工程材料-1零部件对材料性能的要求

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1、第一章 零部件对材料性能的要求, 1.1 零部件所受的各种负荷 1.2 工程设计与加工工艺所需要的材料性能 1.3 工程材料的类型及主要特征,1.1 零部件所受的各种负荷,一、力学负荷 拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转载荷。 很多零件工作时同时承受几种载荷的作用：车床主轴工作时承受弯曲、扭转、压缩3种载荷；钻床立柱同时承受拉伸和弯曲2种载荷。 二、热负荷 高温条件下工作使工程材料的力学性能下降，产生高温蠕变，并可能产生氧化，热疲劳。,三、环境介质的作用 对金属零件的作用主要是：腐蚀和摩擦磨损。 腐蚀：化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀。 碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差，钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好，铝合金

2、和铜合金的耐腐蚀性较好。 零件在摩擦过程中表面发生尺寸变化和物质耗损的现象-磨损。常见的有：粘结磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、麻点腐损。 对高分子零件的作用主要为老化。,1.2 工程设计与加工工艺所需要的材料性能, 整机性能、零部件性能与材料性能 工程材料的力学性能 工程材料的理化性能 工程材料的加工工艺性能,使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。 工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。,神舟一号飞船,1.2.1 整机性能、零部件性能与材料性能,机械零件的强度一般表现为短时承载能力和长期使用寿命。机械零件的强度主要由3

3、个因素起作用。 结构因素：零件在整机中的作用、零件的的形状、尺寸及其与其他零件的配合关系。 加工工艺因素：全部加工工艺过程对零件强度的影响。 材料因素：材料的成分、组织与性能。,材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。 外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。 外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。,五万吨水压机,1.2.2 工程材料的力学性能,应力 = P/F0 应变 = (l-l0)/l0,一、弹性和刚度,弹性：指标为弹性极限e，即材料承受最大弹性变形时的应力。 刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量E。,弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其

4、他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。,二、强度与塑性,强度：材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。 上屈服强度ReH：材料发生明显塑性变形时应力较大时的强度。 下屈服强度ReL：材料发生明显塑性变形时应力较小时的强度。 屈服强度s / 条件屈服强度0.2： 抗拉强度Rm / b：材料断裂前所承受的最大应力值。,塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。 指标为：,伸长率A/：,断面收缩率Z/：,断裂后,拉伸试样的颈缩现象,说明： 用断面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。 直径d0 相同时，l0，。只有当l0

5、/d0 为常数时，塑性值才有可比性。 当l0=10d0 时，伸长率用A11.3 / 表示； 当l0=5d0 时，伸长率用A /5 表示。 显然A A11.3 (5 ) A Z 时，无颈缩，为脆性材料表征 A Z 时，有颈缩，为塑性材料表征,三、硬度,材料抵抗另一硬物压入其内的能力。(抵抗局部塑性变形的能力) 布氏硬度HB,布氏硬度计,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, 符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如 120H

6、BS10/1000/30 表,示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。,布氏硬度压痕,布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。 适于测量退火、正火、调质钢, 铸铁及有色金属的硬度。 材料的b与HB之间的经验关系： 对于低碳钢: Rm(MPa)3.53HBS 对于高碳钢： Rm(MPa)3.4HBS 对于灰铸铁： Rm(MPa)0.98HBS 退火铝合金： Rm(MPa)4.70HBS,洛氏硬度,洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002 根据压头类型和主载荷不

7、同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。,符号HR前面的数字为硬度值， 后面为使用的标尺。,HRA用于测量高硬度材料, 如硬质合金、表淬层和渗碳层。 HRB用于测量低硬度材料, 如有色金属和退火、正火钢等。 HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。 洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。 缺点：测量结果分散度大。,洛氏硬度,维氏硬度,维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。 根据载荷范围不同，规定了三种测定方法维氏硬度试验 、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。,小负荷维氏硬度计,显微维氏硬度计,维氏硬度保留了布氏硬度和洛

8、氏硬度的优点。,四、韧性,指材料抵抗冲击载荷作用的能力。,指标为冲击韧度ak(通过冲击实验测得)。 akAk/S0,材料的ak值越大，则材料的韧性越好。韧性与材料的组织密切相关。45钢正火后组织为SF， ak500800kJ/m2； 45钢调质后组织为S回， ak8001200kJ/m2 。铸铁的冲击韧度很低。,韧脆转变温度,材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。,韧,体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金属没有。,TITANIC,建造中的Titanic 号,TITA

9、NIC的沉没与船体材料的质量直接有关,Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果,五、疲劳,材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。 材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用-1表示。 钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。,疲劳断口,通过改善零件的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。,部分工程材料的疲劳极限-1（MPa）,1943年美国T-2油轮发生断裂,美 北极星导弹,六、断裂韧性,油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关,断裂韧性-材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力。,1

10、950年美国导弹固体燃料发动机壳体在试发射时发生爆炸，经分析认为是材料中存在0.11mm的裂纹并扩展所致。,应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。,断裂韧性：材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。 C为断裂应力，aC为临界裂纹半长，单位为,KIC临界应力场强度因子：裂纹扩展的临界状态所对应的应力场强度因子。,常见工程材料的断裂韧度K1C值（MNm-3/2）,根据K1=Ya1/2K1C的临界判据知： 为使零件不发生脆断，设计者可以控制三个参数：材料的断裂韧度K1C 、名义工作应力和零件内的裂纹长度a，它们之间的定量关系能直接用于设计计算，可以解决以下三方面的工程实际问题：,1）根据零件的实际

