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1、材料性能测试材料性能测试技术 Performance Testing of Materials 主讲教师:主讲教师: 李爱香李爱香 1 上次课的主要内容上次课的主要内容 第一章第一章 材料的力学性能材料的力学性能 1.7 1.7 材料的冲击韧性和低温脆性材料的冲击韧性和低温脆性 1.8 1.8 材料的疲劳性能材料的疲劳性能 2 本次课的主要内容本次课的主要内容 第一章第一章 材料的力学性能材料的力学性能 1.9 1.9 材料的磨损性能材料的磨损性能 1.10 1.10 材料的高温力学性能材料的高温力学性能 3 重点重点: 磨损过程,高温蠕变磨损过程,高温蠕变 难点:难点: 高温蠕变曲线高温蠕变
2、曲线 本次课的重点、难点本次课的重点、难点 4 材材 料料 的的 力力 学学 性性 能能 拉伸拉伸 弯曲弯曲 压缩压缩 扭转扭转 硬度硬度 冲击冲击 疲劳疲劳 磨损磨损 高温力学性能高温力学性能 静载荷静载荷 动载荷动载荷 高温高温 5 1.9 材料的磨损性能 磨损的基本概念与类型 磨损过程 耐磨性及其测量方法 提高材料磨损性能的途径 6 一、磨损的基本概念与类型 (1)摩擦 摩擦是接触物体间的一种阻碍运动的现象,这种阻 力为摩擦力。它同接触法向压力(p)和摩擦系数 成正比。 1、摩擦与磨损的概念 有动静区分,静动。 7 8 9 10 11 坏处:使材料磨耗,发热,导致接触表 面瞬时温度,工件
3、的机械效率,材料 磨耗,故生产中总是力图减少摩擦,降 低摩擦系数。 好处:某些情况需增大摩擦力, 车辆制动器、摩擦离合器等。 12 (2)磨损 磨损是在摩擦作用下物体相对运动时,表面逐渐分 离出磨屑从而不断损伤的现象。磨屑的形成是材料 发生变形和断裂的结果。 动态特征 l变形与断裂发生在材料表面的局部,反复进行。 l 材料表层组织经过每次循环后总要变到新的状态 。 l 由常规试验得到材料力学性能不一定能如实反映 出材料耐磨性的优劣。 13 机件正常运行的磨损过程分为3个阶段, 曲线上各点斜率即为磨损速率。 磨损量与时间的关系图(磨损曲线) 14 (1) 跑合(磨合)阶段。随着表面被磨平,实际接
4、触面 积,表层应变硬化,磨损速率。表面形成牢固的 氧化膜,也使该段的磨损速率。 15 (2) 稳定磨损阶段。该段的斜率即磨损速率为一稳定 值。实验室的磨损试验就是根据该段经历的时间、 磨损速率或磨损量来评定材料耐磨性能的。大多数 工件均在此阶段服役,磨合得越好,该段磨损速率 就越低。16 (3) 剧烈磨损阶段。随磨损过程的,磨耗 ,摩擦副接触表面间隙,机件表面质量, 润滑膜被破坏,引起剧烈振动,磨损重新加 剧,机件快速失效。 17 2、磨损的基本类型 磨损是多种因素相互影响的复杂过程。根据 摩擦面损伤和破坏的形式,大致可分4类: 粘着磨损 磨粒磨损 腐蚀磨损 麻点疲劳磨损(接触疲劳) 18 1
5、、粘着磨损 I又称咬合磨损 I 因两种材料表面某些接触点局部压应力超过该处 材料屈服强度发生粘合,继续运动时会发生材料在 表面间的转移、表面刮伤以至胶合 I影响因素:材料的硬度、相对滑动速度、工作温 度及载荷大小。多发生在摩擦副相对滑动速度小, 接触面氧化膜脆弱,润滑条件差,以及接触应力大 的滑动摩擦条件下 I磨损表面特征:机件表面有大小不等的结疤 二、磨损过程 19 粘着磨损的过程就是粘着点不断形成 又不断被损坏并脱落的过程。 20 2、磨粒磨损 又称磨料磨损或研磨磨损 从外部进入摩擦面间的游离硬颗粒(如空气中的 尘土或磨损造成的金属微粒)或硬的微凸体峰尖 在较软材料的表面上犁刨出很多沟纹,
