材料性能及應(yīng)用意義課件

1、2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義1第一章 材料的性能及應(yīng)用意義 主講老師：黃彩娥 教授2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義2第一章第一章 材料的性能及應(yīng)用意義材料的性能及應(yīng)用意義 v材料滿足產(chǎn)品使用需要的特性: v使用性能使用性能材料滿足產(chǎn)品使用需要的特性，包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能；v工藝性能工藝性能材料對其所涉及的加工工藝的適應(yīng)能力，包括鑄造性能、塑性加工性能、鑄造性能、塑性加工性能、切削加工性能、焊接性能和熱處理性能切削加工性能、焊接性能和熱處理性能等。 2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義3第一章第一章 材料的性能及應(yīng)用意義材料的性能及應(yīng)用意義 v全面地

2、理解材料性能及其變化規(guī)律，是機(jī)械設(shè)計(jì)、選材用材、制訂加工工藝及質(zhì)量檢驗(yàn)的重要依據(jù)。v作為材料性能的兩個(gè)方面，使用性能和工藝性能既有聯(lián)系又有區(qū)別，兩者有時(shí)是統(tǒng)一的，但更多的情況下卻互相矛盾。合理地解決兩者間的矛盾并使之不斷改善和創(chuàng)新，是材料研究與應(yīng)用的主要任務(wù)之一。 2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義4第一章第一章 材料的性能及應(yīng)用意義材料的性能及應(yīng)用意義 v第一節(jié)第一節(jié) 材料性能依據(jù)材料性能依據(jù) v第二節(jié)第二節(jié) 材料的使用性能材料的使用性能 v第三節(jié)第三節(jié) 材料的工藝性能材料的工藝性能v第四節(jié)第四節(jié) 材料的環(huán)境性能材料的環(huán)境性能2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義5第一節(jié)第一節(jié) 材料性能依據(jù)材料

3、性能依據(jù) v材料的性能是一種參量，用于表征材料在給定的外界條件下所表現(xiàn)出來的行為。 v材料的化學(xué)成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)是性能的內(nèi)部依據(jù)內(nèi)部依據(jù)，而性能則是指確定成分和結(jié)構(gòu)的材料的外部表現(xiàn)外部表現(xiàn)。v結(jié)構(gòu)是一個(gè)廣泛的概念，它包括原子結(jié)構(gòu)、結(jié)合鍵、原子排列方式(晶體、非晶體與晶體缺陷)以及組織(顯微組織與宏觀組織)等四個(gè)層次。 2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義6第一節(jié)第一節(jié) 材料性能依據(jù)材料性能依據(jù)v性能一般必須量化表示性能一般必須量化表示，因而它通常是依照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定通過不同的試驗(yàn)來測定表述通過不同的試驗(yàn)來測定表述的，這便是我們從材料手冊或設(shè)計(jì)資料上獲得的性能參數(shù)。v實(shí)際工件的性能實(shí)際工件的性能首先取決于

4、材料的性能，但須考慮到工件的形狀尺寸、加工工藝過程和須考慮到工件的形狀尺寸、加工工藝過程和使用條件使用條件對其重要的影響。2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義7第一節(jié)第一節(jié) 材料性能依據(jù)材料性能依據(jù)v材料科學(xué)與工程是依據(jù)材料科學(xué)與工程是依據(jù)“工藝結(jié)構(gòu)性能 ”這條思路去控制或改變材料的性能，即工藝影響結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)決定性能。 v工藝”主要是指材料的制備和加工工藝 。v改變結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)注意它的可變性以及因這種改變對于性能改變的敏感性。 結(jié)構(gòu)不敏感性能 結(jié)構(gòu)敏感性能 2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義8第二節(jié) 材料的使用性能 v材料的使用性能材料的使用性能: 力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能v由于工程結(jié)構(gòu)與機(jī)器

