工程材料的性能和过程材料(简)

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1、过程设备材料选用,工程材料的性能,使用性能:材料在使用过程中所表现的性能，它包括力学性能、物理和化学性能。 工艺性能:材料在加工过程中所表现的性能 ，即指其铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。,作为结构材料，应具备的最主要性能是力学性能，即材料抵抗外力的能力。 力学性能包括弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳强度等。 金属材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷。根据载荷作用性质不同，可以分为静载荷和动载荷。,材料的力学性能,静载时材料的力学性能,静载：对试样缓慢加载，常用静拉伸试验和硬度试验。,布氏硬度计,拉伸试验机,标准试样,标距 l 有两种长度：,l =10d

2、 l =5d,实验方式：常温静载试验,电子式万能实验机,（1）强度,强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。 屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。 抗拉强度b(现用Rm表示)：材料断裂前所承受的最大应力值。,低碳钢的应力-应变曲线,塑性 断裂前材料产生永久变形的能力, 用伸长率和断面收缩率来表示。 伸长率（）（现用A表示）： 在拉伸试验中, 试样拉断后, 标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。断面收缩率（） （现用Z表示） 试样拉断后, 缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。,（2）塑性,拉伸试样的颈缩现象,说明,直径d0 相同时，L0， 。只有当L0/d0

3、为常数时，塑性值才有可比性。当L0 = 10d0 时，伸长率用10 (现用A 11.3 ) 表示；当L0 = 5d0 时，伸长率用5 (现用A )表示。显然5 10,( 3 ) 硬 度,硬度：材料抵抗其他硬物压入的能力，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。,布氏硬度原理,洛氏硬度原理,维氏硬度原理,a. 布氏硬度,布氏硬度试验原理图,材料抵抗表面局部塑性变形的能力。 布氏硬度 HB,布氏硬度计,a. 布氏硬度,压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。 压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。 符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值

4、。如: 250HBS,布氏硬度压痕,b. 洛氏硬度,洛氏硬度用符号HR表示，HR=(k-h)/0.002 根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。,洛氏硬度计,洛氏硬度测量原理图,符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。 HRA ，压头为120金刚石圆锥，用于测量高硬度材料, 如硬质合金、表面淬火钢。 HRB ，压头为1/16英寸淬火钢球，用于测量低硬度材料, 如有色金属和退火、正火钢等。 HRC ，压头为120金刚石圆锥，用于测量中、高硬度材料，如调质钢、淬火钢等。如：30HRC，55HRA,b. 洛氏硬度,c. 维氏硬度,维氏硬度计,维氏硬度试验原理,维氏硬度

5、压痕,常用硬度的比较,动载时材料的力学性能,动载的主要形式：,载荷以较高速度施加到零构件上，形成冲击。抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性aK 载荷大小和方向做周期性变化，形成交变载荷。材料能承受规定次循环而不断裂的最大应力值称为疲劳强度s-1,（4）冲击韧性,冲击韧性：材料抵抗冲击载荷作用的能力，常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。测得试样冲击吸收功, 用符号 Ak 表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截面积 S0 , 即得到材料的冲击韧性 ak。,Akak = (J/cm)S0,Ak = mg（H1H2） (J),冲击试样和冲击试验示意图,冲击韧性的测定,（4）冲击韧性,冲击吸收功的大小与试验温度有关。

6、 材料的韧脆转变温度越低，说明低温冲击性能越好。,（4）冲击韧性,脆性区,韧性区,建造中的Titanic 号,TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关,TITANIC,Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果,疲劳破坏,疲劳破坏的四个特点：1、破坏应力低2、脆性断裂3、损伤累计过程4、破坏断口含两个区域,疲劳破坏过程：疲劳裂纹萌生、逐渐扩展和最后断裂的过程。,交 变 载 荷,恒幅（稳定）交变（循环）应力 应力循环,应力比（循环特征）：r = min/max,应力幅： a=(max- min)/2,交 变 载 荷,平均应力：m=(max+ min)/2,最大应力：m

7、ax,最小应力：min,循环应力的分类：称循环(r=-1)， 非对称循环(r -1)，脉动循环(r=0),交 变 载 荷,（5）疲劳强度,疲劳：材料在交变应力长时间作用下，在小于屈服点的应力下发生断裂 疲劳极限(强度) s-1 ：材料能承受规定次数应力循环而不断裂的最大应力钢铁材料规定次为107,疲劳曲线示意图,对称循环应力图,对称循环疲劳极限(强度) -1，脉动循环疲劳极限（强度）0,物理性能包括密度、熔点、比热、导热系数、线膨胀系数、导电性、磁性、弹性模量、泊松比等。,材料的物理性能,化学性能，即材料在所处介质中的化学稳定性。 化学性能包括耐腐蚀性、抗氧化性。 耐腐蚀性金属和合金对周围介质

8、（大气、水汽、各种电解液）侵蚀的抵抗能力。 抗氧化性金属材料在高温下抵抗氧化的能力。,材料的化学性能,加工工艺性能，即材料是否易于加工成形的性能。 加工工艺性能包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能等。,材料的加工工艺性能,可铸性液体金属材料是否易于铸成优质铸件的性能。 可锻性金属性材料承受压力加工（锻造、轧制、辗压等）时，改变原来形状而不破坏的能力。 焊接性金属材料是否易于焊接在一起，并获得优质焊接接头的能力。 切削加工性材料是否易于被刀具切削的性能。 热处理性能包括淬透性、淬硬性、氧化和脱碳、变形及开裂等。,材料的加工工艺性能,过程设备常用材料,工程材料的分类,工程材料