6、被移去的 材料一部分流动到沟纹两旁,一部分形成碎片, 脱落成为新的游离颗粒,这样的微切削过程叫磨 粒磨损。 影响因素:材料的硬度和磨粒的尺寸与硬度,材 料的硬度,耐磨性;磨粒平均尺寸,磨粒硬度 ,金属的磨损量 。 21 主要特征:摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成的 沟槽。可能是因磨粒对摩擦表面产生的微切削作 用、塑性变形、疲劳破坏或脆性断裂产生的,或 是它们综合作用的结果。 22 3、接触疲劳 在接触应力多次重复作用下,就会在零件 工作表面或表面下一定深度处形成疲劳裂 纹,随着应力循环次数的增加,裂纹逐步 扩展进而表面金属脱落,致使表面上出现 许多凹坑,这种现象叫疲劳磨损,又称“点 蚀” 或麻点
7、磨损。 点蚀使零件不能正常工作而失效,是齿轮 、滚动轴承等工件常见的磨损失效形式。 23 宏观形态特征:接触表面出现许多痘状、贝 壳状或不规则形状的凹坑(麻坑),有的凹坑较 深,底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹。 24 摩擦副受到空气中的酸或润滑油、燃 油中残存的少量无机酸(如硫酸)及 水份的化学或电化学作用,在相对运 动中造成表面材料的损失叫做腐蚀磨 损。 4、腐蚀磨损 25 耐磨性是指材料抵抗磨损的性能,迄今还没有一 个明确的统一指标,通常用磨损量表示。磨损量 ,耐磨性。 三、耐磨性及其测量方法 称重法 磨损 量的 测量 用精密分析天平称量试样试验 前后的质量变化确定磨损量 尺寸法 根据表面法向
8、尺寸在试验前 后的变化确定磨损量 26 常用磨损量的倒数或用相对耐磨性()表 征材料的耐磨性。即 1/:磨损系数。 大耐磨性好? 小耐磨性好? 27 1、减轻粘着磨损的主要措施 合理选择摩擦副材料:尽量选择互溶性少,粘着倾 向小的材料配对。 避免或阻止摩擦副直接接触:增强氧化膜的稳定性 ,提高氧化膜与基体的结合力;降低接触表面粗糙 度,改善表面润滑条件等。可采用表面渗S、渗P、 渗N等表面处理工艺,在材料表面形成一层化合物 层或非金属层。 四、提高材料耐磨性的途径 28 2、减轻磨粒磨损的主要措施 提高表面硬度:确定材料硬度时,应以Hm 1.3Ha(Hm为摩擦副材料硬度,Ha为磨粒硬度) 为依
9、据。硬度相同时,钢中含碳量越高,形成的 碳化物越多,就具有越高的抗磨粒磨损能力。 应经常对机件、润滑油进行防尘、过滤,以减轻 磨粒磨损量。 29 3、提高接触疲劳抗力的措施 合理选择表面硬化工艺,在一定深度范围内 保存残余压应力,于提高接触疲劳抗力极有利 。 改善接触配对副的表面状态,减少冷热加工 缺陷,表面粗糙度, 摩擦系数,也是很有效 的措施。 30 4、非金属材料的磨损特性 工程陶瓷材料: 磨损行为对表面状态极为敏感。受接触应力后, 在局部的应力集中区表层发生塑性变形,或在水 、空气、介质、气氛的影响下形成易塑性变形的 表层,进而开裂产生磨屑。 陶瓷材料耐磨性能不仅与组分纯度有关,还与其
10、 制备工艺密切相关。 31 聚合物材料 硬度小,柔性大,抗划伤能力较高 聚合物的化学组成、结构与金属相差较大,两 者的粘着倾向很小,磨粒磨损时,聚合物对磨粒 具有良好的适应性、就范性和埋嵌性。其特有的 高弹性又可在接触表面产生变形面不发生切削犁 沟式损伤,表现出较好的抗磨损性能。 就耐磨性而言,聚合物与金属配对的摩擦副优 于金属与金属配对的摩擦副 PTFE:固体材料中摩擦系数最低 0.040.04 32 1.10 材料的高温力学性能 高温蠕变性能 其他高温力学性能 33 在航天航空、能源和化工等工业领域,许 多机件在高温下长期服役 34 锅炉 炼油设备 35 温度对材料的力学性能影响很大。 时
11、间:常温下,时间对材料的力学性能几乎没有 影响(高分子材料除外),高温时,力学性能就表 现出了时间效应。 所谓温度的高低,是相对于材料的熔点而言的, 约比温度(TTm),T试验温度,Tm熔点,(热 力学温度)。 当TTm0.4-0.5时为高温,反之则为低温。 36 材料在高温下力学行为的一个重要特点 蠕变:材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地 产生塑性变形的现象。 蠕变断裂:由于蠕变而最后导致材料的断裂 蠕变可以发生在任何温度,在低温时,蠕变效应不 明显;当约比温度大于0.3时,蠕变效应比较显著, 此时必须考虑蠕变的影响,如碳钢超过300、合金 钢超过400,就必须考虑蠕变效应。 1、蠕变
