材料的分类与性能

《材料的分类与性能》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料的分类与性能（51页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第一篇 工程材料概论,材料与人类文明 材料科学与机械工程 材料分类与性能,一、材料的分类,二、工程材料的性能,1.3 材料的分类与性能,一、材料的分类,复合材料,工程材料分类,What? 各类材料的性能特点,金属材料主要为金属键。 热和电的良导体 具有良好的强度与延展性以及金属光泽 陶瓷材料通常为离子键或共价键。 绝缘体而且比较耐热。 高分子材料通常为共价键、分子键和氢键，以共价键为主。 分子结构都非常巨大 通常密度较低，在高温下不稳定。 复合材料结构性能的复合.,玻璃纤维增强高分子复合材料,一、材料的分类,二、工程材料的性能,1.3 材料的分类与性能,铸造性能 可锻性能 可焊性能 切削加工性

2、能 热处理性能,工程材料的性能,使用性能,力学性能 物理性能 化学性能,工艺性能,二、工程材料的性能,表征材料在给定外界条件下的行为,材料的性能,材料在外加载荷（外力或能量）作用下或载荷与环境因素（温度、介质和加载速率）联合作用下表现出来的行为。 主要是指材料在力的作用下抵抗变形和开裂的性能。 机械设计中应首先考虑材料的力学性能。通俗地讲力学性能决定了在多大和怎样形式的载荷条件下而不致于改变零件几何形状和尺寸的能力。,（一）力学性能,指标: 弹性、塑性、韧性、强度、硬度和疲劳强度等。,工程材料的机械性能 材料在受力时的性质,1、静载单向拉伸应力应变曲线,拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线,

3、拉伸试验机,曲线分为四阶段： 1）阶段I（oab）弹性变形阶段 oa段：L P 直线阶段 ab段：极微量塑性变形（0.001-0.005%) a: Pp b: Pe （不产生永久变形的最大抗力） 2）阶段II（bcd）段屈服变形 c: 屈服点 Ps,屈服现象：金属材料开始产生明显塑性变形的标志。,3）阶段III（dB）段均匀塑性变形阶段 B: Pb 材料所能承受的最大载荷 4）阶段IV(BK) 段局部集中塑性变形,低钢,正火/退火调质中钢，低、中C合金钢某些Al合金及某些高分子材料具有类似上述曲线。 铸铁、陶瓷：只有第I阶段 中、高碳钢：没有第II阶段,颈缩,2、材料的强度(strength)

4、 材料所能承受的极限应力.,单位： MPa(MN/mm2),公式：=P/Fo,物理意义:材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。,抗拉强度、 抗压强度、抗弯强度 、 抗剪强度 、 抗扭强度等。,1）屈服强度s (yield strength)和条件屈服强度0.2 a: 屈服强度 s （s代表材料开始明显塑性变形的抗力,是设计和选材的主要依据之一。）,b: 条件屈服强度 0.2 （中高碳钢、无屈服点，国家标准以产生一定的微量塑性变形的抗力的极限应力值来表示。）,注：脆性材料设计和选材依据b 如：灰口铸铁,2）抗拉强度(tensile strength) 材料被拉断前所承受的最大应力值（材料抵抗外力

5、而不致断裂的极限应力值）。,3）疲劳强度-1 ( fatigue strength ),疲劳现象： 承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。,（80%的断裂由疲劳造成）,影响因素： 循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余应力等。,疲劳极限-1 ： 材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。,陶瓷、高分子材料疲劳抗力很低； 金属材料疲劳强度较高； 纤维增强复合材料较好的抗疲劳性能。,钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系: -1 = (0.450.55)b,过载持久值,条件疲劳极限： 经受107次应力循

6、环而不致断裂的最大应力值。,钢材的循环次数一般取 N = 107 有色金属的循环次数一般取 N = 108,3、塑性 (plasticity): 材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。,Lk:试样拉断后最终标距长度 延伸率与试样尺寸有关， 5 , 10 (Lo/do=5, 10),1）延伸率（specific elongation）, 10% 属塑性材料,是指试样拉断后的标距伸长量L与原始标距L0之比。, =F/Fo=(Fo-Fk)/Fo x 100% 越大，塑性愈好 5%, 脆性材料,2）断面收缩率(percentage reduction in area): 试样拉断处横截面的收缩

