第一章金屬材料的力學性能ppt課件

第一章工程材料的分類與性能1.1工程材料的分類一、按來源分為天然材料和人工材料二、接用途分為結構材料和功能材料結構材料以力學性能為主，主要用于機械工程和建筑行業(yè)中。功能材料以特殊的物理、化學性能為主，具有聲、光、電、磁和熱等功能和效應的材料。聲隔音材料光光纖,三、按化學性質分為,電半導體材料，如二極管、晶體管等用于集成電路和通訊設備中磁磁性材料，磁性是物質普遍存在的屬性。通過磁光、磁電或磁熱效應應用于各類功能器件的材料。主要用于信磁性材料：只可以息記錄和存儲。是計算機外圍設備的關鍵材料，也是軟件和信息庫的基礎，用作磁記錄介質。如，磁帶、磁卡、磁盤等。,四、工程材料的常見分類,1、金屬材料（鋼鐵、非鐵金屬材料及其合金）2、高聚物材料（塑料、橡膠、合成纖維、涂料等）3、無機非金屬材料（水泥、玻璃、陶瓷材料、耐火材料）4、復合材料（金屬基、陶瓷基、樹脂基、金屬間化合物基）復合材料由兩種或兩種以上、具有明顯界面和特殊性能的人工合成的多相固體材料。組成包括基體和增強相。例如，玻璃鋼（基體：樹脂+增強相：玻璃纖維），具有高的比強度，密度小，耐熱，耐絕緣。主要用于軸承，軸承架，齒輪，車身。,五.工程材料的性能使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。包括力學性能、物理性能和化學性能。工藝性能：材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削性能等。,1.2材料的力學性能,材料的力學性能主要有：強度、塑性、硬度、沖擊韌度、疲勞極限和斷裂韌度。,（一）強度的概念,（二）強度的測定拉伸實驗,（三）強度指標,一、強度,返回,上一頁,下一頁,回主頁,（一）強度的概念1.定義指金屬在靜載荷作用下，抵抗塑性變形或斷裂的能力。載荷的類型通常分為：靜載荷、動載荷和變載荷。彈性變形：卸去載荷后，試樣能恢復到原狀的變形。塑性變形：卸去載荷后，試樣不能恢復到原狀的變形。,2.應用強度是機械零件（或工程構件）在設計、加工、使用過程中的主要性能指標，特別是選材和設計的主要依據(jù)。,返回,上一頁,下一頁,回主頁,（二）強度的測定拉伸實驗,1.拉伸試樣（GB6397-86）和拉伸試驗機,2.力伸長曲線（以低碳鋼試樣為例）,3.脆性材料的拉伸曲線,返回,上一頁,下一頁,回主頁,1.拉伸試樣（GB6397-86）,長試樣：L0=10d0,短試樣：L0=5d0,返回,上一頁,下一頁,回主頁,拉伸試驗機,2.力伸長曲線,彈性變形階段,屈服階段,頸縮現(xiàn)象,拉伸試驗中得出的拉伸力與伸長量的關系曲線。,強化階段,返回,上一頁,下一頁,回主頁,拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象,3.脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對比）,脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象。,返回,上一頁,下一頁,回主頁,低碳鋼的拉伸曲線,脆性材料的拉伸曲線,（三）強度指標,2.屈服點在拉伸試驗過程中，載荷不增加，試樣仍能繼續(xù)伸長時的應力，用符號s表示。,返回,上一頁,下一頁,回主頁,1.彈性極限材料產(chǎn)生完全變形時所承受的最大應力值，用符號e表示。,計算公式,脆性材料（如高碳鋼或經(jīng)過熱處理后的鋼）的屈服點（規(guī)定殘余伸長應力）：試樣卸除載荷后，其標距部分的殘余伸長率達到試樣標距長度的0.2%時的應力，用符號0.2表示。,返回,上一頁,下一頁,回主頁,應用：s和0.2常作為零件選材和設計的依據(jù)。,3.抗拉強度材料在斷裂前所能承受的最大應力，用符號b表示。,計算公式,應用：脆性材料制作機械零件和工程構件時的選材和設計的依據(jù)。,返回,上一頁,下一頁,回主頁,（二）衡量指標,二、塑性,金屬材料斷裂前發(fā)生永久變形的能力。塑性的測定拉伸實驗,斷面收縮率：,斷后伸長率：,試樣拉斷后，標距的伸長與原始標距的百分比。,試樣拉斷后，頸縮處的橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比。,返回,上一頁,下一頁,回主頁,（一）定義,斷后伸長率（）,l1試樣拉斷后的標距,mm;,l0試樣的原始標距,mm。,返回,上一頁,下一頁,回主頁,斷面收縮率（）,S0試樣原始橫截面積,mm2；,S1頸縮處的橫截面積,mm2。,返回,上一頁,下一頁,回主頁,三、硬度,返回,上一頁,下一頁,回主頁,（一）定義,材料抵抗表面局部塑性變形的能力。,（二）分類,按照壓力法，有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、顯微硬度等。,(1)原理,布氏硬度,返回,上一頁,下一頁,回主頁,（2）應用測量比較軟的材料。