3D打印增材制造技術(shù) 課件 【ch10】3D打印材料性能

第十章3D打印材料性能高等學(xué)校動(dòng)畫(huà)與數(shù)字媒體專(zhuān)業(yè)『全媒體』創(chuàng)意創(chuàng)新系列教材設(shè)計(jì)造型基礎(chǔ)01材料的強(qiáng)度與塑性PARTONE10.1材料的強(qiáng)度與塑性

工程材料制成的機(jī)械零部件在使用過(guò)程中要受到各種形式的力，材料在這些力的作用下所表現(xiàn)出的特性被稱(chēng)為材料的力學(xué)性能。材料的力學(xué)性能包括強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、抗疲勞性和耐磨性等。材料的力學(xué)性能不僅取決于材料本身的化學(xué)成分，而且還和材料的微觀(guān)組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。材料的力學(xué)性能是衡量工程材料性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)，也是機(jī)械設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中選用材料的主要依據(jù)。材料的力學(xué)性能可以從設(shè)計(jì)手冊(cè)中查到，也可以用力學(xué)性能試驗(yàn)方法獲得。了解材料力學(xué)性能的試驗(yàn)方法、測(cè)試條件和性能指標(biāo)等將有助于了解工程材料的本性。10.1材料的強(qiáng)度與塑性

材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力稱(chēng)為材料的強(qiáng)度。根據(jù)外力的作用方式，材料的強(qiáng)度分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度等。材料在外力作用下顯現(xiàn)出的塑性變形能力稱(chēng)為材料的塑性。材料的強(qiáng)度和塑性是材料最重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一，它可以通過(guò)拉伸試驗(yàn)獲得。一次完整的拉伸試驗(yàn)記錄還可以獲得許多其他有關(guān)該材料性能的有用數(shù)據(jù)，如材料的彈性、屈服極限和破壞材料所需的功等。所以拉伸試驗(yàn)是材料性能試驗(yàn)中最為常用的一種試驗(yàn)方法。10.1材料的強(qiáng)度與塑性拉伸試驗(yàn)及拉伸曲線(xiàn)1

10.1材料的強(qiáng)度與塑性拉伸試驗(yàn)及拉伸曲線(xiàn)12.塑性變形階段(B一D）此時(shí)，R與e的關(guān)系偏離直線(xiàn)關(guān)系。在BC段，應(yīng)力幾乎不變，但應(yīng)變卻不斷增大。超過(guò)C點(diǎn)之后，因材料發(fā)生加工硬化，若要試樣繼續(xù)變形，則必須加大載荷。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到最大值(D點(diǎn))后，試樣的某一部分截面急劇縮小，產(chǎn)生“縮頸”現(xiàn)象。在塑性變形階段，即使卸掉載荷，試樣也不能恢復(fù)到原來(lái)的長(zhǎng)度。1.性變形階段(O—A）在這個(gè)階段，材料內(nèi)部的原子之間距離只發(fā)生彈性伸長(zhǎng)，所以應(yīng)力與應(yīng)變呈直線(xiàn)關(guān)系遵從胡克定律。此時(shí)，如果卸掉載荷，那么試樣就能恢復(fù)到原來(lái)的長(zhǎng)度。3.斷裂(E點(diǎn))在D點(diǎn)以后，試樣的變形主要集中在“縮頸”部分，最終導(dǎo)致試樣在“縮頸”處發(fā)生斷裂。拉伸曲線(xiàn)所顯示出的材料本性主要是由于材料內(nèi)部微觀(guān)結(jié)構(gòu)的變化引起的，所以，不同的材料在拉伸過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不同形式的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。10.1材料的強(qiáng)度與塑性拉伸曲線(xiàn)所確定的力學(xué)性能指標(biāo)及意義21.彈性模量E圖9-2中的直線(xiàn)段04的斜率即材料的彈性模量E。式中，R為材料的應(yīng)力:e為材料的應(yīng)變彈性模量E值表征材料應(yīng)變彈性變形的難易程度。金屬的彈性模量是一個(gè)對(duì)組織不敏感的參數(shù)，其大小主要取決于金屬的本性，而與顯微組織無(wú)關(guān)。因此，熱處理、合金化、冷熱變形等對(duì)它的影響很小。要想提高金屬制品的剛度，只能更換金屬材料、改變金屬制品的結(jié)構(gòu)形式或增加截面面積。10.1材料的強(qiáng)度與塑性拉伸曲線(xiàn)所確定的力學(xué)性能指標(biāo)及意義22.屈服強(qiáng)度在拉伸過(guò)程中，負(fù)荷不增加而應(yīng)變?nèi)栽谠龃蟮默F(xiàn)象稱(chēng)為屈服。其分為上屈服強(qiáng)度Re和下屈服強(qiáng)度Ret。Re是試樣發(fā)生服而應(yīng)力首次下降的最大應(yīng)力;ReL是在屈服期間，不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的最小應(yīng)力。對(duì)于在拉伸過(guò)程中屈服現(xiàn)象不明顯的材料，一般測(cè)定規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度R。規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力是指試樣卸除拉伸力后，其標(biāo)距部分的殘余延伸達(dá)到規(guī)定原始百分比時(shí)的應(yīng)力。使用的符號(hào)應(yīng)附下角標(biāo)說(shuō)明所規(guī)定的殘余延伸率。3.抗拉強(qiáng)度Rm

