《工程材料基础课件：（第一章）工程材料的性能》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程材料基础课件：（第一章）工程材料的性能（84页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第一章第一章工程材料的性能工程材料的性能性能工艺性能：铸造性能、可锻性、可焊性、切削加工性和热处理工艺性等使用性能力学性能力学性能：强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等化学性能：抗氧化性和耐腐蚀性物理性能：密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性和 磁性等变形失效变形失效变形失效变形失效塑塑塑塑性性性性变变变变形形形形弹弹弹弹性性性性变变变变形形形形断裂失效断裂失效断裂失效断裂失效蠕蠕蠕蠕变变变变断断断断裂裂裂裂韧韧韧韧性性性性断断断断裂裂裂裂脆脆脆脆性性性性断断断断裂裂裂裂疲疲疲疲劳劳劳劳断断断断裂裂裂裂表面损伤失效表面损伤失效表面损伤失效表面损伤失效腐腐腐腐蚀蚀蚀蚀失失失失效效效效磨磨磨磨损损损
2、损失失失失效效效效 零件失效的形式零件失效的形式零件失效的形式零件失效的形式起落架横梁断裂磨损疲劳断裂1.1 强度与塑性strength and plasticity1.1.1 抗拉强度及刚度抗拉强度及刚度力学性能力学性能在载荷作用下材料抵抗塑性变形和断裂的能力。测定方法： 拉伸试验力学性能一、 强度 Strength注： （依载荷不一样仍有区分，但一般多指抗拉强度，简称强度。）强度单位: MPa ( MN/m2 )力学性能拉伸试验设备及标准试样 低碳钢拉伸时的应力-应变 The Stress-strain behavior of low carbon steelspecimen 低碳钢拉伸时
3、的应力-应变The Stress-strain behavior of low carbon steelOA段: 弹性变形elastic deformationABC段: 屈服 yield CDE段: 塑性变形plastic deformation E: 断裂 fracture 拉伸三个阶段弹性变形阶段弹性变形阶段0-p-e弹塑性变形阶段弹塑性变形阶段 (屈服-强化-颈缩） e-s s-s s-b b-k断裂断裂 koFs拉力bksspe 伸长量mmD l Fb拉伸曲线力学性能拉伸三个阶段弹性变形阶段弹性变形阶段0-p-e弹塑性变形阶段弹塑性变形阶段 (屈服-强化-颈缩） e-s s-s s-
4、b b-k断裂断裂k力学性能osMPabksspe e =D L/Lob应应力力：试样单位面积上所承受的力应应变变：试样单位长度上的伸长量力学性能强度的指标材料所能承受的极限应力 = F / A 强度 Strengthn 屈服强度yield strengthn 抗拉强度tensile strengthStress-strain curve of annealed low carbon steel ssbs1. 屈服强度 Yield Strength（p 表示比例极表示比例极限；限； e 表示表示弹性极限弹性极限）osMPabksspe e =D l/Lob屈服强度屈服强度( s )指材料产生屈
5、服时的最小应力。力学性能2. 抗拉强度 (b ) Tensile Strength 指材料拉伸所能承受的最大应力。p 比例极限 e 弹性极限s 屈服极限b 强度极限osMPabksspe e =D l/Lob力学性能应用与判断：应用与判断：W s 不发生塑变不发生塑变W b 不发生断裂不发生断裂力学性能思考：思考： 有了强度指标，是否有了强度指标，是否我们就可以成功的完成飞我们就可以成功的完成飞机的设计任务了呢？机的设计任务了呢？例如：设计飞机机翼时例如：设计飞机机翼时W s 只弹变不塑变，是否就可以了呢？只弹变不塑变，是否就可以了呢？ 力学性能3. 刚度与弹性模量刚度rigidity是指零件
