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Chapter1PropertiesofMaterialsApplicationProperties:Propertiesperformedwhenthematerialswereapplied,includingmechanicalproperties,physicalpropertiesandchemicalproperties.Processesproperties:Propertiesperformedwhenthematerialsweremachined,includingcasting,forging,jointing,heattreatmentandcuttingproperties.第一章材料的性能使用性能:材料在使用過(guò)程中所表現(xiàn)的性能。包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。工藝性能:材料在加工過(guò)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。神舟一號(hào)飛船Deformationisthealternationofshapeandsizeofmaterialsunderexternalforce.Elasticdeformationcouldrecoveraftertheexternalforceismovedaway.Plasticdeformationcouldnotrecoveraftertheexternalforceismovedaway.材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化,稱為變形。外力去處后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形。外力去處后不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。五萬(wàn)噸水壓機(jī)低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線拉伸試樣拉伸試驗(yàn)機(jī)應(yīng)力(R)=P/F0應(yīng)變
=(l-l0)/l01.ElasticityandRigidityElasticity:Elasticlimit
Re(e),thestresswhenmaterialisbearingthemaximumdeformation.Rigidity:Young’smodulusE,thematerial’sabilitytoresistplasticdeformation.eYoung’smodulusismainlydeterminedbythenatureofthematerial,theparts’rigiditycouldbeimprovedbyincreasingthecross-sectionareaoralteringtheshapeofthecross-sectionareas.
一、彈性和剛度彈性:指標(biāo)為彈性極限e(Re),即材料承受最大彈性變形時(shí)的應(yīng)力。剛度:材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。指標(biāo)為彈性模量E。e彈性模量的大小主要取決于材料的本性,除隨溫度升高而逐漸降低外,其他強(qiáng)化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對(duì)彈性模量的影響很小。可以通過(guò)增加橫截面積或改變截面形狀來(lái)提高零件的剛度。
2.StrengthandPlasticityStrength:theabilitytoresistdeformationandruptureunderexternalforces。
Yieldstrengths:thestresswhenplasticdeformationoccurs.
Offsetyieldstrength0.2:thestresswhenresidualdeformationis0.2%.
Tensilestrengthb:themaximumstressbeforethematerialcollapse.s0.2二、強(qiáng)度與塑性強(qiáng)度:材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。
屈服強(qiáng)度ss:材料發(fā)生微量塑性變形時(shí)的應(yīng)力值。
條件屈服強(qiáng)度0.2:殘余變形量為0.2%時(shí)的應(yīng)力值。
抗拉強(qiáng)度b:材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。s0.2Plasticity:theabilitytobearthemaximumplasticdeformationbeforethematerialcollapseunderexternalforces.
Extensibility:Contractionrateofcrosssectionalarea:斷裂后塑性:材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。
指標(biāo)為:
伸長(zhǎng)率:斷面收縮率:斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象Instructions:①
Contractionrateofcrosssectionalareais
closertoactualdeformationthanextensibility.②Whend0isthesame,l0,.Onlywhenl0/d0isaconstant,plasticsindexiscomparable.Whenl0=10d0,
isusedforextensibility.Andwhenl0=5d0,5isusedforextensibility,obviously,5>③
When
>,nonecking,brittlematerial
When
<時(shí),necking,plasticmaterial說(shuō)明:①
用面縮率表示塑性比伸長(zhǎng)率更接近真實(shí)變形。②直徑d0相同時(shí),l0,。只有當(dāng)l0/d0為常數(shù)時(shí),塑性值才有可比性。當(dāng)l0=10d0時(shí),伸長(zhǎng)率用
表示;當(dāng)l0=5d0時(shí),伸長(zhǎng)率用5表示。顯然5>③
>時(shí),無(wú)頸縮,為脆性材料表征
<時(shí),有頸縮,為塑性材料表征3.Impactflexibility