拉伸曲線(xiàn)上D點(diǎn)的應(yīng)力R稱(chēng)為材料的抗拉強(qiáng)度，它表明了試樣被拉斷前所能承載的最大應(yīng)力?？估瓘?qiáng)度是零部件設(shè)計(jì)和材料評(píng)定時(shí)的重要強(qiáng)度指標(biāo)。尤其是對(duì)于脆性材料，由于拉伸時(shí)沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象，這時(shí)一般用抗拉強(qiáng)度指標(biāo)作為設(shè)計(jì)依據(jù)?？估瓘?qiáng)度R與材料的密度之比稱(chēng)為材料的比強(qiáng)度，它也是零件選材的重要指標(biāo)之一。10.1材料的強(qiáng)度與塑性拉伸曲線(xiàn)所確定的力學(xué)性能指標(biāo)及意義24.斷后伸長(zhǎng)率A斷后伸長(zhǎng)率用4表示，式中，Lo為試樣的原始標(biāo)距(mm);L為試樣的斷后標(biāo)距(mm)。斷后伸長(zhǎng)率的數(shù)值和試樣標(biāo)距長(zhǎng)度有關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)圓形試樣有長(zhǎng)試樣(Le=10d，d為試樣直徑)和短試樣(L=5do)兩種。5.斷面收縮率Z斷面收縮率用Z表示，式中，S為試樣的原始橫截面積(mm2)S為試樣的斷后最小橫截面積(mm)斷面收縮率的數(shù)值不受試樣尺寸的影響，用斷面收縮率表示塑性更能接近材料的真實(shí)應(yīng)變。A或之值越大，說(shuō)明材料的塑性越好。良好的塑性是材料進(jìn)行壓力加工的必要條件。02材料的硬度PARTTWO10.2材料的硬度

材料抵抗其他硬物壓入其表面的能力稱(chēng)為硬度，它是衡量材料軟硬程度的力學(xué)性能指標(biāo)。一般情況下，材料的硬度越高，其耐磨性就越好。硬度是材料最常用的性能指標(biāo)之一。硬度試驗(yàn)方法比較簡(jiǎn)單快捷，而且材料的硬度與它的力學(xué)性能，如強(qiáng)度和耐磨性，以及工藝性能，如切削加工性和可焊性等之間存在著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以在一些零件圖紙上，硬度是檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量的重指標(biāo)之一。工程上常用的硬度有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。

用硬質(zhì)合金球作為壓頭測(cè)出的硬度值以HBW表示，適用于測(cè)量硬度不超過(guò)650HBW的材料。實(shí)際應(yīng)用中一般不是直接計(jì)算HBW，而是根據(jù)測(cè)量的d值在相關(guān)的表中直接查出布氏硬度值。布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，缺點(diǎn)是壓痕大，不適合成品檢驗(yàn)。10.2材料的硬度1布氏硬度布氏硬度試驗(yàn)是用載荷為F的力把直徑為D的火鋼球或硬質(zhì)合金球壓入試樣的表面，保持一定時(shí)間后卸掉載荷，此時(shí)試樣表面出現(xiàn)直徑為d的壓痕。用載荷F除以壓痕表面積所得的商，作為被測(cè)材料的布氏硬度值。式中，F(xiàn)為載荷(N);D為鋼球直徑(mm);d為壓痕直徑(mm)。布氏硬度的單位為MPa，但習(xí)慣上不標(biāo)出單位。10.2材料的硬度2洛氏硬度洛氏硬度試驗(yàn)示意圖如圖10-4所示。用一個(gè)頂角為120”的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的淬火鋼球作為壓頭，先施加一個(gè)初載荷，然后在規(guī)定的主載荷作用下將壓頭壓入被測(cè)材料的表面。卸除主載荷后，根據(jù)壓痕的深度h=h-ho，確定被測(cè)材料的洛氏硬度，該值可以直接從硬度計(jì)上的顯示器上讀出。10.2材料的硬度2洛氏硬度用金剛石圓錐體壓頭在總載荷為588.4N時(shí)測(cè)得的硬度值以HRA表示，適用于測(cè)量高硬度的材料，如硬質(zhì)合金;用淬火鋼球壓頭在總載荷為980.7N時(shí)測(cè)得的硬度值以HRB表示適用于測(cè)量較軟的材料，如退火鋼、正火鋼或有色金屬等，用金剛石圓錐體壓頭在總載荷為1471N時(shí)測(cè)得的硬度值以HRC表示，適用于測(cè)量火鋼等硬材料。三種洛氏硬度中，HRC應(yīng)用得最多。

