第一章 材料的种类与性能.ppt

第一章 材料的种类与性能,第一章 材料的种类与性能,1.1,材料的种类,1.1,材料的种类,金属材料,（,1,）黑色金属 铁和以铁为基的合金,(,钢、铸铁和铁合金,),；,（,2,）有色金属 黑色金属以外的所有金属及其合金。,高分子材料,又称高聚物，是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物,工程上通常根据机械性能和使用状态将其分为四大类：塑料、合成纤维、橡胶、胶粘剂。,陶瓷材料,陶瓷材料属于无机非金属材料，主要为金属氧化物和金属非氧化合物。由于大部分无机非金属材料含有硅和其它元素的化合物，所以又叫做硅酸盐材料。它一般包括无机玻璃,(,硅酸盐玻璃,),、玻璃陶瓷,(,或称微晶玻璃,),和陶瓷等三类。,复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成。复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合效应使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性能。,复合材料,机械工程材料的常用性能,两方面,材料使用性能,材料工艺性能,力学性能,（,强度、塑性韧性等）,物理性能,（光、热、电、磁等）,化学性能,（氧化、腐蚀等）,生物性能（,相容性、自恢复性等）,加工性能,（切削、锻造等）,铸造性能,（适合铸造与否）,焊接性能,（容易焊接与否）,热处理性能,（可热处理强化）,1.2.1,静载时材料的力学性能,e,:,弹性变形,s,:,均匀,塑性变形,达到,b,集中,塑性变形，产生颈缩,变形量达,k,点后，发生断裂,1.2.1,静载时材料的力学性能,1.,强度,（,1,）弹性极限,:,弹簧的主要指标之一,的单位是,Mpa,.1M=1,10,6,Pa=N/m,2,弹性模量,E:,弹性变形的难易程度,弹性模量的单位是,Gpa,1G,1,10,9,图,1,2,退火低碳钢的拉伸曲线,图,1,2,退火低碳钢的应力应变曲线,b,k,e,s,1.,强度,（,2,）,屈服强度 ：开始塑性变形 的最小应力；单位是,Mpa,条件屈服强度,是,韧性材料的主要设计依据。,抗拉强度 ：材料断裂之前的,最大应力。单位是,Mpa,.,1.2.1,静载时材料的力学性能,1.,强度,是脆性材料的主要设计依据。,2.,塑性,(1),延伸率 ：表示试样拉伸断裂后的相对伸长,量。，无量纲。,拉伸试样原始标距长度,;,拉伸试样拉断后的标距长度,1.2.1,静载时材料的力学性能,(2),断面收缩率 ：表示试样断裂后截面的相对收缩量。也无量纲。,拉伸试样原始横截面积；,拉伸试样拉断处的横截面积。,1.2.1,静载时材料的力学性能,断裂后,拉伸试样的颈缩现象,说明：,用断面收缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。,直径,d,0,相同时，,l,0,，,。,只有当,l,0,/d,0,为常数时，塑性值才有可比性。,当,l,0,=10d,0,时，伸长率用,10,表示；,当,l,0,=5d,0时，伸长率用,5,表示。显然,5,10,时，无颈缩，为脆性材料表征,时，有颈缩，为塑性材料表征,3.,硬度,(1),布氏硬度,表示：,380HB,1.2.1,静载时材料的力学性能,(1),布氏硬度,压头为钢球时，布氏硬度用符号,HBS,表示，适用于布氏硬度值在,450,以下的材料。,压头为硬质合金球时，用符号,HBW,表示，适用于布氏硬度在,650,以下的材料。,3.,硬度,符号,HBS,或,HBW,之前的数字表示硬度值,符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如,120HBS10/1000/30,表,示直径为,10mm,的钢球在,1000kgf,（,9.807kN,）载荷作用下保持,30s,测得的布氏硬度值为,120,。,布氏硬度的,优点,：测量误差小，数据稳定。,缺点,：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头,还硬的材料。,适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。,3.,硬度,（,2,）洛氏硬度，表示：,62HRC,HRA,用于测量高硬度材料,如硬质合金、表淬层和渗碳层。,HRB,用于测量低硬度材料,如有色金属和退火、正火钢等。,HRC,用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢。,洛氏硬度的优点：,操作简便，压痕小，适用范围广。,缺点：,测量结果分散度大。,1.2.1,静载时材料的力学性能,（,3,）维氏硬度：用,HV,表示。,主要用于薄壁件的硬度测试。,维氏硬度用符号,HV,表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。,根据载荷范围不同，规定了三种测定方法,维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。,维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。