6、或构件抵抗弹性变形的能力。（取决于材质与结构形状；材质方面取决于它的弹性模量）力学性能o1 2弹性模量 modulus of elasticity是指在比例极限(p )范围内，应力与应变之比。 E=s/e力学性能1.1.2 塑性 plasticity 在外力作用下材料产生永久变形而不被破坏的能力。断面收缩率()。即： A0-A1 y = 100 A0 伸长率() L1-L0 = 100 L0力学性能lodol1d1n 截面收缩率 nContraction ratio of area at fracture face 塑性 Plasticityn 延伸率 nTensile elongation0
7、0100%L LLd-=00100%A AAy-=注：试样分长短两种，同一材料的 5 10 。与试样的尺寸无关，、值越大，表示金属的塑性越好。力学性能(、不直接用于工程设计)良好的塑性可以顺利地完成某些成型工艺，如翼肋、火焰筒的冷冲压及涡轮盘、涡轮轴的锻造等。良好的塑性还可以在一定程度上保证零件的工作安全，在零件使用时万一超载，塑性变形引起的强化作用使零件不致于突然断裂。过高地追求塑性，会降低材料的强度 1.2 硬度 Hardness 材料抵抗表面划伤、磨损或局部塑性变形及破坏的能力。常用硬度测定方法: 硬物压入法布氏硬度: Brinell Hardness (HB)洛 氏 硬 度 :Rock
8、well Hardness (HR)力学性能 1.2.1 布氏硬度(HB) 硬物：球形压头(D = 10、5、2.5、2、1mm)载荷：P ( kgf )P D h dHBSHBS:普通淬火钢球硬度值在450以下HBW:硬质合金球硬度值在450650 HBS(HBW)= PF力学性能布氏硬度布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )布氏硬度计布氏硬度计 布氏硬度F载荷 （Force）A面积 （Area )HB= HB= F FAA特点：压坑面积大，受材料不均匀度影响小，故测量误差小，硬度值准确、真实。布氏硬度(HB) 布氏硬度计布氏硬度计 1.2.2 洛氏硬度(HR)硬物： 顶角
9、 120金钢石圆锥或直径为1.588mm淬火钢球力学性能洛氏硬度洛氏硬度 HR ( Rockwell hardness )h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度计 HR (Hardness Rockwell)载荷：初载荷10kg并压入深度h1主载荷(50kg或90kg 或140kg)使压入深度达h2 ；卸除主载荷、保留初载荷，压入深度减小为h3 。洛氏硬度的计算深度值h= h3 -h1。 HR = 01230 1 2 3 h1 h3 h2 K= 0.2压头被测材料硬物：顶角120金钢石圆锥(或1.588mm淬火钢球)K-h0.002洛氏硬度(HR)特点：测量简便迅速，
10、直接读数，表面压痕小误差稍大，需多点测量取平均值。压头主载荷 测量范围 应用材料HRA 金刚石50kg2088表面硬化层硬质合金等HRB淬火钢球淬火钢球 90kg20100有色金属，退火、正火钢等HRC 金刚石140kg2070淬火钢、调质钢等洛氏硬度(HR)几种常用洛氏硬度标度压头F测量范围应用材料HRAdiamond490N2088Surface hard steel HRBSteel ball882N20100Soft steel, non-ferrous metals HRCdiamond1372N2070Quenching steel 1.2.3 维氏硬度(HV)压头：顶角为136的