洛氏硬度測(cè)量迅速簡(jiǎn)便、壓痕小，可在成品零件上檢測(cè)，也可測(cè)定較薄的工件或表面有較薄硬化層的工件的硬度。但由于壓痕比較小，易受材料微區(qū)不均勻的影響，因而數(shù)據(jù)的重復(fù)性比較差。10.2材料的硬度2洛氏硬度維氏硬度的測(cè)定原理基本上與布氏硬度的測(cè)定原理相同，也是根據(jù)壓痕凹陷單位面積上的力為硬度值，但維氏硬度使用的是錐面夾角為136”的金剛石正四校錐體，壓痕是四方銷(xiāo)形。維氏硬度試驗(yàn)示意圖如圖10-5所示。測(cè)量壓痕兩對(duì)角線(xiàn)的平均長(zhǎng)度d，計(jì)算壓痕的面積4v，用HV表示維氏硬度，

式中，F(xiàn)為載荷(N);A為壓痕面積(mm2)維氏硬度的單位為MPa，一般不標(biāo)。10.2材料的硬度3維氏硬度維氏硬度所用的載荷小，壓痕深度淺，測(cè)量精確度高于布氏硬度和洛氏硬度，適用于測(cè)量較薄的材料或表面硬化層、金屬鍍層的硬度。由于維氏硬度的壓頭是金剛石角錐，載荷可調(diào)范圍大，所以維氏硬度可用于測(cè)量從軟到硬的各種工程材料，測(cè)定范圍為0~1000HV。為了測(cè)量一些特殊性能和特殊形狀材料的硬度，也可以選擇其他的硬度試驗(yàn)方法。如顯微硬度法可用于測(cè)量一些薄的鍍層、滲層或顯微組織中的不同相的硬度:肖氏硬度法適合在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)大型試件(如機(jī)床床身、大型輪等)進(jìn)行硬度測(cè)量:莫氏硬度法用于測(cè)量陶和礦物的硬度。

因?yàn)楦鞣N硬度的試驗(yàn)條件不同，所以它們之間沒(méi)有直接的換算關(guān)系。標(biāo)注某種材料的硬度值時(shí)必須說(shuō)明它的硬度測(cè)試方法。在工程圖紙上正確標(biāo)注材料硬度的方法是硬度值加硬度測(cè)試方法代號(hào)。如“洛氏硬度60”的書(shū)寫(xiě)格式為“60HRC”。03材料的沖擊韌度PARTTHREE材料的韌性是指材料在塑性變形和斷裂的全過(guò)程中吸收能量的能力，它是材料塑性和強(qiáng)度的綜合表現(xiàn)。材料的韌性與脆性是兩個(gè)意義上完全相反的概念，根據(jù)材料的斷裂形式可分為韌性斷裂和脆性斷裂。