,1.2.2,其他载荷下材料的力学性能,1.,冲击韧性,2.,断裂韧性,3.,疲劳强度,4.,磨损,1.2.2,其他载荷下材料的力学性能,1.,冲击韧性,图,15,摆锤冲击实验示意图,2,、,断裂韧性,K,IC,材料内部常有裂纹，产生应力集中时，在裂纹尖端点，尖端点应力和应力强度因子,K,I,有关，,K,I,又是外加应力,的函数：（,s,）,K,I,=,Y,a,1/2,Y:,是系数，无量纲，和裂纹形状等有关，在,1,2,之间；,：外加应力，单位,MPa,，（,s,）；,a,：裂纹长度之半；,K,I,单位：,MPa,m,1/2,（,MN,m,2,）（,1,m,-1/2,）,MN,m,3/2,1.2.2,其他载荷下材料的力学性能,2,、,断裂韧性,K,IC,公式表明：,a,1/2,，,K,I,，,当,K,I,达到,K,IC,时，裂纹尖端处超过屈服强度，使裂纹迅速扩展而脆断，而此时外力应力远小于屈服强度。,K,IC,称,断裂韧性,，它可以通过实验测定，是材料的常数。,1.2.2,其他载荷下材料的力学性能,3,、疲劳强度,(,力加载方式是交变载荷,),材料在低于,s,的重复交变应力作用下发生断裂的现象。,交变应力低于屈服强度，但长时间作用于零件，使其断裂，称疲劳断裂，值称,疲劳强度,，单位,Mpa,。,大，抗疲劳能力强。,交变次数：,10,6,10,7,（钢）；,10,7,10,8,（有色金属）,，一般工程师手册可查。,4.,磨损,机器运转时，因磨损导致材料磨损而失效。,磨损类型：黏着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、接触疲劳磨损,1.2.2,其他载荷下材料的力学性能,1.2.3,材料的高温和低温性能,1.,高温性能,(1),蠕变,蠕变是,材料在长时间的恒温、恒应力作用下缓慢产生塑性变形的现象。,产生蠕变的最低温度,碳钢,300350,合金钢,350400,一般金属材料,0.30.4T,m,陶瓷材料,0.30.4T,m,（,2,）,材料高温力学性能指标,蠕变强度,高温长期载荷作用下材料对塑性变形的抗力指标。,表示方法,材料在一定温度下、一定时间内产生一定永久变形量所能承受的最大应力。,表示,600,0,C,，,1000h,内,，引起,0.1%,变形量，能承受最大应力,88MPa.,蠕变强度,材料在高温长期载荷作用下抵抗断裂的能力。,持久强度,表示方法,指材料在一定温度下、一定时间内所能承受的最大断裂应力。,表示,800,0,C,，,100h,，材料能承受最大应力,186,MPa,.,室温下强度不能用于高低温。,持久强度,2.,低温性能,脆断：多数材料，低温下，,b,，发生脆断。,温度降到,T,K,时，冲击功急剧减小，材料韧性变脆性。不大之应力，能引起断裂，,T,K,称,冷脆转化温度。,T,K,越低，材料低温韧性越好。,1.2.4,材料的物理性能,1.,密度,2.,熔点,3.,热膨胀,性,4.,磁性,5.,导热性,6.,导电性,1.2.4,材料的物理性能,1.,密度,单位体积中材料之质量（,Kg/m,3,）,.,轻金属：,510,3,Kg/m,3,和,有关的两个物理量：,1.,密度,航空航天材料，,一般要求高的比强度和比模量。,即一方面要轻质；另一方面要求高强度和高刚度。（,是分母）,2,、熔点,固体熔化温度,（,1,）,纯金属的熔点是固定温度。,（,2,）非晶体（如橡胶）材料无固定温度；,（,3,）合金熔化通常在一个温度范围内完成，且该温度范围和合金化学成分有关。,（,4,）低熔点金属,易熔金属。可作保险丝等安全零件。,高熔点金属,耐热金属。用在高温工作环境的零件。,（,5,）熔点是金属合金在冶炼、铸造、焊接等重要工艺参数。,3.,热膨胀性,一根铁丝长,158mm,，线膨胀系数,11.76,，温度从,20,0,C,至,60,0,C,，问铁丝热胀多少？,解：,158,（,60-20,）,11.7610,-6,0.0743mm,量具、精密仪器，精密零件要求线胀小。双金属片，利用线胀系数不同，使其弯曲，制成延时继电器和断电器4,、磁性,材料导磁的性能,软磁材料：当外磁场失去后，该材料也基本失去磁性。如纯铁、硅钢片等。,硬磁材料：外磁场失去后，该材料磁性仍能保持，如淬火钢、钴钢等。,无磁材料：非金属材料，,Cu,，,Al,，,Pb,等金属材料。,5,、导热性,导热能力高低用,导热率来表示。,金属,非金属,；,纯金属,该金属合金,导热好，散热快，传热设备材料（暖气片）,导热差，散热慢，保温设备材料（保温容器）,6,、导电性,用电阻率表示，,。,金属,非金属,；,纯金属,该金属合金,（导电性,，导热性,）,导电好，可作电线；导电不好，制造绝缘零件或电阻丝。,半导体具有单向导电性，可做整流器。,金属物理性能表,1.25,材料的化学性能,1.,金属腐蚀的基本过程,2.,防止金属腐蚀的途径,1.,金属腐蚀的基本过程,（,1,）化学腐蚀,金属和干燥气体,O,2,，,H,2,S,，,SO,2,，,cl,2,等接触，发生化学反应，生成氧化物、硫化物等。氧化是其中主要的化学腐蚀。,1.,金属腐蚀的基本过程,（,2,）电化学腐蚀,金属在酸、碱、盐等电解质溶液中构成原电池而引起的腐蚀。,电化学腐蚀比化学腐蚀快，是腐蚀的主要形式。,电化学腐蚀主要在阴极。,2,金属防腐原则和防腐措施,（,P13,）,原则：,（,1,）使金属呈单相组织，无电极电位差。,（,2,）提高阴极电位，减少电位差。,（,3,）不和电解溶液接触。,2,金属防腐原则和防腐措施,措施,（,1,）改变金属成分，表面渗铬、渗铝，使用不锈钢。,（,2,）表面镀层、发兰、镀漆等。,（,3,）改善腐蚀环境。,（,4,）阴极保护法。,1.2.6,材料的工艺性能,包括铸造性能，锻造性能，冲压性能，焊接性能，热处理和机械加工性能。,在热处理和成型工艺中详述。,习题,1.,写出金属材料力学性能指标的符号、名称和基本含义。,2.,金属材料的塑性和韧性有何相似和不太相同的地方。,