11、金刚石正四棱锥体 HV = 载荷P：分为六级 (5,10,20,30,50,100Kg)。ddP136 PF特点：测量精度高，测量范围宽，应用广。不同载荷下维氏硬度可以相互比较。力学性能维氏硬度维氏硬度 HV ( Vickers Hardness )HV= HV= F FAA硬度的应用: P.6对于工具、模具和有耐磨性要求的零件的使用性能指标，(例如：高速钢车刀、铣刀、钻头等）零件强度的估算，如对于低碳钢，也可采用硬度与强度换算表(见手册)。力学性能旧闻报道（I）北京日报消息：2001年 9月，中国民航一架客机起飞后感觉情况异常，随后在密云上空指定区域将所有航空煤油放掉，放掉，然后降落。力学性
12、能旧闻报道(II) 北京电台消息：2002年 8月北京飞往莫斯科的俄罗斯航空公司的一架伊尔86客机，在飞抵中蒙边境后，由于意外原因不得不返回北京，返回后，又由于重量原因，在北京首都机场上空盘旋了1小时 20分钟后，才重新降落北京首都机场。力学性能力学性能1.3 冲击韧性 Impact Toughness（力与速度，能量参数） 大能量一次冲击试验5510855108 240 3022横梁式悬梁式力学性能冲击试验机冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图冲击试样和冲击试验示意图impacttestAk=G(H-h) ak = (J/cm2)冲击 h试样摆锤 H备注：P.6 金属材料的ak 不能直接用于零
13、件的设计计算冲击吸收功（AK）：冲断试样所消耗的功(J)冲击韧性（aK）：冲断试样横截面单位面积上所消耗的功(J/cm2)AkS力学性能冲击韧性冲击韧性ak Ak - Impact work ( J ) S - Area of fracture face（cm 2） Ak ak = (J/cm2) S19世纪瓦特发明了蒸汽机，随后火车得到应用，再随后一段时间，火车轮轴成批断裂 考查结果： W s 历史事件历史事件力学性能1.4 疲劳断裂和疲劳强度 机械零件在交变载荷作用下，其工作应力远小于抗拉强度，甚至小于屈服强度时，在长时间工作后发生突然断裂的现象称为: 疲劳断裂疲劳断裂 力学性能机理：缺陷
14、处首先产生疲劳裂纹，并随应力循环不断扩展，直至突然断裂。 疲劳断口图疲劳源裂纹扩展最终破断区力学性能疲劳实验 试样负荷计数器电机轴承支座力学性能疲劳曲线是维勒Wohler在1860年为解决火车车轴断裂失效时首先提出的，所以也称维勒曲线 一般钢铁的循环基数N取107 次，有色金属的循环基数N取108 次。材料承受对称循环交变应力时的疲劳强度用-1 表示。钢材的-1 只有b 的50左右。 疲劳曲线 107力应-1力学性能疲劳强度 fatigue strength 是指材料经无限多次应力循环仍不断裂时的最大应力。它表征了材料抵抗疲劳断裂的能力。采取改进设计(避免尖角连接、降低表面粗糙度值等)采取表面
15、强化工艺(表面淬火、化学热处理、喷丸、滚压等) 加强原材料和零件成品的内部缺陷检查也可减少或避免疲劳断裂。1.5 高温力学性能 Thermal Properties当约比温度当约比温度T/ /Tm m大于大于0.50.5时为高温，反之为低温时为高温，反之为低温。蠕变 就是金属材料长时间的在一定温度、一定应力作用下，即使应力小于0.2 或 s ,也会缓慢地发生塑性变形的现象。典型的蠕变曲线分为三个阶段。蠕变减速阶段。稳态蠕变阶段。蠕变加速阶段， 直至断裂。aabcdo变形第二阶段第三阶段第一阶段时间温度压力恒定力学性能1.5.1 蠕变强度蠕变强度蠕变强度 是指材料在高温长时载荷作用下抵抗塑性变形