10.3材料的沖擊韌度由于材料的沖擊韌度值a是在一次沖斷的條件下得的，因此對(duì)判斷材料抵抗大能量沖擊能力有一定的意義。實(shí)際上在沖擊負(fù)荷下工作的機(jī)械零件，很少受到大能量的一次沖擊而破壞，大多都是受到小能量的多次沖擊后才失效破壞的。一般來(lái)說(shuō)，材料抵抗大能量一次沖擊的能力取決于材料的塑性，而抵抗小能量多次沖擊的能力則取決于材料的強(qiáng)度。所以在設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)，不能片面地追求高的a值，值過(guò)高必然要降低強(qiáng)度，從而導(dǎo)致零件在使用過(guò)程中因強(qiáng)度不足而早期失效。材料的韌性均有隨溫度下降而降低的趨勢(shì)，但不同的材料韌性下降的程度不一樣。一些中低強(qiáng)度的鋼在某一溫度以下具有明顯的冷脆性，材料從韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的臨界轉(zhuǎn)變溫度稱(chēng)為材料的冷脆轉(zhuǎn)化溫度工。圖10-7所示為鋼的脆性轉(zhuǎn)化溫度用于低溫工作環(huán)境中的材料要進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)。根據(jù)試樣的缺口形式;U形缺口和V形缺口試樣的沖擊韌度值分別以a和a表示。不同形式試樣的沖擊韌度值不能直接進(jìn)行比較或換算。材料的沖擊韌度的大小除了與材料本身特性(如化學(xué)成分、顯微組織和冶金質(zhì)量等)有關(guān)，還受試樣的尺寸、缺口形狀、加工粗糙度和試驗(yàn)環(huán)境等影響。10.3材料的沖擊韌度對(duì)于脆性材料，如陶瓷，一般不采用沖擊韌度作為韌性的量度，因?yàn)楫?dāng)材料的韌性很低時(shí)，采用一次擺錘沖擊試驗(yàn)法獲得的沖擊韌度值的精度不能滿(mǎn)足測(cè)量的要求。10.3材料的沖擊韌度04材料的疲勞強(qiáng)度PARTFOUR大小和方向都隨時(shí)間呈周期性的循環(huán)變化的應(yīng)力稱(chēng)為交變應(yīng)力。材料在交變應(yīng)力作用下發(fā)生的斷裂現(xiàn)象稱(chēng)為疲勞斷裂。疲勞斷裂可以在低于材料的屈服強(qiáng)度的應(yīng)力下發(fā)生，斷裂前也無(wú)明顯的塑性變形，而且經(jīng)常是在沒(méi)有任何先兆的情況下突然斷裂的，因此疲勞斷裂的后果是十分嚴(yán)重的。圖10-8所示為材料的疲勞特性試驗(yàn)示意圖。材料的疲勞強(qiáng)度可以通過(guò)疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)定。將光滑的標(biāo)準(zhǔn)試樣的一端固定并旋轉(zhuǎn)，在另一端施加載荷。在試樣旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，試樣工作部分的應(yīng)力將承受周期性的變化，從拉應(yīng)力到壓應(yīng)力，循環(huán)往復(fù)，直至試樣斷裂。10.4材料的疲勞強(qiáng)度材料所受的交變應(yīng)力與斷裂循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系可以用疲勞曲線(xiàn)(也稱(chēng)R-N曲線(xiàn))描述圖10-9所示為材料的疲勞曲線(xiàn)?？v坐標(biāo)為交變應(yīng)力R，橫標(biāo)為循環(huán)周數(shù)N。從R-N曲線(xiàn)可以看出，R越小，V越大。當(dāng)應(yīng)力低于某數(shù)值時(shí)，材料經(jīng)無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)也不會(huì)發(fā)生疲勞斷裂，此應(yīng)力稱(chēng)為材料的疲勞極限，通常用R表示(是應(yīng)力循環(huán)對(duì)稱(chēng)次數(shù)，單位為MPa。如果來(lái)用對(duì)稱(chēng)的循環(huán)應(yīng)力，那么材料的疲勞強(qiáng)度用R.表示。10.4材料的疲勞強(qiáng)度由于疲勞試驗(yàn)時(shí)不可能進(jìn)行無(wú)限循環(huán)周次，而且有些材料的疲勞曲線(xiàn)上沒(méi)有水平部分因此，規(guī)定一個(gè)應(yīng)力循環(huán)基數(shù)M，M所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為該材料的疲勞極限。一般鋼鐵的循環(huán)基數(shù)為107，有色金屬和某些超高強(qiáng)度鋼的循環(huán)基數(shù)為108。一般鋼鐵材料的R值約為其抗拉強(qiáng)度R的一半，而金材料的勞極限一遠(yuǎn)低于金屬材料。在機(jī)械零件的斷裂現(xiàn)象中，80%以上都屬于疲勞斷裂。影響疲勞強(qiáng)度的因素有很多，其中主要有應(yīng)力循環(huán)特性、材料的本質(zhì)、殘余應(yīng)力和表面質(zhì)量等。在生產(chǎn)中常采用各種材料表面