工程材料与机械制造基础-2-金属材料的主要性能.ppt

,工程材料与机械制造基础,海洋科学与技术学院 贾 非,Dalian University of Technology,第二章 金属材料的主要性能,01:02,主 要 内 容,一、静载荷下金属材料的力学性能 二、动载和高温下金属材料的力学性能 三、金属材料的物理、化学和工艺性能,01:02,材料的性能,使用性能：材料在正常使用条件下能保证安全可靠工作所必备的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。 工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。,神舟一号飞船,01:02,金属材料的力学性能,力学性能： 指材料在力或能量的作用下所表现出的行为。 影响材料力学性能的因素： 作用力特点：如力的种类（静态力、动态力、磨蚀力等）； 施力方式：速度、方向及大小的变化，局部或全面施力等； 应力状态：简单应力拉、压、剪、扭、弯，复杂应力两种以上简单应力的复合； 受力状态下所处的环境：温度、压力、介质、特殊空间等。,01:02,静载荷下金属材料的力学性能,01:02,力学试验的对象，可以是构件、零部件或材料。 构件或零部件的试验，主要是考验它在类似服役条件下的行为，试验时的外载分布、温度变化、介质条件等都尽可能复现其实际使用的状态，以考核其结构强度、使用寿命、失效形式。 一些大型构件不便于用实物直接试验时，也可以采用模型或模拟的试验方法。这些试验多半是在复杂的加载条件下进行的，不能以材料的基本力学性质试验来代替，甚至零部件的试验也不能代替整机的试验。,静载荷下金属材料的力学性能,01:02,材料的力学试验则是在从金属材料中加工出的试样上进行的，是力学试验的基础工作。 力学试验的目的： 确定材料在各种受载条件下的行为，为工程设计提供依据。 材质的比较性检验。如具有持定用途的材料的筛选，企业中原材料、半成品或产品的质量控制等。 通过力学行为与金属内部状态研究的配合，掌握力学性质变化的基本原理，各种因素影响的本质，为高性能材料的研制提供指导。,静载荷下金属材料的力学性能,01:02,力学性质既由材料内在状态所决定，亦随着试验的外界条件而变化。外界因素可以直接影响材料的性质，也可能通过改变其内部组织而影响它的力学行为。 在力学件质的研究中，仅依靠力学试验的结果是不够的。为了把金属的性质与它的冶金质量、组织状态、点 阵类型、缺陷分布等关系发掘出来，就必须配合进行各种组织检验、结构分析、断口研究、应力分析、物理性质测试等多种试验工作，这些试验与力学试验相配合，可以有效地揭示材料行为的内在本质，是力学冶金学科发展的实验基础。,静载荷下金属材料的力学性能,01:02,一、 强 度,四、 冲击韧性,三、 硬 度,二、 塑 性,静载荷下金属材料的力学性能,01:02,（一）强度的测定拉伸实验,（二）强度的概念,（三）强度指标,一、 强 度,静载荷下金属材料的力学性能,01:02,强度的测定-拉伸实验,拉伸试样（GB6397-86）,长试样：L0=10d0,短试样：L0=5d0,01:02,强度的测定-拉伸实验,力伸长曲线,弹性变形阶段,屈服阶段,颈缩现象,拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。,强化阶段,拉伸试验机,低碳钢拉伸力与伸长量的关系曲线。,01:02,强度的测定-拉伸实验,力伸长曲线,弹性变形阶段 外力不超过Fe，材料只产生可恢复的弹性变形。 弹性 金属材料受外力作用时产生变形，当外力去除后能恢复其原来形状的性能。 弹性变形 随外力消失而消失的变形，称为弹性变形，其大小与外力成正比。 塑性变形阶段 外力超过Fe后，试样开始产生永久变形（在外力去除后保留下来的不能恢复的变形），即塑性变形。,01:02,强度的测定-拉伸实验,脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）,脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。,01:02,应力 = F/A0 应变 = (l-l0)/l0,强度的测定-拉伸实验,01:02,弹性和刚度,弹性：指标为弹性极限e，即材料承受最大弹性变形时的应力。 刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量E。,弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。,01:02,强度与塑性,材料在静载荷的作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。,应用,强度是机械零件（或工程构件）在设计、加工、使用过程中的主要性能指标，特别是选材和设计的主要依据。,强度的概念,01:02,强度指标,屈服强度s：是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，即材料发生微量塑性变形时的应力值。,屈服点,在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续伸长时的应力。,计算公式,01:02,强度指标,条件屈服强度0.2： 残余变形量为0.2%时的应力值。,脆性材料的屈服点：,试样卸除载荷后，其标距部分的残余伸长率达到试样标距长度的0.2%时的应力。,应用：s和0.2常作为零件选材和设计的依据。,计算公式,01:02,强度指标,抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。,应用：脆性材料制作机械零件和工程构件时的选材和设计的依据。,计算公式,01:02,塑性,衡量指标,金属材料断裂前发生永久变形的能力。,断面收缩率：,伸长率：,试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。,试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。,塑性：,01:02,塑性指标,伸长率：,断面收缩率：,断裂后,拉伸试样的颈缩现象,01:02,塑性指标,说明： 用断面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。 直径d0 相同时，l0， 。只有当l0/d0 为常数时，塑性值才有可比性。 当l0=10d0 时，伸长率用10表示； 当l0=5d0 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,01:02,塑性指标,屈强比 用s/b表示，可反映材料屈服后强化能力的高低，其值一般在0.650.75之间。 屈强比越小，表示材料屈服极限与强度极限的差距越大，塑性越好，发生脆性破坏的可能性越小，工程构件的可靠性越高，万一超载也不会马上断裂。