5、零件以傳遞力和能、實(shí)現(xiàn)規(guī)定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)為主要功能，因此力學(xué)性力學(xué)性能是最主要的能是最主要的。 2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義9第二節(jié) 材料的使用性能 v一、力學(xué)性能一、力學(xué)性能 v二、物理性能二、物理性能 v三、化學(xué)性能三、化學(xué)性能 2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義10 一、力學(xué)性能一、力學(xué)性能 v力學(xué)性能力學(xué)性能 材料在載荷(外力)作用下所表現(xiàn)出的行為。v常用的力學(xué)性能常用的力學(xué)性能 強(qiáng)度、塑性、剛度、彈性、硬度、韌性、疲勞性能和耐磨性等。 2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義11 一、力學(xué)性能一、力學(xué)性能 v(一一)強(qiáng)度強(qiáng)度 v(二二)剛度剛度 v(三三)彈性彈性v(四四)塑性塑性v(五

6、五) 硬度硬度v(六六)韌性韌性 v(七七)疲勞性能疲勞性能 v( (八八) )耐磨性耐磨性 2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義12(一一)強(qiáng)度強(qiáng)度 v強(qiáng)度的定義：v靜拉伸試驗(yàn)(T1-1):v強(qiáng)度指標(biāo)： 1、比例極限比例極限(p) 2、彈性極限彈性極限(e) 3、屈服點(diǎn)和屈服強(qiáng)度屈服點(diǎn)和屈服強(qiáng)度(s、0.2) 4、抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度(b) v從強(qiáng)度指標(biāo)派生出來的指標(biāo)： 比強(qiáng)度 屈強(qiáng)比。 2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義132022-5-2材料性能及應(yīng)用意義14(一一)強(qiáng)度強(qiáng)度v材料強(qiáng)度指標(biāo)是其組織結(jié)構(gòu)敏感性參數(shù)，合金化、熱處理及各種冷熱加工可在很大程度上改變它的大小。 2022-5-2材料性能

7、及應(yīng)用意義15(二二) 剛度剛度 v1概念概念 材料對彈性變形的抵抗能力剛度(或剛性)。 在應(yīng)力應(yīng)變曲線上的彈性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變的比值即為材料剛度。常用的有正彈性模量E。v2影響因素影響因素 金屬材料而言，其彈性模量E(剛度)主要取決于基體金屬的性質(zhì)，當(dāng)基體金屬確定時(shí)，難于通過合金化、熱處理、冷熱加工等方法使之改變，即E是結(jié)構(gòu)不敏感性參數(shù)。 陶瓷材料、高分子材料、復(fù)合材料的彈性模量對其成分和組織結(jié)構(gòu)是敏感的，可以通過不同的方法使其改變。 2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義16(三三) 彈性彈性 v材料的彈性材料的彈性 用來描述在外力作用下材料發(fā)生彈性行為的綜合性能指標(biāo)，前已述及的比例極限外

8、p、彈性極限e和彈性模量E等在一定的程度上均可用來說明材料的彈性性能。 v最直接的彈性性能指標(biāo)(圖1-2) ：1、最大彈性變形量最大彈性變形量(e) 2、彈性比功彈性比功 3、滯彈性滯彈性(彈性滯后) 2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義172022-5-2材料性能及應(yīng)用意義18(四四)塑性塑性 v1、概念 塑性是指材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力，即材料斷裂前的塑性變形的能力 。材料的塑性，常用試樣拉斷后的伸長程度(伸長率伸長率)和斷面的收縮程度(斷面收縮率斷面收縮率)來表示。 2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義19(四四)塑性塑性v2、塑性指標(biāo)的應(yīng)用意義 材料的塑性指標(biāo)一般不直接用

9、于機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算，但設(shè)計(jì)師往往要對所用材料提出一定的塑性要求，這是因?yàn)椋?(1)材料的塑性有保證通過此部位的局部塑性變形來 削減應(yīng)力峰，緩和應(yīng)力集中的作用，從而防止零件出現(xiàn)未能預(yù)測的早期破壞； (2)發(fā)生塑性變形和因此而引起的形變強(qiáng)化可保證零件的安全以避免斷裂，即具有抵抗過載的能力； 2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義20(四四)塑性塑性(3)發(fā)生塑性變形過渡而不是直接發(fā)生突然斷裂，即便最終要斷裂 (4)材料具有一定的塑性可保證某些成形工藝和修復(fù)工藝的順利進(jìn)行；(5)塑性指標(biāo)還能反映材料的冶金質(zhì)量的好壞，故是材料生產(chǎn)與加工質(zhì)量的標(biāo)志之一。 2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義21(四四)塑性塑性v