12、一、高温蠕变性能 37 蠕变过程可以用蠕变曲线来描述。 (1)金属材料和陶瓷材料 OA线段是施加载荷后,试样产生的瞬时应变o, 不属于蠕变。 2、蠕变的一般规律 38 I阶段:AB段:减速蠕变阶段(过渡蠕变阶段) II阶段:BC段:恒速蠕变阶段(稳态蠕变阶段) III阶段:CD段:加速蠕变阶段(失稳蠕变阶段)。 曲线上任一点的斜率,表示 该点的蠕变速率(=d/dt) 按照蠕变速率的变化,可将 蠕变过程分为3个阶段。 39 蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而变化 减小应力或降低温度,蠕变第阶段延长,甚至不 出现第阶段。 增加应力或提高温度,蠕变第阶段缩短,甚至消 失,试样经过减速蠕变后很快进入第
13、阶段而断裂。 40 (2)高分子材料 可分为3个阶段。 第阶段:AB段,可逆形变阶段,普弹变形,应力和应变 成正比; 第阶段:BC段,推迟弹性变形阶段,也称高弹性变形发 展阶段; 第阶段:CD段,不可逆变形阶段,是以较小的恒定应变 速率产生变形,到后期,会产生缩颈,发生蠕变断裂。 A B C D 41 弹性变形引起的蠕变,当载荷去除后,可以发生 回复,称为蠕变回复,这是高分子材料的蠕变与其 他材料的不同之一。 材料不同或试验条件不同时,蠕变曲线的3个阶段 的相对比例会发生变化,但总的特征是相似的。 A B C D 42 粘弹性机理 高分子材料在恒定应力的作用下,分子 链由卷曲状态逐渐伸展,发生
14、蠕变变形 。当外力减小或去除后,体系自发地趋 向熵值增大的状态,分子链由伸展状态 向卷曲状态回复,表现为高分子材料的 蠕变回复特性。 43 高温抗折蠕变仪 44 (1)蠕变极限 表示材料对高温蠕变变形的抗力,是选用高温材 料、设计高温下服役机件的主要性能依据之一。 3、蠕变性能指标 表 示 方 法 l 在给定的温度下,使试样在蠕变第二 阶段产生规定稳态蠕变速率的最大应力 l 在给定温度和时间的条件下,使试样 产生规定的蠕变应变的最大应力 45 (2)持久强度 某些在高温下工作的机件,蠕变变形很小或对变 形要求不严格,只要求机件在使用期内不发生断 裂。在这种情况下,要用持久强度作为评价材料 、设
15、计机件的主要依据。 持久强度是材料在一定的温度下和规定的时间内 ,不发生蠕变断裂的最大应力。 材料的持久强度是实验测定的,试验时间通常比 蠕变极限试验要长得多,可达几万至几十万h。 46 (3)松弛稳定性 应力松弛:材料在恒定变形的条件下,随着 时间的延长,弹性应力逐渐降低的现象 松弛稳定性:材料抵抗应力松弛的能力 松弛稳定性可以通过松弛试验测定的应力松 弛曲线来评定,曲线是在规定温度下,对试样 施加载荷,保持初始变形量恒定,测定试样上 的应力随时间而下降的曲线。 47 高温拉伸试验的拉伸速率对性能的影响比室温 时大得多,要求试样在屈服前的应变速率在 0.003-0.007m/min。 1、高
16、温短时拉伸性能 二、其他高温力学性能 在特殊情况下,如火箭、导弹上的零件工作时 间很短,蠕变现象不起决定的作用。 48 l 材料在外力的作用下,首先发生弹性变形,随 后出现屈服现象,发生塑性变形,到一定程度以 后,发生断裂。 l 有些材料在高温时,其不可逆的永久变形没有 屈服现象,通常把这种高温下产生的不可逆永久 性变形称为粘性流动变形,也称为粘性变形。 2、高温下材料的粘性流动性能 49 l 硬度是反应材料抵抗局部塑性变形能力的力 学性能指标。 l 由于试样在较高温度下的硬度较低,所以试 验压力不宜过大,并应根据试验温度的高低改 变试验压力的大小,以保证压痕清晰和完整。 l 由于试样在高温下蠕变的影响较大,一般规 定加载时间为30-6