理化分析-内部课件.

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1、理化分析 理化分析？ 理：物理方法分析。机械性能及金相 化：化学方法分析。湿法及干法 一、物理分析方法： 1、机械性能 2、金相 1、机械性能 1） 强度 塑性 2）硬度 3）疲劳 4）冲击韧性 对应的测试为拉伸、弯曲、硬度等 万能试验机 用于拉伸、变曲、剥 离等试验 冲击试验机 用于夏比冲击试验 1） 强度、塑性 强度：是指金属材料在静载荷作用下抵抗破坏的性能。由于载荷的作用方式有拉伸、压缩、弯 曲、剪切等形式，所以强度也分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。各种强度间 常有一定的联系，使用中一般较多以抗拉强度作为最基本的强度指标。 塑性：是指金属材料在载荷作用下，产生塑性变形（永久

2、变形）而不破坏的能力 强度： A：抗拉强度Rm：拉断过程中所承受的最大名义应力。单位：Fm/S0 Kg/mm2 MPa B：屈报强度Re：试样长度增加，而力波动很小的阶段的应力(一般以0.2%测定）。分为上屈报强度 ReH，首次下降前的最大应力，下屈服强度ReL，屈服阶段中最小应力。单位：Fe/S0 Kg/mm2 Mpa 塑性： 断面收缩率（(S0-Su/)S0100），断后伸长率（Lu-L0)/L0100） 几个阶段： 弹性变形Oa，屈服阶段cd，均匀塑性变形阶段de（应 变强化），局部塑性变形阶段ef（缩颈）. 试样： KL0/ 通常K5.65短比例试样，K11.3称为长比 例试样。一般L

3、015mm A B a c b f e d O 拉伸试验中的表现： 弯曲试验中的表现：主要适用于测定脆性和低塑性材料的强度指标，如渗碳、高频淬火件。 弯曲方式： 强度： 抗弯强度bb=FbbLs/4W。单位： Kg/mm2 MPa 塑性： 断裂挠度fbb:试样连续施加弯曲力，直至断裂，测量试样断裂瞬间跨距中点的挠度。 F Ls/2 三点 弯曲 F/2 Ls/2 F/2 四点 弯曲 2）硬度： 硬度是衡量金属材料软硬程度的指标。最常用的是压入硬度法，用一定几何形状的压头一 定载荷下压入被测试金属表面，根据压入程度来测定其硬度值。 硬度是材料抵抗弹性变动、塑性变形或破坏的能力。有如下优点： 1、非

4、破坏性 2、易行性 3、高效率 4、可比性 材料硬度和其他物理性能之间存在联系。例如GB/T1172黑色金属硬度及强度换算值， GBn166铝合金硬度与强度换算值，GB/T3771铜合金硬度与强度换算值。 常用硬度方法： 布氏硬度（HB）、 洛氏硬度（HRA、HRB、HRC） 维氏硬度（HV） 显微硬度等方法。 布氏硬度 Brinell（HB）: 用一定直径的钢球或硬质合金球施加规定试验力压入试样表面，经规定时间后，卸除试验 力，测量出压痕直径。用试验力除以压痕面积再乘以0.102,就是HB F D d h HBS(HBW)=0.102 2F D(D- D(D2-d2) 常用值：HBS(HBW

5、)10/3000、5/750、5/250、2.5/187.5。 例：120HBS10/1000/30 表示用直径10mm的钢球，在1000kgf作用力下，保持30秒，硬度为120 应用范围：退火、正火状态的钢件，铸铁，有色金属及合金等较软 金属。由于压痕较大，对成品不宜采用 误差：示值误差不大于3%，150250之间3%,75125之间4%。 试样要求： 表面光滑，无外来污物，一般要求Ra0.8以下 两平面保证平行，厚度至少为压痕深度的10倍。 洛氏硬度 Rockwell（HRA、HRB、HRC）： 采用120度金刚石圆锥或淬火钢球作压头，施加F0使试样表面产生一个初始压入深度h0,然后施 加

6、F1,测量深度增量h1。每增加0.002mm为一个单位e。HR100-e F D h F A：6085 B：25100 （球） C：2067 应用范围：可测量硬度较高的材料，一般钢材，压痕较小可用于半成品及成品检验，但代表性差。 误差：示值误差1.5HRC。 试样要求： 表面光滑，无外来污物，一般要求Ra0.8以下 两平面保证平行，厚度至少为深度增量的10倍，每个试样一般应给出3点值。 表面洛氏硬度： 初试验为3kgf,总试验力为15、30、45kgf。有15个标尺。如：HR15N、HR30N、HR15T（钢球） 维氏硬度 Vickers（HV）及显微硬度： 相对夹角136度的正四棱锥体金刚石

7、压头，压痕单位面积上承受的试验力。HV0.102F/S 标尺为：HV5 HV10 HV20 HV30 HV50 HV100 例：600HV30/20,表示用30kgf保持20秒测定值为600 应用范围：测定各种表面处理后的渗层或镀层硬度以及较小、较薄 工件的硬度以及合金中的相的硬度 误差：示值误差不大于3%，150250之间3%,75125之间4%。 试样要求： 表面光滑，无外来污物，一般要求Ra0.4以下,显微要求Ra0.1以下 试样一般要进行处理，如镶嵌、抛光等。 其它常用硬度： 1.邵氏硬度 Shore HS:主要用于塑料、橡胶的硬度测定。分为Shore A D 橡胶硬度计：压入法测定，