10、輔助說明：v材料的塑性與其強(qiáng)度指標(biāo)一樣，也是結(jié)構(gòu)敏感性參數(shù)，可通過各種方法使之改變。v金屬材料之所以在過去、現(xiàn)在乃至將來都有廣泛的應(yīng)用，其主要原因之一并不是它的強(qiáng)度，而恰恰在于其良好的塑性 2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義22(五五) 硬度硬度 v硬度硬度 定義：定義：v硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)：硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)：v硬度的種類硬度的種類 1、布氏硬度(HBW) 2、洛氏硬度(HRA HRB HRC) 3、其它硬度 維氏硬度HV 顯微硬度HV 莫氏硬度 2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義23(五五) 硬度硬度v由于各種硬度的試驗(yàn)條件不同，故相互間無理論換算關(guān)系。但在一定條件下存在著某種粗略的經(jīng)驗(yàn)換算關(guān)系。

11、2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義24(六六)韌性韌性 v韌性 ：v評定材料韌性的力學(xué)性能指標(biāo) ： 1、沖擊韌度 (1)概念 (2)應(yīng)用意義 (3)局限性多沖抗力 （T1-4) 2、斷裂韌度斷裂韌度(KC) 臨界斷裂判據(jù) ：K=Y1/2 KC2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義25(六六)韌性韌性v1)根據(jù)零件的實(shí)際名義工作應(yīng)力和其內(nèi)可能的裂紋尺寸，確定材料應(yīng)有的斷裂韌度Kic，為正確選材為正確選材提供依據(jù)提供依據(jù)。 v2)根據(jù)零件所使用的材料斷裂韌度尺Kic及已探傷出的零件內(nèi)存在的裂紋尺寸，確定零件的臨界斷裂應(yīng)力c，為零件最大承載能力設(shè)計(jì)提供依據(jù)為零件最大承載能力設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 v3)根據(jù)已知

12、材料的斷裂韌度置Kic，和零件的實(shí)際工作應(yīng)力，估算斷裂時(shí)的臨界裂紋長度，為零件的為零件的裂紋探傷提供依據(jù)裂紋探傷提供依據(jù)。 2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義26(七七)疲勞性能疲勞性能 v1、疲勞基本概念 v2、疲勞基本過程 v3、疲勞抗力指標(biāo) v4、影咽疲勞極限的因素2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義271、疲勞基本概念v交變載荷 v描述交變載荷的參數(shù)v疲勞斷裂 v疲勞斷裂的特點(diǎn)2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義282、疲勞基本過程疲勞基本過程v疲勞斷口的三個(gè)典型區(qū)域（圖1-5 ）v疲勞過程 ： (1)裂紋萌生 (2)裂紋擴(kuò)展 (3)最后斷裂 2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義293疲勞抗

13、力指標(biāo)疲勞抗力指標(biāo) v疲勞類型不同則其疲勞抗力指標(biāo)也不一樣 應(yīng)力疲勞或高周疲勞（主要疲勞） 應(yīng)變疲勞或低周疲勞v用以評定材料疲勞性能的疲勞抗力指標(biāo)很多，主要有疲勞極限(或疲勞強(qiáng)度)-1。v最常用的疲勞試驗(yàn)是旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)。 v部分工程材料的疲勞極限表（B1-4） 2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義304、影咽疲勞極限的因素v(1)材料本質(zhì) v(2)零件表面強(qiáng)化處理 v(3)零件表面狀況 v(4)載荷類型 v(5)工作溫度 v(6)腐蝕介質(zhì)2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義31( (八八) )耐磨性耐磨性 v磨損磨損: :v1、磨損的主要類型與機(jī)理磨損的主要類型與機(jī)理 (1)粘著磨損 (2)磨

