《材料科学基础 第２版 教学课件 ppt 作者 石德珂 西安交通大学 主编 第十章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料科学基础 第２版 教学课件 ppt 作者 石德珂 西安交通大学 主编 第十章（163页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第十章 材料概论,第一节 金属材料 第二节 高分子材料 第三节 工程陶瓷材料 第四节 复合材料,材 料 的 性 能,使用性能,工艺性能,力学性能,物理性能,化学性能,铸造性能,锻压性能,热处理性能,焊接性能,第一节 金属材料,力学性能,定义 : 是指金属材料在外力的作用下所表现出来的抵抗能力。,力 学 性 能,强度,硬度,断裂韧度,疲劳,主要指标：,塑性,韧性,强度 塑性,拉伸试验,拉伸试验,拉伸试验机,液压式万能电子材料试验机,* 拉伸试样：,长试样：L0=10d0 短试样：L0=5d0,力伸长曲线,O,屈服,弹性变形,缩颈,断裂,塑性变形,塑性变形:外力去除后不能消失的变形,弹性( ela
2、sticity ):金属材料受外力作 用时产生变形,当外力去掉后能恢复 到原来形状及尺寸的性能。,弹性变形( elastic deformation ): 随载荷撤除而消失的变形。,拉伸试样的颈缩现象,力伸长曲线,O,屈服,弹性变形,缩颈,断裂,塑性变形,强度(strength): 材料在力的作用下抵抗 变形和破坏的能力。,种类: 抗拉强度、 抗压强度、 抗弯强 度 、 抗剪强度 、 抗扭强度等。,(2)屈服强度( yield strength): 屈服点 S,规定残余伸长应力： r0.2 =Fr0.2/S 0,(3)抗拉强度( tensile strength ): 试样在断裂前所能承受的最
3、大应力。,力 学 性 能,强度,硬度,韧性,断裂韧度,疲劳,主要指标：,塑性,塑性(plasticity):是指材料在载荷作用下 产生塑性变形而不被破坏的能力。,(1)断面收缩率(percentage reduction in area): 是指试样拉断处横截面积S 1 的收缩量与原始横截面积S0之比。,(2)断后伸长率(延伸率) specific elongation: 是指试样拉断后的标距伸长量L 1与 原始标距L 0之比。, 10% 属塑性材料,长试样：10 简写为 短试样：5,同一种材料的5 10,硬度( hardness ),1.定义： 是指材料抵抗其它更硬物体压入其表面的能力。,2
4、.硬度试验方法： （1）压入法 （2）划痕法 （3）回跳法,布氏硬度HB 洛氏硬度HR 维氏硬度HV,压入法,(一)布氏硬度HB(Brinell-hardness),观看布氏硬度,1.压头：,淬火钢球 HBS 硬质合金钢球 HBW,2.试验原理：,用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后，测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值。,F F HB= = S Dh,D h = 2,D d 2 2,2,2,布氏硬度值450的材料,选用淬火钢球压头,例如：200HBS 350HBS,布氏硬度值450650的材料,选用硬质合金球压头,例如：550HBW 600HBW,3.标注
5、：,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:120HBS10/1000/30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。,4. 特点：,优点：,测量误差小（因压痕大），数据稳定，重复性强。,缺点：,压痕面积较大，测量费时。,应用：,常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火钢材的硬度。,不适于测量成品零件或薄件的硬度。,(二)洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness ),观看洛氏硬度,1.压头：,120金刚石圆锥体钢球 钢球,HRA HRC,HRB,2.试验
6、原理：,用锥顶角为120的金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后卸除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值。,h1,h2,h3,h,1-1 初载10kg h1,2-2 总载150kg h2,3-3 卸载140kg h3,最后测得： 残余压痕深度增量 h,HR=C-h/0.002,h=h3-h1,HR=h/0.002,洛氏硬度值的表示：,7085HRA 25100HRB 2070HRC,HRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不可直接比较大小,例如： 50HRC40HRC ,3.特点：,优点：,测量操作简单，方便快捷，压痕小；测量范围大，能
7、测较薄工件。,缺点：,测量精度较低，可比性差，不同标尺的硬度值不能比较。,是生产中应用最广 泛的硬度 试验方法。 可用于成品检验和薄件表面硬度检验。 不适于测量组织不均匀材料。,应用：,(三)维氏硬度 HV ( diamond penetrator hardness ),维氏硬度计,1.压头：,锥面夹角为136的金刚石 正四棱锥体,2.试验原理：,与布氏硬度试验原理基本相同。 只是压头改用了金刚石四棱锥体。,以一定的试验力将压头压入试样表面，保持规定时间卸载后，在试样表面留下一个四方锥形的压痕，测量压痕两对角线长度，以此计算出硬度值。,2.试验原理：,用压痕两对角线的平均长度来计算。,H V=