16、的能力。(1)在规定时间内达到规定变形量的蠕变强度，记为/ t 单位（MPa） 例如 0.2/1000 = 60MPa (2)稳态蠕变速度达到规定值时的蠕变强度，记为 T / v 单位（MPa） 例如 110 -5 = 60MPa 800T600力学性能1.5.2 持久强度持久强度是指材料在高温长时载荷作用下抵抗断裂的能力。记为记为T / t 例如 1000 = 30MPa700650 高温疲劳材料在高温测得的疲劳强度。 例如 -1 = 40MPa1.5.3 高温疲劳力学性能1.6材料的物理及化学性能P.91.6.1金属的物理Physical、 化学性能Chemical Properties物
17、理性能轻金属：轻金属： 密度小于5103kgm3的金属，如铝、镁、钛及它们的合金。 (多用于航天航空器上)重金属：重金属：密度大于5103kgm3的金属，如铁、铅、钨等。1. 金属的物理性能（1）密度单位体积物质的质量称为该物质的密度：=m/V物理性能 (2)熔点金属从固态向液态转变时的温度称为熔点，纯金属都有固定的熔点。难熔金属难熔金属，如钨、钼、钒等，可以用来制造耐高温零件，如在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。易熔金属易熔金属，如锡、铅等，可用于制造保险丝和防火安全阀零件等。物理性能(3)导热性导热性通常用热导率来衡量。热导率的符号是，单位是WmK。热导率越大，导热性越好
18、。金属的导热性以银为最好，铜、铝次之。合金的导热性比纯金属差。在制造散热器、热交换器与活塞等零件时，要选用导热性好的金属材料。物理性能(4)导电性传导电流的能力称导电性，用电阻率来衡量，电阻率的单位是m。电阻率越小，金属材料导电性越好，金属导电性以银为最好，铜、铝次之。合金的导电性比纯金属差。电阻率小的金属(纯铜、纯铝)适于制造导电零件和电线。电阻率大的金属或合金(如钨、钼、铁、铬)适于做电热元件。物理性能(5)热膨胀性热膨胀性用线膨胀系数aL和体胀系数 av来表示。由膨胀系数大的材料制造的零件，在温度变化时，尺寸和形状变化较大。轴和轴瓦之间要根据其膨胀系数来控制其间隙尺寸；在热加工和热处理时
19、也要考虑材料的热膨胀影响，以减少工件的变形和开裂。物理性能(6)磁性铁磁性材料：在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钴等；顺磁性材料：在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等；抗磁性材料：能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用如铜、锌等。铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。抗磁性材料则用于要求避免电磁场干扰的零件和结构材料，如航海罗盘。铁磁性材料当温度升高到一定数值时，磁畴被破坏，变为顺磁体，这个转变温度称为居里点，如铁的居里点是770。物理性能2.金属的抗蚀性化学性能-腐蚀的原因腐蚀的原因 化学腐蚀 电化学腐蚀 化学性能材料抵抗环境介质腐蚀的能力叫做材料的抗蚀性。金属的抗蚀性化学性能1
20、）化学腐蚀 金属与周围介质发生纯化学作用产生的腐蚀金属在干燥气体中的腐蚀。如高温燃气对涡轮喷气式发动机零部件的腐蚀。金属在非电解液中的腐蚀。如飞机管路系统受汽油、滑油的腐蚀。特点：腐蚀过程中不产生电流。腐蚀速度慢、危害小。化学性能条件：必须有两相或两种电极电位不同的金属有电解液三者相互接触i2）电化学腐蚀指金属和周围介质发生电化学作用而产生的腐蚀。特点：伴有电流产生，腐蚀速度快，危害大化学性能1.6.2 高分子材料的物理、高分子材料的物理、 化学性能化学性能 Properties of Polymers非金属物理化学性能1.绝缘性绝缘性高聚物分子的化学键为共价键，不能电离，没有自由电子和可移动