14、粒磨損 v2、提高材料耐磨性的途徑提高材料耐磨性的途徑 材料抵抗磨損的能力稱為耐磨性，可用磨損量或相對磨損性來表示，常通過實(shí)物磨損試驗(yàn)或試樣磨損試驗(yàn)來測定。 (1)粘著磨損粘著磨損 (2)磨粒磨損磨粒磨損 2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義32(1)粘著磨損粘著磨損v提高其耐磨性的具體措施有：v減小表面摩擦因數(shù)或提高材料表面硬度，采用各種表面處理v減小接觸壓力v合理選配摩擦副材料v減小表面粗糙度值以增大實(shí)際接觸面積，從而降低接觸壓應(yīng)力v改善潤滑狀況。 2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義33(2)磨粒磨損磨粒磨損 v改善其耐磨性的具體措施有：v提高材料的硬度，可通過合理選用高硬度材料如高碳鋼、耐

15、磨鑄鐵、陶瓷等，采用表面強(qiáng)化處理來實(shí)現(xiàn)。v設(shè)計(jì)時(shí)合理采用減小接觸壓力的措施，工作時(shí)改進(jìn)潤滑油過濾裝置以及時(shí)清除磨屑。 2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義34二、物理性能二、物理性能v固體材料中，由原子、離子、電子及它們之間的相互作用所反映出現(xiàn)的物理性能，不僅對工程材料的選用有著重要的意義，而且也會(huì)對材料的加工工藝產(chǎn)生一定的影響。v( (一一) )密度密度 v( (二二) )熱學(xué)性能熱學(xué)性能 v1、熔點(diǎn) v2、熱容 v3、熱膨脹v4、熱傳導(dǎo)2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義35二、物理性能二、物理性能 v( (三三) )電學(xué)性能電學(xué)性能 v1、電阻率 v2、電阻溫度系數(shù) v3、介電性v( (四四

16、) )磁學(xué)性能磁學(xué)性能 v1、磁導(dǎo)率 v2、飽和磁化強(qiáng)度和磁矯頑力 2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義36三、化學(xué)性能三、化學(xué)性能 v腐蝕： 是指材料表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)反應(yīng)或物理溶解而引起的表面損傷現(xiàn)象，并分別稱為化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕和物理腐化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕和物理腐蝕蝕三大類。v其中物理腐蝕(如鋼鐵在液態(tài)鋅中的溶解)因在工程上較少見，不很重要，故這里主要介紹化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕的概念與防腐措施。 2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義37三、化學(xué)性能三、化學(xué)性能 v( (一一) )化學(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕 化學(xué)腐蝕 氧化膜 v( (二二) )電化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕 電化學(xué)腐蝕 電化學(xué)腐蝕

17、的條件 v( (三三) )提高零件耐蝕性的主要措施提高零件耐蝕性的主要措施 提高耐化學(xué)腐蝕性(主要指抗氧化性)的措施 提高耐電化學(xué)腐蝕的措施 2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義38第三節(jié)材料的工藝性能第三節(jié)材料的工藝性能 v材料的工藝目的材料的工藝目的在于最經(jīng)濟(jì)地滿足產(chǎn)品的要求，包括材料內(nèi)部的成分、組織、結(jié)構(gòu)和材料外部形狀、尺寸、表面質(zhì)量等。 v工藝性能工藝性能是指材料對各種加工工藝的適應(yīng)能力，即加工工藝性能，它表示了材料加工的難易程度。 v工藝性能工藝性能 的影響的影響： 一方面一方面材料的工藝性能影響了零件的性能和外觀，還影響到零件的生產(chǎn)率和成本；另一方面另一方面，材料的工藝性能不僅取決于材料本身(即成分、組織、結(jié)構(gòu))，而且還受各種加工工藝條件的影響(如加工方式、設(shè)備、工具、溫度等)。 2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義39第三節(jié)材料的工藝性能第三節(jié)材料的工藝性能v幾種主要加工工藝性能 ：v一、鑄造性能一、鑄造性能 v二、鍛造性能二、鍛造性能 v三、焊接性能三、焊接性能 v四、切削加工性能四、切削加工性能 v五、熱處理性能五、熱處理性能 2022-5-2材料性能及應(yīng)用意義40第四節(jié)第四節(jié) 材料的環(huán)境性能材料的環(huán)境性能 v材料的環(huán)境性能 表征了材料與環(huán)境之間的交互作用行為，包括環(huán)境對材料(使用性能、工藝性能)的影響和材料工程對環(huán)境(環(huán)境保護(hù)、能源和資源