測量范圍HBS450、HBW650的金屬材料。,返回,上一頁,下一頁,回主頁,壓頭為鋼球時，布氏硬度用符號HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質合金時，用符號HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。,符號HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。如120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。,（3）優(yōu)缺點,布氏硬度的優(yōu)點：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。適于測量退火、正火、調質鋼,鑄鐵及有色金屬的硬度。材料的b與HB之間的經(jīng)驗關系：對于低碳鋼:b(MPa)3.6HB對于高碳鋼:b(MPa)3.4HB對于鑄鐵：b(MPa)1HB或0.6(HB-40),返回,上一頁,下一頁,回主頁,（1）原理,2.洛氏硬度,返回,上一頁,下一頁,回主頁,洛氏硬度用符號HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個標尺，常用的標尺為A、B、C。,（2）應用范圍,2067,1500N,120金剛石圓錐體,HRC,25100,1000N,1.588mm鋼球,HRB,7085,600N,120金剛石圓錐體,HRA,返回,上一頁,下一頁,回主頁,常用洛氏硬度標度的試驗范圍,優(yōu)點：操作簡便、迅速，效率高，可直接測量成品件及高硬度的材料。,（3）優(yōu)缺點,缺點：壓痕小，測量不準確，需多次測量。,返回,上一頁,下一頁,回主頁,3.維氏硬度,維氏硬度用符號HV表示，符號前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。根據(jù)施加的載荷范圍不同，規(guī)定了三種維氏硬度的測定方法維氏硬度試驗、小負荷維氏硬度試驗、顯微維氏硬度試驗。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點，既可測量由極軟到極硬的材料的硬度，又能互相比較。既可測量大塊材料、表面硬化層的硬度，又可測量金相組織中不同相的硬度。,四、沖擊韌度,金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。,（三）沖擊試驗原理及方法,（一）定義,（二）沖擊試樣,返回,上一頁,下一頁,回主頁,計算公式Ak=GH1-GH2=G（H1-H2）,試驗原理：試樣被沖斷過程中吸收的能量即沖擊吸收功（Ak）等于擺錘沖擊試樣前后的勢能差。,返回,上一頁,下一頁,回主頁,試驗過程如圖所示。,沖擊韌度（ak）：沖擊吸收功除以試樣缺口處截面積。,建造中的Titanic號,Titanic號鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗結果,五、疲勞,材料在低于s的重復交變應力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。材料在規(guī)定次數(shù)應力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時的最大應力稱為疲勞極限。用-1表示。鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107，有色金屬合金為108。,疲勞斷口,通過改善材料的形狀結構，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進行表面強化等方法可提高材料疲勞抗力。,六、斷裂韌性,應力強度因子：描述裂紋尖端附近應力場強度的指標。,斷裂韌性：材料抵抗內部裂紋失穩(wěn)擴展的能力。C為斷裂應力，aC為臨界裂紋半長，單位為,第三節(jié)材料的其他性能,一、物理性能,1.密度和熔點,密度：單位體積內材料的質量。熔點：材料的熔化溫度。金屬都有固定的熔點，非金屬材料如高分子材料沒有固定的熔點。,2.電學性能導電性,RLS電阻率：電導率：1/超導體：0導體：=10-8-10-5半導體：=10-5-107絕緣體：=107-1022,3.熱學性能材料的熱學性能與原子和自由電子的能量交換密切相關。熱膨脹原子（或分子）受熱后平均振幅增加（1）體積膨脹系數(shù)（2）線膨脹系數(shù)結合鍵越強則原子間作用力越大，原子離開平衡位置所需的能量越高，則膨脹系數(shù)越小。,熱傳導自由電子的運動和晶格振動。,導熱系數(shù)：單位溫度梯度下，單位時間內通過單位垂直面積的熱量：,熱容材料在溫度升高10C時所吸收的熱量叫做熱容。一克物質的熱容也叫比熱。,4.磁性,（1）物質接磁性分類：抗