21、的离子，因此是良好的绝缘体，绝缘性能与陶瓷相当。另外，由于高聚物的分子细长、卷曲，在受到热和声的影响之后振动困难，所以对热、声也有良好的绝缘性能。例如，塑料的导热性就只有金属的百分之一以下。非金属物理化学性能2.耐热性耐热性高聚物的耐热性是指它对温度升高时性能明显降低的抵抗能力。塑料的耐热性常采用马丁耐热温度表达。将标准试样(120mm15mm10mm)置于马丁耐热仪中，施加一定的静弯应力(5MPa)，缓慢加热，使试样末端弯曲到指定大小(6mm)时的温度，即为该塑料的马丁耐热温度()。非金属物理化学性能热固性塑料的耐热性比热塑性塑料高。常用热塑性塑料如聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙等，长期使用温度一般
22、在100以下；热固性塑料如酚醛塑料的长期使用温度为130150；耐高温塑料如有机硅塑料等，可在200300使用。 同金属比较，高聚物的耐热性是较低的，这是高聚物的一大不足。非金属物理化学性能3.耐蚀性高聚物的化学稳定性很高。它们耐水和无机试剂、耐酸和碱的腐蚀。尤其是被誉为塑料王的聚四氟乙烯，不仅耐强酸、强碱等强腐蚀剂，甚至在沸腾的王水中也很稳定。耐蚀性好是塑料的优点之一。非金属物理化学性能4.老化老化老化是指高聚物在长期使用和存放过程中，由于受各种因素的作用，性能随时间不断恶化，逐渐丧失使用价值的过程。非金属物理化学性能1.6.3陶瓷陶瓷(ceramics)的物理和化学性能的物理和化学性能1.
23、热膨胀性能热膨胀是温度升高时物质原子振动振幅增大，原子间距增大所导致的体积长大现象。热膨胀系数的大小与晶体结构和结合键强度密切相关。键强度高的材料热膨胀系数低；结构较紧密的材料的热膨胀系数较大，所以陶瓷的线膨胀系数比高聚物低，比金属更低。非金属物理化学性能2.导热性导热性导热性为在一定温度梯度作用下热量在固体中的传导速率。陶瓷的热传导主要依靠原子的热振动，由于没有自由电子的传热作用，陶瓷的导热性比金属小。受其组成和结构的影响，一般导热系数A250W(mK)。陶瓷中的气孔对传热不利。所以，陶瓷多为较好的绝热材料。非金属物理化学性能3.热稳定性热稳定性热稳定性为陶瓷在不同温度范围波动时的寿命，一般
24、用急冷到水中不破裂所能承受的最高温度来表达。例如，日用陶瓷的热稳定性为220。它与材料的线膨胀系数和导热性等有关。线膨胀系数大和导热性低的材料的热稳定性低；韧性低的材料的热稳定性也不高。所以陶瓷的热稳定性很低，比金属低得多。这是陶瓷的另一个主要缺点。非金属物理化学性能4.化学稳定性化学稳定性陶瓷的结构非常稳定。在以离子晶体为主的陶瓷中，金属原子为氧原子所包围，被屏蔽在其紧密排列的间隙中，很难再同介质中的氧发生作用，甚至在千度以上的高温下也是如此，所以是很好的耐火材料。另外，陶瓷对酸、碱、盐等腐蚀性很强的介质均有较强的抵抗能力，与许多金属的熔体也不发生作用，所以也是很好的坩蜗材料。非金属物理化学
25、性能5.导电性导电性陶瓷的导电性变化范围很广。由于缺乏电子导电机制，大多数陶瓷是良好的绝缘体；但不少陶瓷既是离子导体，又有一定的电子导电性；许多氧化物，例如ZnO、NiO、Fe3O4等实际上是重要的半导体材料。总之，陶瓷材料的性能特点有：具有不可燃烧性、高耐热性、高化学稳定性、不老化性、高的硬度和良好的抗压能力，但脆性很高，温度急变抗力很低，抗拉、抗弯性能差。非金属物理化学性能作业作业P.14 习题 2、 3 、 4、 5、 8、9、10习题答案4. 答:这批钢材的性能合格 抗拉强度 431MPa 屈服强度264MPa延伸率30% 断面收缩率64%5. 答: 铁的应变量 2.3 10 -4 铝的应变量 6.94 10 -4碳纤维的应变量 1.26 10 -4