8、单位：国际硬度单位IRHD 肖氏硬度 Shore:采用一定重量和形状的金刚石冲头从一定高度自由下落到试样表面根据冲 头回弹高度来衡量硬度大小。 2.里氏硬度 Leeb HL:用规定质量的碳化物冲击体在一定的弹力作用下以一定速度冲击试样表 面用冲头在距试样表面1mm处回弹速度与冲击速度的比值乘以1000,定义为里氏硬度 3）疲劳 许多机器零件都是在循环载荷下工作的，工作应力一般低于材料屈服强度，在这种条件下零件 经过较长时间运行而发生失效的现象称为金属的疲劳。 按加载方式可分为：拉压、弯曲、扭转、复合。 危害：疲劳断裂与静载荷下断裂不同，疲劳不产生明显的塑性变形， 断裂是突然发生的。 疲劳试验可

9、以分为高周疲劳（循环周次大于5*104），低周疲劳（循环周次小于5*104，循环应力 接近或超过屈服强度） 曲轴 ： 连杆 ： 试验机HFT： 4）冲击韧性 以很大速度作用于机件上的载荷称为冲击载荷，金属在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫做冲 击韧性。用规定高度的摆锤对试样进行一次性打击，测量试样在这种冲击下折断时所吸收的功 。 单位：J 用途：A.评价缺口敏感性B.材料质量C.材料高低温的转变特性。试样要求： 分V型缺口和U型缺口 金属与合金的组织结构以及它们与物理、化学和力学性能间的关系 宏观：硫印、酸蚀、断口、塔形。 微观：检验金属中的组织。 铁碳相图： 2、金相 铁与钢区别：以2.11%

10、C为分界线 金属中的基本组织： 铁素体F(ferrite)，又称纯铁体，5080HB，0.0218%MixC 渗碳体(cementite)，Fe3C,800HB,6.69%C 脆性 珠光体P(pearlite),铁素体与渗碳体机械混合物，180HB 缸体腐蚀前后曲轴腐蚀前后连杆腐蚀后 典型零件金相： 二、化学分析方法： 1、干法分析：光谱、碳硫 直读光谱仪： 测定钢、铝中 的成分。试要 要求：厚度 5mm，直径 10mm。 需标样 碳硫分析仪：测 定钢、铁中的碳 、硫。试要要求 ：有足够重量 10g以上。 需标样 2.湿法分析：吸收光谱、碳硫 原子吸收光谱 仪：测定钢、 铝中的成分。 试要要求

11、：无 需标样及测试 方法 常规溶解及测 试。如硅、残 碳等 五大常规元素： 1、碳（C）：熔点为3500，沸点为4200存在形式：钢中以碳化物形式存在，对钢的性能起决 定性作用。铁中由性能决定，以石墨或碳化物存在。如白口铁，灰口铁，球铁。 碳的检测用碳硫分析仪 2、硅（Si）：主要以因溶体形式存在，FeSi、Fe2Si等。固溶于铁素体及奥氏体时能显著提高钢 的强度、硬度和弹性极限。铸铁中是重要的石墨化元素，细化石墨，提高石墨圆整性。 硅（Si）的检测： 溶样脱水过滤灼烧称重氢氟酸处理再次灼烧称重计算结果 3、锰（Mn）：钢铁生产中的脱氧除硫剂，能显著提高铁素体的强度和硬度。 检测方法：光度法

12、4、硫（S）：在钢中是一种有害元素，能产生“热脆”，在热变动时产生裂缝，还能降低机械 性能等。普通钢中0.05，高级优质钢0.02。 检测方法：碳硫分析仪 5、磷（P）：主要以磷化铁形式存在。一处有害元素，造成冷脆。但可以改善切削及 抗腐蚀性能。 检测方法：光度法。 机械构件失效 通用分四种类型：变形失效、断裂失效、腐蚀失效、磨损失效 变形失效 常温下主要有弹性变形失效和塑性变形失效，高温下有蠕变变形失效和高温松驰失效 断裂失效 塑性断裂：当构件承受的实际应力大于材料的屈服强度时，产生塑性变形，进一步增大就产生塑 性断裂 脆性断裂：断裂前几乎不产生显著的塑性变形 疲劳断裂：在循环交变应力的作用

13、下引起的断裂。机械构件中约占70%。 腐蚀失效 金属与其表面接触的介质发生反应而造成的损坏称为腐蚀。 磨损失效 相互接触并相对运动的物体，由于机械作用所造成的材料位移及分离的破坏形式 1）粘着磨损。当两表面在载荷作用，其载荷集中在微凸接触的较小面积上，其真实接触应力极高 ，因而产生冷焊现象，局部瞬时粘结在一起，在外力作用下，粘结点断裂，周而复始出现的现象 。 主要发生在。活塞环和缸孔、轴瓦与轴颈。 2）磨粒磨损。材料与硬颗粒与耦合表面作相对运动所造成的材料位移或分离。约占磨损失效的 50%以上 磨粒磨损对塑性材料，磨料尖锐表面会形成沟槽，如果较钝会产生犁沟现象；但对硬的材料表 面，不会发生塑性

14、变形，而是产生显微裂纹，最后局部剥落。 3）接触疲劳磨损。两物体滚动时，引起表面疲劳破坏现象，常分为麻点剥落（粗糙度较大，初期 高点剥落，麻坑呈三角形，后期发展成较大面积凹坑。主要发生在硬度偏低工作表面上）和片状 剥落（浅层剥落，如夹杂、表面硬化层与心部交界处） 4）微动磨损。受到振幅极小的相对运动而生产的磨损。如铆钉、螺栓、销的连接处。 5）润滑失效。添加润滑剂后磨损率仅为无润滑剂的5%。主要原因有油变质，受污染和油压低等 ，大多数失效与油的受热氧化有关。 推荐失效思路： 机械产品一旦失效，不外乎以上四种失效形式，根据使用工况，表面形貌，断口宏观微观确定失 效模式，然后通过实验数据来分析。通常进行金相、成分分析确认材料问题。