7、量（F0-FK）与原始横截面积F0之比。,4、刚度和弹性,1）刚度,E=/ 杨氏弹性模量 GPa, MPa 物理本质：反映了材料内部原子种类及其结合力的大小，组织不敏感的性能指标。,2）弹性,比例极限：p=Pp/Fo 应力应变保持线性关系的极限应力值 弹性极限：e=Pe/Fo 不产永久变形的最大抗力。 工程上，p、e视为同一值，通常也可用0.01,材料在受力时，抵抗弹性变形的能力,材料不产生塑性变形的情况下，所能承受的最大应力,5、硬度( hardness ),抵抗外物压入的能力，称为硬度综合性能指标。,1）布氏硬度HB ( Brinell-hardness ),适用于未经淬火的钢、铸铁、有色

8、金属或质地轻软的轴承合金。,适用范围:,450HBS; 650HBW;,2）洛氏硬度HR ( Rockwll hardness ),定义：每0.002mm相当于洛氏1度 洛氏硬度常用标尺有：B、C、A三种 HRB 轻金属，未淬火钢 HRC 较硬，淬硬钢制品 HRA 硬、薄试件,10HRCHBS,3）维氏硬度HV( diamond penetrator hardness ) 科学试验,维氏硬度的压力一般可选5，10，20，30，50，100，120kg等，小于10kg的压力可以测定显微组织硬度。,适用范围:,测量薄板类 ;,HVHBS ;,6、冲击韧性 ( notch toughness ),材

9、料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。,试样冲断时所消耗的冲击功A k为:,A k = m g H m g h (J),冲击韧性值a k 就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。,韧性与温度有关脆性转变温度TK,温度对冲击韧性的影响,ak值低脆性材料：断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状。 ak值高韧性材料：明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽。,7、断裂韧性,1）问题的提出 前面所述的力学性能，都是假定材料内部是完整、连续的，但是实际上，内部不可避免的存在各种缺陷（夹杂、气孔等），由于缺陷的存在，使材料内部不连续。低应力脆断断裂力学 2）应力场强度因子KI 裂纹尖端前沿有应力集中产生，形成一个裂

10、纹尖端应力场。表示应力场强度的参数“应力场强度因子”。 I：单位厚度，无限大平板中有一长度2a的穿透裂纹 Y：裂纹形状，加载方式，试样几何尺寸，试验类型有关的系数几何形状因子。 Y= ,3）断裂韧性KIC 对于一个有裂纹的试样，在拉伸载荷作用下，Y值是一定的，当外力逐渐增大，或裂纹长度逐渐扩展时，应力场强度因子也不断增大，当应力场强度因子KI增大到某一值时:,就可使裂纹前沿某一区域的内应力大到足以使材料产生分离，从而导致裂纹突然失稳扩展，发生脆断。 这个应力场强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性，用KIC表示，它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。,y =KI,=/2a,断裂韧性KIC,

11、当KIKIC时，裂纹失稳扩展，发生脆断。 KIKIC时，裂纹处于临界状态 KIKIC时，裂纹扩展很慢或不扩展，不发生脆断。 KIC可通过实验测得，它是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。 是材料的一种固有特性，与裂纹本身的大小、形状、外加应力等无关，而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。,断裂韧性KIC,4）应用 断裂韧性是强度和韧性的综合体现。 （1）已知2a、 ，选择一定KIC的材料或根据KIC，制定零件工作是否安全KI KIC ，失稳扩展。 （2）已知2a、KIC，计算承受的最大应力。 （3）已知 、KIC，计算不产生脆断所允许的内部宏观裂纹的临界尺寸2a 。,铸造性 可锻性 可

