來測定硬度值小于,450,的金屬材料500HBW5/750,表示用直徑,D,=5mm,的硬質(zhì)合金球壓頭在,750kgf(7.35KN),的試驗(yàn)載荷作用下，保持,10-15,秒,(,不標(biāo)注,),所測得布氏硬度值為,500,HBW,可用來測定硬度值,450-650,的金屬材料1.,布氏硬度,布氏硬度特點(diǎn),布氏硬度試驗(yàn)的壓痕較大，測量數(shù)值穩(wěn)定，準(zhǔn)確，能很好的反應(yīng)材料的硬度；但操作時(shí)間較長，對不同材料需要不同的壓頭和試驗(yàn)力，壓痕直徑測量費(fèi)時(shí)，因此不適用批量生產(chǎn)、成品及薄件；在進(jìn)行高硬度材料試驗(yàn)時(shí)，由于球體本身的變形會(huì)使測量結(jié)果不準(zhǔn)確，因此，用淬火鋼球壓頭測量時(shí)，材料硬度值必須小于,450,；用硬質(zhì)合金球壓頭時(shí)，材料硬度值必須小于,650,布氏硬度應(yīng)用,布氏硬度測定主要適用于各種未經(jīng)淬火的鋼、退火、正火狀態(tài)的鋼；結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)件；鑄鐵、有色金屬、質(zhì)地輕軟的軸承合金等原材料2.,洛氏硬度,實(shí)驗(yàn)過程,將金剛石壓頭,(,或鋼球壓頭,),在先后施加兩個(gè)載荷,(,預(yù)載荷,F,0,和主載荷,F,1,),的作用下壓入金屬表面總載荷,F,為預(yù)載荷,F,0,和主載荷,F,1,之和卸去主載荷,F,1,后,測量其殘余壓入深度,h,用,h,與,h,0,之差,h,來計(jì)算洛氏硬度值。

預(yù)加載荷的目的是使壓頭與試樣表面接觸良好,以保證測量結(jié)果準(zhǔn)確硬度值的大小直接由硬度計(jì)表盤上讀出布氏硬度表示方法,2.,洛氏硬度,標(biāo)注：如,40-45HRC,常見洛氏硬度標(biāo)尺的實(shí)驗(yàn)條件及應(yīng)用,硬度符號(hào),壓頭,總載荷,（,kgf,）,表盤上刻度顏色,常用硬度值范圍,使用范圍,HRA,金鋼石圓錐,60,黑,色,2085,碳化物、硬質(zhì)合金、表面淬火層等,HRB,1.5875mm,鋼球,100,紅,色,25100,有色金屬、退火及正火鋼等,HRC,金鋼石圓錐,150,黑,色,2067,調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等,2.,洛氏硬度,洛氏硬度特點(diǎn),操作簡便迅速，能直接從刻度盤上讀出硬度值；壓痕小，可以測定成品及較薄零件；測試的硬度值范圍大，從很軟到很硬的金屬材料均可測量缺點(diǎn)是：壓痕小，測量數(shù)值代表性差，通常需要在不同部位測試數(shù)次，取平均值3.,維氏硬度,實(shí)驗(yàn)過程,是用一種頂角為,136,的正四棱錐體,金鋼壓頭,，在,載荷,F,(kgf),作用下，試樣表面壓出一個(gè),四方錐形壓痕,，測量壓痕,對角線長度,d,(mm),供以計(jì)算試樣的硬度值根據(jù),d,值查表即可得到,硬度值,為了從軟到硬的各種金屬材料有一個(gè)連續(xù)一致的硬度標(biāo)度，因而制定了維氏硬度試驗(yàn)法。

3.,維氏硬度,維氏硬度表示方法,維氏硬度用符號(hào),HV,表示，,HV,前面為硬度值，,HV,后面的數(shù)字按試驗(yàn)載荷、試驗(yàn)載荷保持時(shí)間,(10,15s,不標(biāo)注,),的順序表示試驗(yàn)條件例如：,640HV30,表示用,294.2N(30kgf),的試驗(yàn)載荷，保持,10,15s,(,不標(biāo)出,),測定的,維氏硬度值為,640,；,640HV30/20,表示用,294.2N(30kgf),的試驗(yàn)載荷,，,保持,20s,測定的,維氏硬度值為,640,維氏硬度應(yīng)用,維氏硬度試驗(yàn)主要用來測定金屬鍍層、薄片金屬以及化學(xué)熱處理,(,如氮化、滲碳等,),后的表面硬度三、夏比沖擊實(shí)驗(yàn),材料斷裂前吸收變形能量的能力韌性,沖擊韌性,沖擊載荷下材料抵抗變形和斷裂的能力三、夏比沖擊實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)過程,A,k,=,m,g(,h,1,-,h,2,),單位為焦耳,沖擊吸收功,A,k,沖擊韌度,a,k,ak=,沖擊破壞所消耗的功,Ak/,標(biāo)準(zhǔn)試樣斷口截面積,F,單位為焦耳,/,厘米,（,J/cm,）,三、夏比沖擊實(shí)驗(yàn),a,k,值低的材料叫做脆性材料，斷裂時(shí)無明顯變形；,a,k,值高，明顯塑變，斷口呈灰色纖維狀，無光澤，韌性材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度,沖擊吸收功急劇 變化或斷口韌性急劇轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)域。

四、疲勞強(qiáng)度,機(jī)械零件的斷裂,80%,由疲勞造成承受周期性循環(huán)應(yīng)力或交變應(yīng)力作用應(yīng)力往往遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限甚至屈服極限突然斷裂疲勞斷裂過程：疲勞裂紋萌生、疲勞裂紋擴(kuò)展、斷裂三個(gè)階段四、疲勞強(qiáng)度,疲勞強(qiáng)度,影響因素,循環(huán)應(yīng)力特征、溫度、材料成分和組織、夾雜物、表面狀態(tài)、殘余應(yīng)力等材料經(jīng)無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最高應(yīng)力值循環(huán)基數(shù)：鋼鐵材料,10,7,；非鐵金屬,10,8,；腐蝕介質(zhì)作用下,10,6,陶瓷、高分子材料的疲勞抗力很低，金屬材料疲勞強(qiáng)度較高，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也有較好的抗疲勞性能1.1.2,材料的物理、化學(xué)性能,材料的物理性能,密度,熔點(diǎn),導(dǎo)熱性,導(dǎo)電性,熱膨脹性,磁性,1.1.2,材料的物理、化學(xué)性能,材料的化學(xué)性能,金屬材料與周圍介質(zhì)接觸時(shí)抵抗發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)的性能1),耐腐蝕性,指金屬材料抵抗各種介質(zhì)侵蝕的能力2),抗氧化性,指金屬材料在高溫下，抵抗產(chǎn)生氧化皮的能力耐腐蝕性材料如：不銹鋼、塑料、陶瓷、鈦及其合金等等如：耐熱鋼、鉻鎳合金、鐵鉻合金等1.2,材料的工藝性能,工藝性能,是指材料適應(yīng)加工工藝要求的能力鑄造性能,鍛造性能,焊接性能,切削加工性能,熱處理工藝性能,。