Theabilitytoresistimpactloadwithoutruptures.Impactflexibilityak(obtainedbyexperiments)。三、沖擊韌性是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。指標(biāo)為沖擊韌性值ak(通過(guò)沖擊實(shí)驗(yàn)測(cè)得)。Ductile-brittletransitiontemperatureImpactductilityofthematerialsdecreasesastemperature.Therapiddecreaseofimpactductilityundercertaintemperaturescopeiscalledductile-brittletransition.Thetemperaturescopeofductile-brittletransitioniscalledductile-brittletransitiontemperature.Applicationtemperatureofmaterialsshouldbeabovetheductile-brittletransitiontemperature.韌Thereisaductile-brittletransitiontemperature
formetalsofbodycenteredcubicstructurehave,butnotformostfacecenteredmetals.韌脆轉(zhuǎn)變溫度材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變溫度。材料的使用溫度應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。韌體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)變溫度,而大多數(shù)面心立方金屬?zèng)]有。TITANIC建造中的Titanic號(hào)TITANIC的沉沒(méi)與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)Titanic號(hào)鋼板(左圖)和近代船用鋼板(右圖)的沖擊試驗(yàn)結(jié)果Titanic近代船用鋼板4.FatigueMaterialruptureoccursunderrepeatingalternatestressbelows.Fatiguelimitisthemaximumstressunderwhichthematerialdoesnotruptureaftergiventimesofstresscycles,namedas-1.Thegiventimesis107forsteelandiron,108fornonferrousmetals.疲勞應(yīng)力示意圖疲勞曲線示意圖四、疲勞材料在低于s的重復(fù)交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)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。疲勞應(yīng)力示意圖疲勞曲線示意圖FatiguefractureFatigueresistancecouldbeimprovedbyimprovetheshapeandstructures,lessensurfacefaults,improvesurfacesmoothness,andsurfacepeening.ThefatiguefractureofshaftFatiguestriation(bySEM)疲勞斷口通過(guò)改善材料的形狀結(jié)構(gòu),減少表面缺陷,提高表面光潔度,進(jìn)行表面強(qiáng)化等方法可提高材料疲勞抗力。軸的疲勞斷口疲勞輝紋(掃描電鏡照片)5.HardnessTheabilitytoresistlocalplasticdeformationonthesurfaceBrinellhardness:HB布氏硬度計(jì)五、硬度材料抵抗表面局部塑性變形的能力。布氏硬度HB布氏硬度計(jì)
HBSisusedwhenthepressure
headissteelball,whichissuitableformaterialsbelow450.HBWisusedwhenthepressure
headishardalloyball,whichissuitableformaterialsbelow650.ThenumberbeforeHBSorHBWmeanshardness,andnumbersafteritmeandiameteroftheball,loadandholdingtimeoftheload.Forexample,120HBS10/1000/30meanshardnessis120whenthediameterofsteelballis10mm,andaloadof1000kgf(9.807kN)iskeptfor30s.布氏硬度壓痕
壓頭為鋼球時(shí),布氏硬度用符號(hào)HBS表示,適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí),用符號(hào)HBW表示,適用于布氏硬度在650以下的材料。符號(hào)HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值,符號(hào)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(shí)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(cè)得的布氏硬度值為120。布氏硬度壓痕Merits:smallmeasuringerror,stabledataDemerits:largeindentation,unsuitableforthinparts,finishproductsandmaterialsharderthanthepresshead.Applicabletomeasurethehardnessofannealed,normalized,hardenedandtemperedsteel,castiron,aswellasnonferrousmetals.TherelationshipbetweenbandHB:forlowcarbonsteel:
b(MPa)≈3.6HB
forhighcarbonsteel:b(MPa)≈3.4HB
forcastiron:
b(MPa)≈1HBorb(MPa)≈
0.6(HB-40)HBb(MPa)鋼黃銅球墨鑄鐵布氏硬度的優(yōu)點(diǎn):測(cè)量誤差小,數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點(diǎn):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(cè)量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼,