8、F/S,3.标注：,与布氏硬度基本相同，在后面要标注试验条件试验力和保持时间（1015S不标）。,例：580HV30表示用30kgf (294.2N)试验力保持1015S测定的维氏硬度值为580。,4.特点：,优点：,适用范围广，从极软到极硬材料都可测量;测量精度高，可比性强；能测较薄工件。,缺点：,测量操作较麻烦，测量效率低。,应用：,广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度检验。,不适于大批生产和测量组织不均匀材料。,韧性(toughness ):,材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。,1.定义：,冲击试验机,冲击试样和冲击试验示意图,2.金属的夏比冲击试验:,试样冲断时所消耗的冲击功A
9、k为:,A k = m g H m g h (J),g,冲击韧度ak 就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸收功。,3.韧脆转变温度:,-40,-20,0,20,20,40,60,ak,T(c),T，ak急剧 韧性脆性,金属材料的韧脆转变温度，材料的低温冲击韧性愈好。,断裂韧度,1、低应力脆断 有些零件在工作应力远远低于屈服点时就会发生脆性断裂。这种现象称为低应力脆断。,式中：Y_裂纹的几何形状因子; _外加应力（N/mm2）； a_裂纹的半长（mm）； K1_ 强度因子（MPam1/2或MNm-3/2）当K1达到临界值K1C时，零件内裂纹将发生失稳扩展而出现低应力脆性断裂，而K1K1C时，
10、零件安全可靠。,2、应力场强度因子,当K1达到临界值K1C时，零件内裂纹将发生失稳扩展而出现低应力脆性断裂，而K1K1C时，零件安全可靠。,3、断裂韧度K1C,材料抵抗裂纹扩展的能力断裂韧度表示。,反应材料有裂纹存在时，抵抗脆性断裂的能力。 K1c可通过试验来测定，它是材料本身的特性，与材料成分、热处理及加工工艺等有关。 为安全设计提供了一个重要的力学性能指标,常见工程材料的断裂韧度K1C值（MNm-3/2）,根据K1=Ya K1C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
11、以下三方面的工程实际问题：,1）根据零件的实际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、疲劳现象,零件在循环应力的作用，即使工作时承受的应力低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，在经受一定的应力循环后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳。,疲劳（ fatigue ）,2、疲劳极限-1: 表示金属材料在无数次交变
12、载荷作 用而不破坏的最大应力。,疲劳曲线,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、提高疲劳极限途径,改善零件的结构形状,降低表面粗糙度值,采取表面强化,1943年美国T-2油轮发生断裂,物理性能,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； 饱和磁化强度Ms和磁矫顽力c,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。 （
13、一）化学腐蚀 （二）电化学腐蚀 (三）提高零件耐蚀性的主要措施铝,定义： 高分子材料是指分子量大于10000以上的化合物(又称聚合物) 材料。 特点： 优点： 1、优良的加工性能 2、质轻，比强度高。 3、导热系数小。 4、化学稳定性能好 5、电绝缘性好 6、装饰性能好 缺点:易老化、易燃、耐热性差、刚度小。,第二节 高分子材料,1 高分子材料的组成 一、合成树脂 合成树脂是高分子材料的基本组成，是决定高 分子材料性质的主要成分，在高分子材料中的含量 可达30100。 1、 合成树脂按生产时的化学反应不同，可分为聚 合树脂和缩合树脂两类,聚合树脂：是由一种或一种以上单体经热、光及催化剂的作用聚
14、合而成的树脂。合成物的组成与单体的化学组成基本相同，分子为线型结构。 缩合树脂：由两种以上的单体经加热和催化剂 作用缩合而成的树脂。合成物的化学组成与反应单 体的组成完全不同，在反应过程中有低分子的反应 副产物产生(如水、氨等)。如酚醛树脂由苯酚和甲 醛经缩合而成；脲醛树脂由尿素与甲醛缩合而成。 缩合树脂的结构有体型结构和线型结构两种。,2、按加热时表现的性质分：热塑性树脂和热固性树脂两类。 热塑性树脂受热软化，冷却后变硬，反复多次 性质无明显变化，这类树脂的分子为线型结构，包 括全部聚合树脂及部分缩合树脂。 热固性树脂加热后先转变成粘稠状态，然后继 续发生化学变化而最终成为不熔、不溶的物质，
15、受 热后不再软化。这类树脂的分子为体型结构，它包 括大部分的缩合树脂。,二、填充料 为提高高分子材料的强度、耐热性、耐磨性、 硬度，降低高分子材料的成本，可掺入适量的填充 料。 常用的填充料有粉状和纤维状两类，粉状填充 料有木粉、滑石粉、石灰石粉、石英粉、铝粉、硅 藻土、碳黑等，纤维状填充料有石棉、玻璃纤维 等。 高分子材料中填充料的掺入量可达4070,三、添加剂 添加剂是为改善高分子材料性质而掺入的某些 助剂，如增塑剂、固化剂、稳定剂、抗老化剂、抗 静电剂、阻燃剂、着色剂、发泡剂等。,第十章 塑料,2 高分子材料(塑料)常用的品种 塑料是以合成树脂或天然橡胶为主要基料，与其它原料在一定条件下，经混炼、塑化、成型，且在常温下保持产品形状不变的材料。 塑料与合成橡胶、合成纤维并称为三大合成高分子材料,塑料装饰板 塑料地板 塑料地毯 塑料壁纸 塑料门窗 塑料管道,建筑塑料装饰品:,一、热塑性塑料 (一) 薄膜聚氯乙烯 (PVC) 硬质聚氯乙烯机械性能好，耐老化性能较好， 具有自熄性、良好的耐腐蚀性，易加工，价格低， 但耐热性较差，长期耐热温度不大于60（玻璃化 温度为80左右），是建筑工程中应用最为广泛的 一种塑料，如制造给排水管道、塑料门窗、电线配 管、装饰饰面板、楼梯扶手等。,近年来，我国已研制了高