11、工作应力和其内可能的裂纹尺寸a，确定材料应有的断裂韧度K1C，为正确选材提供依据； 2）根据零件所使用的材料断裂韧度K1C及已探伤出的零件内存在的裂纹尺寸a，确定零件的临界断裂应力C，为零件最大承载能力设计提供依据； 3）根据已知材料的断裂韧度K1C和零件的实际工作应力，估算断裂时的临界裂纹长度aC，为零件的裂纹探伤提供依据。,1.2.3 材料的理化性能,物理性能:不仅对工程材料的选用来说，有着重要的意义；而且也会对材料的加工工艺产生一定的影响。 （一）密度 （二）热学性能 熔点； 热容； 热膨胀； 热传导 （三）电学性能 电阻率 ； 电阻温度系数； 介电性 （四）磁学性能 磁导率； 饱和磁化

12、强度Ms和磁矫顽力c （五）光学性能,化学性能,材料在生产、加工和使用时，均会与环境介质发生化学反应，从而使其性能恶化或功能丧失。 （一）耐腐蚀性 碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差，钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好，铝合金和铜合金的耐腐蚀性较好。 （二）抗氧化性 在钢中加入Cr、Si等元素可提高其抗氧化性。,1.2.4 金属材料的工艺性能,1. 铸造性能指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能。包括：流动性能、收缩性、偏析等。含碳量高的铸铁铸造性好。 2. 锻造性能金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不破裂的能力。 含碳量越高，锻造性越差。低碳钢锻造性好，低合金钢锻造性能与中碳钢接近，高合金钢的较差。铸铁

13、不能锻造。,3. 焊接性能指材料焊接时其工艺方法的难易程度及接口处是否能满足使用目的的特性。 含碳量越高，焊接性越差。碳当量小于0.25的钢，焊接性好。铜、铝合金的焊接性能都较差，灰口铸铁的焊接性能很差。 4. 切削加工性：指材料被切削加工成合格零件的难易程度。 包含：刀具耐用度较高；切削力较小，切削温度较低；容易获得良好的表面加工质量； 容易控制切屑的形状或容易断屑。含碳量太高，切削性差。含碳量太低，切削性也差。,5. 热处理工艺性：指材料被热处理时达到性能等要求的难易程度。 淬硬性：钢淬火时获得高硬度的能力。含碳量越高，钢的淬硬性越好。 淬透性：钢接受淬火的能力，钢获得淬硬层深度的能力。与

14、合金元素有关。, 冲压性能：金属材料承受冲压变形加工而不破裂的能力。含碳量越高，冲压性越差。,1.3 工程材料的类型及主要特征,根据化学组成：金属材料、高聚物材料、无机非金属材料、复合材料 根据性能特点：结构材料与功能材料,黑色金属,有色金属,1.3 高分子材料的结构与性能, 高分子材料是以高分子化合物为主要组分的有机材料。常称聚合物或高聚物。 高分子化合物的分子量一般5000 。 高分子化合物有天然的（蚕丝、羊毛、纤维素、天然橡胶、淀粉、蛋白质等 ），也有人工合成的（塑料、合成橡胶、合成纤维、粘接剂和涂料等），工业用高分子材料主要是人工合成的。,高分子化合物由简单的结构单元重复连接而成。如由

15、乙烯合成聚乙烯: CH2=CH2+CH2=CH2+-CH2-CH2-CH2-CH2- ,组成聚合物的低分子化合物称为单体。 聚合物的分子为很长的链条，称为大分子链。,聚乙烯分子链,常用的聚合物反应有加成聚合反应(简称加聚反应)和缩合聚合反应(简称缩聚反应)。,2 、高分子材料的分类 按用途分塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、涂料等。 按聚合物反应类型分为加聚物和缩聚物。 按聚合物的热行为分为热塑性聚合物和热固性聚合物. 按主链上的化学组成分为碳链聚合物、杂链聚合物和元素有机聚合物。,1.3.1 高分子材料的结构,1、大分子链的结构 大分子链的柔顺性 大分子链主链共价键有一定键长和键角，保持键长和键角不

16、变时单键可任意旋转，称单键的内旋转。,内旋转使大分子链卷曲成各种不同形状，对外力有很大的适应性，这种特性称为大分子链的柔顺性。 柔顺性与单键内旋转的难易程度有关。, 大分子链的形状 按照大分子链的几何形状，可将高分子化合物分为线型结构、支化型结构(支链型结构)和体型结构。 线型结构高聚物的弹性、塑性好，硬度低，是热塑性材料。支化型结构近于线型结构 。体型结构高聚物硬度高，脆性大，无弹性和塑性，是热固性材料。,2、高分子的聚集态结构 固态高聚物分为晶态、部分晶态和非晶态三大类，晶态为分子链排列规则的部分，而排列无规则的部分为非晶态。,通常线性聚合物在一定条件下可以形成晶态或部分晶态，而体型聚合物为非晶态（或玻璃态） 聚合物的结晶也是形核和核的长大过程。 晶态熔点、密度、强度、硬度、刚性、耐热性、化学稳