鑄鐵及有色金屬的硬度。材料的b與HB之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系:對(duì)于低碳鋼:
b(MPa)≈3.6HB
對(duì)于高碳鋼:b(MPa)≈3.4HB
對(duì)于鑄鐵:
b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈
0.6(HB-40)HBb(MPa)鋼黃銅球墨鑄鐵RockwellhardnessRockwellhardness:HR,HR=k-(h1-h0)/0.002Classifiedinto9scalesaccordingtothedifferent
pressureheadtypeandmainload,amongwhichA,BandCaremostusuallyused.h1-h0洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度計(jì)洛氏硬度洛氏硬度用符號(hào)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(gè)標(biāo)尺,常用的標(biāo)尺為A、B、C。
h1-h0洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度計(jì)ThenumberbeforeHRishardness,scaleisafterHRHRAisusedtomeasurehighhardnessmaterials,suchashardalloys,surfacequenchedlayersandcarburizedlayers.HRBisusedtomeasurelowhardnessmaterials,suchasnonferrousmetals,annealedsteelsandnormalizedsteels.HRCisusedtomeasuremediumhardnessmaterials,suchashardenedandtemperedsteels,quenchedsteels.
Merits:easytooperate,smallindentation,widescopeofapplications.Demerits:largedispersiondegreeofmeasuringresults.鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕符號(hào)HR前面的數(shù)字為硬度值,后面為使用的標(biāo)尺。HRA用于測(cè)量高硬度材料,如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。HRB用于測(cè)量低硬度材料,如有色金屬和退火、正火鋼等。HRC用于測(cè)量中等硬度材料,如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn):操作簡(jiǎn)便,壓痕小,適用范圍廣。缺點(diǎn):測(cè)量結(jié)果分散度大。鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕VickersHardnessVickershardmeterTestprinciplesIndentation維氏硬度維氏硬度計(jì)維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度壓痕Vickershardness:HV,thenumberbeforeHVishardness,andnumbersafteritmeanloadandloadholdingtime.Threetestingmethodaredefinedaccordingtothedifferentloadscope:vickershardnesstest,smallloadvickershardnesstestandmicroscopevickershardnesstest.Vickershardnesskeepsthemeritsof
brinellhardnessandrockwellhardness小負(fù)荷維氏硬度計(jì)顯微維氏硬度計(jì)維氏硬度用符號(hào)HV表示,符號(hào)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(shí)間。根據(jù)載荷范圍不同,規(guī)定了三種測(cè)定方法—維氏硬度試驗(yàn)、小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)、顯微維氏硬度試驗(yàn)。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)。小負(fù)荷維氏硬度計(jì)顯微維氏硬度計(jì)6FracturetoughnessRuptureofoiltankandengineshellexplosionofPolarismissilearerelevantwithfaultsinthematerials.1943年美國(guó)T-2油輪發(fā)生斷裂北極星導(dǎo)彈裂紋擴(kuò)展的基本形式六、斷裂韌性油輪斷裂和北極星導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體爆炸與材料中存在缺陷有關(guān)
1943年美國(guó)T-2油輪發(fā)生斷裂北極星導(dǎo)彈裂紋擴(kuò)展的基本形式Stressintensityfactor:
theindextodescribethestressintensityaroundthecracktip.Fracturetoughness:
theabilitytoresisttheinternalunstablecrackgrowthCisrupturestress,aCishalflengthofcriticalcrack,itsunitisMN/m3/2應(yīng)力強(qiáng)度因子:描述裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的指標(biāo)。斷裂韌性:材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。C為斷裂應(yīng)力,aC為臨界裂紋半長(zhǎng),單位為1.1.7ThermalfatigueSomepartsworkingundertheconditionsthattemperaturealternativesdramaticallyandrepeatedly,bearingthermalstressorthermalstraincausedbythermalcycle,willbedestroyedbyfatiguedamage,whichiscalledthermalfatigue.七、熱疲勞
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