9、,无机非金属材料,铝合金 铜合金等,黑色金属,塑料 橡胶 涂料等,复合材料,高分子材料,有色金属,金属材料,工业纯铁：含碳量 0.02 钢: 含碳量 0.022.11 铸铁: 含碳量 2.116.69,陶瓷(搪瓷) 玻璃,金属基复合材料 高分子基复合材料 陶瓷基复合材料,铁碳合金的组织结构,铁碳合金碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。 含碳量为0.02%2.11%的称钢。 含碳量为 2.11%6.69%的称铸铁。 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。,反应釜,铁碳合金的组织结构,SiO2 的结构,晶体：原子（原子团或离子）按一定几何形式周期重复排列的固体。常态下金属主

10、要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。 非晶体：原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。,一、晶体概念晶体与非晶体,石墨及其晶格,金刚石及其晶格,组成成分相同，但晶体结构不同的两种晶体，其性能不同。,二、纯铁的晶体结构、同素异构转变,铁碳合金的组织结构,二、纯铁的晶体结构,铁碳合金的组织结构,单晶体与多晶体,铁碳合金的组织结构,单晶体原子（原子团或离子）按相同方向排列 多晶体由许多结晶方位不同的小晶体集合而成,金属多晶组织,三、铁碳合金的基本组织,铁碳合金的组织结构,铁碳合金中的相:,铁素体,碳在-Fe中的固溶体称铁素体, 用F 或 表示。 是体心立方晶格的间隙固溶体。 溶碳能

11、力很低，727时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。 铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。,（1） 铁素体 F 或 ,铁碳合金的组织结构,铁碳合金的组织结构,碳在 -Fe中的固溶体称奥氏体。用A或 表示。 是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148时最大为2.11%。,组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，钢材热加工都在 区进行. 碳钢室温组织中无奥氏体。,奥氏体,(2) 奥氏体 A 或 ,铁碳合金的组织结构,即Fe3C，含碳6.69%，用Fe3C或Cm表示。 其硬度高、强度低(b35MPa),脆性大，塑性几乎为零。 是一个亚稳相，在一定条件下可发生

12、分解：Fe3C3Fe+C(石墨), 该反应对铸铁有重要意义。 由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。,(3) 渗碳体 Fe3C,二、纯铁的晶体结构,铁碳合金的组织结构,珠光体是铁素体与渗碳体的机械混合物。 力学性能介于铁素体与渗碳体之间。 碳素钢中珠光体的含碳量约为0.8。,珠光体,(4) 珠光体 P,铁碳合金的组织结构,莱氏体是珠光体与渗碳体的共晶混合物。 具有高的硬度，脆性大。 存在于白口铸铁中，含碳量约为4.3。,(5) 莱氏体 Le,L Fe3C P Fe3C,1148,727,二、纯铁的晶体结构,铁碳合金的组织结构,马氏体是碳溶于-Fe

13、中的过饱和固溶体。 钢从奥氏体状态急冷（淬火）生成的非平衡组织。 含碳量较高时，马氏体硬度高、脆性大。 不稳定，加热易转变为其他组织。,(6) 马氏体 M,铁碳合金的组织结构,低碳(1.0%)马氏体：片状 硬而脆,铁碳合金相图,PSK: 共析线 ,又称A1线 + Fe3CGS线 转变线,又称A3线。ES线碳在 中的溶解度线。又称Acm线。,碳 素 钢,工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。,碳素钢是指含碳量低于2.11%的铁碳合金。 合金钢是指为了提高钢的性能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所制在的钢。,一、碳量对力学性能的影响 亚共析钢随含碳量增加，P 量增加，钢的强度、硬度升高，

14、塑性、韧性下降。,含碳0.77%时，组织为100% P, 钢的性能即P的性能。 含碳量0.9%时，Fe3C为晶界连续网状，强度下降, 但硬度仍上升。 含碳量2.11%时，组织中有以Fe3C为基的Le,合金太脆。,碳 素 钢,碳 素 钢,二、杂质元素对钢材性能的影响,1、Mn: 0.8% 时为杂质, 是有益元素。作用为： 强化铁素体； 消除硫的有害作用。 2、Si：0.5%时为杂质，是有益元素。作用为： 强化铁素体； 增加钢液流动性。,钢中的杂质一般是指 Mn、Si、 S、 P。是由原料带入或脱氧残留的元素。,碳 素 钢,3、S：是有害元素。 常以FeS形式存在。易与Fe在晶界上形成低熔点共晶(

15、985)，热加工时(11501200)，由于其熔化而导致开裂，称热脆。 钢中的硫应控制在0.045%以下。 Mn可消除硫的有害作用。FeS + Mn Fe + MnS，MnS熔点高(1620),合金晶界的低熔点硫化物共晶,钢中的MnS夹杂,碳 素 钢,4、P：也是有害元素。 能溶入铁素体中，使钢在常温下硬度提高，塑性、韧性急剧下降，称冷脆。 P一般控制在0.045%以下。,比利时阿尔伯特运河钢桥因磷高产生冷脆性于1938年冬发生断裂坠入河中,碳 素 钢, O：有害元素。氧在钢中以氧化物的形式存在，其与基体结合力弱，不易变形，易成为疲劳裂纹源。,5、气体元素 N：有害元素。室温下N在铁素体中溶解度很低，钢中过饱和N在常温放置过程中以FeN、Fe4N形式析出使钢变脆, 称时效脆化。加Ti、V、Al等元素可使N固定，消除时效倾向。,碳 素 钢, H：有害元素。常温下氢在钢中的溶解度也很低。当氢在钢中以原子态溶解时，降低韧性，引起氢脆。 当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。,碳 素 钢,三、钢的分类,1、按化学成分分,碳 素 钢,三、钢的分类,2、按质量分 钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。 分为普通钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。,