12、焊性 切削加工性 热处理性,工程材料的性能,使用性能,力学性能 物理性能 化学性能,工艺性能,表征材料在给定外界条件下的行为,材料的性能,（二）工程材料的其它性能 （自学）,1、热学性能,在宇宙飞船表面装陶瓷防护瓦片,材料在变温条件，甚至在极端温度条件下工作，如超高温或极低温，因此在应用这些材料时就要注意它们的热学性质，包括热容，热膨胀和导热性。 图12.4-1是一个著名的实例。宇宙飞船返回大气层时表面温度因空气摩擦而升温，因此，飞船表面的陶瓷防护瓦既要能经受4001260C的高温，又要有良好的绝热性（导热性差），又要有低的热膨胀系数，使瓦片不容易脱落。 随着材料在高温和变温下工作的事例愈来愈

13、多，因此，我们对材料的热学性质也愈来愈关注。,（二）工程材料的其它性能 （自学）,1、热学性能,1）热膨胀原子（或分子）受热后平均振幅增加 结合键越强则原子间作用力越大，原子离开平衡位置所需的能量越高，则膨胀系数越小。 体积膨胀系数 线膨胀系数 2）热传导自由电子的运动和晶格振动。 导热系数：单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量 3）热容：材料在温度升高10时所吸收的热量叫做热容。 一克物质的热容也叫比热。,材料的热学性能与原子和自由电子的能量交换密切相关。,膨胀特性的意义在于：在工程应用中常常要了解材料在不同温度下尺寸的变化。 例如，在金属表面喷涂陶瓷材料时，希望它们膨胀系数尽可

14、能一致，不容易在温度变化时剥离；又如一种双金属片元件靠温度升高因膨胀量不同而弯曲，来执行切断电路的动作。 L随温度的变化愈小，也即是说，这种材料的热稳定性愈高。例如，一种称之为因瓦合金(Invar)的Fe-Ni合金，在陶瓷材料中的石英玻璃，尺寸稳定性很高。,固体材料中热的传导靠晶格振动波（声子）和自由电子来实现，因此，没有自由电子的陶瓷和高分子材料，它们的热传导能力要低1到2个数量级。气体的导热性差，所以，材料中存在孔隙时，导热率降低。,热容是指材料从周围环境中吸收热量的能力,2、电磁学性能,1）导电性,电阻率： 电导率：1/ 超导体：0 导体：=10-810-5 半导体：=10-5107 绝

15、缘体：=1071022,2）磁性,RLS,不同的磁质其磁化率不同。 对于顺磁质，磁化率是一个很小的正值，数量级为10-5到10-2， 对于抗磁质，磁化率是一个很小的负值，数量级为10-5。且它们的磁化率不随外磁场强度而变化。 对于铁磁质，磁化率则是一个较大的正值，且其磁化率随外磁场强度的变化而变化。,由于磁矩的存在，材料作为原子的集合体时，在磁性上就有不同的表现： 抗磁质(Diamagnetic Materials)：在磁场作用下，原子感应出的磁偶极子,其作用和磁场方向相反，使磁化强度为零，这就称为抗磁性。铜、银、金、锌、锗、铅、锑等具有抗磁质 顺磁质(Paramagnetic Materia

16、ls)：在磁场作用下，偶极子顺磁场方向排列，形成正的磁化强度。这种现象就称为顺磁效应 (Paramagnetism)。镁、钛、锆、铌、钽、铬、钼、钨、锰、铂、铝等为顺磁质。 铁磁质或铁磁材料(Ferromagnetic Materials)：铁、镍、钴等金属的3d 能级中有未填满的能级，存在不成对的永久偶极子。在磁场作用下，偶极子沿磁场方向排列，磁场得以增强，显示很高的导磁率。,铁磁材料磁化后，在磁场强度再度减小一直到零时，B的大小不按原曲线变化并减小至零，仍保留有相当的磁化强度，称之为剩磁Br(Remanence)，成为永久磁铁。 只有加反向磁场，使相反方向的磁畴形成并长大，磁畴重新回到无规状态