但屈强比太小，也使材料在弹性变形范围内承受载荷小，强度水平就不能充分发挥。 屈强比越大，屈服极限接近强度极限，承载能力越强，材料在断裂前塑性“储备”太少，对应力集中敏感，耐疲劳抗力下降，并容易发生脆性破坏。,01:02,静载荷下金属材料的力学性能,硬度 是衡量材料软硬程度的一种性能指标，反映材料抵抗硬物压入表面的能力，也可看作是材料表面抵抗外物压入时所引起局部塑性变形的能力。 测量硬度的试验方法很多，主要有压入法、回跳法和刻画法三大类。 生产中应用最多的是压入法测得的硬度，主要有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等几种不同的测定方法。,01:02,硬度,01:02,布氏硬度计,布氏硬度HB: 采用一定直径的钢球或硬质合金压头，以相应的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸载，得到一直径的压痕，载荷除以压痕表面积的值。,硬度,01:02,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。,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。,布氏硬度压痕,布氏硬度,01:02,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。 材料的b与HB之间的经验关系： 对于低碳钢: b(MPa)3.6HB 对于高碳钢：b(MPa)3.4HB 对于铸铁： b(MPa)1HB或 b(MPa) 0.6(HB-40),布氏硬度,01:02,布氏硬度试验规范,01:02,硬度,洛氏硬度 把具有标准形状和尺寸的压头（金刚石圆锥或大钢球），先用一初载荷F0压入材料，压到位置1-1，压入深度为h1。再加一主载荷，压到位置2-2。最后撤去主载荷（初载荷不撤掉），压痕弹回至位置3-3，其深度为h3。用两次载荷作用后的深度差h=h3-h1表示洛氏硬度。,洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002 根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。,01:02,洛氏硬度,01:02,符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。,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、淬火钢等。 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。,洛氏硬度,01:02,洛氏硬度试验适用范围,01:02,硬度,维氏硬度 原理基本上和布氏硬度相同，压头是金刚石的正四棱锥体。在试验力F的作用下，试样表面上压出一个四方锥形的压痕，测量压痕对角线长度d，计算压痕的表面积A，以压痕单位面积上的力表示试样的硬度值，用符号HV表示。 金刚石压头上两相对面间夹角为136，这是为了在较低硬度时，其硬度值与布氏硬度值相等或接近。,01:02,维氏硬度,01:02,维氏硬度符号HV，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。,硬度,01:02,维氏硬度试验适用范围,各种硬度大致的换算关系如下： 1HBS10HRC；1HBS1Hv。,01:02,动载和高温下金属材料的力学性能,韧性 是材料在断裂前吸收变形能量的能力。金属的韧性通常随加载速度的提高、温度的降低、应力集中的加剧而减少。 韧性高的材料在断裂前要发生明显的塑性变形，能引起注意，一般不会造成严重事故； 韧性低的材料，断裂前没有明显的征兆，危险性大。 韧度 是度量材料韧性的力学性能指标，又分静力韧度、冲击韧度和断裂韧度。 静力韧度 是金属材料在静拉伸时单位体积材料断裂前所吸收的功，它是强度和塑性的综合指标，用真实应力-应变曲线所包围的面积表征。,01:02,动载和高温下金属材料的力学性能,冲击韧性 是材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，常用标准试样的冲击吸收功AK表示。 冲击吸收功 由冲击试验测得，它是将规定形状和尺寸的试样放在冲击试验机上。用摆锤冲击试样，试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的功即为冲击吸收功，单位为J。 冲击韧度 冲击试样缺口底部单位横截面积上的冲击吸收功。,01:02,冲击韧性,01:02,韧脆转变温度,材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。 发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。,韧,体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金属没有。,冲击韧性,01:02,TITANIC,建造中的Titanic 号,TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关,冲击韧性,01:02,Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果,冲击韧性,01:02,油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关,断裂韧性,01:02,应力强度因子： 描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。,断裂韧性：材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。 C为断裂应力，aC为临界裂纹半长，单位为,断裂韧性,01:02,疲劳,材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。,动载和高温下金属材料的力学性能,01:02,疲劳断口,通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。,疲劳,01:02,疲劳强度,材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。用-1表示。,动载和高温下金属材料的力学性能,钢铁材料规定次数为107， 有色金属合金为108。,01:02,温度对金属力学性能的影响,温度对力学性能的影响是最大的。一般认为t200为常温考虑，200t400为中温考虑，温度再高为高温。低于0则为低温。 以钢材为例，在常、中温条件下，抗拉强度在250300前随温度增加而逐渐升高，以后逐渐下降；屈服点随温度升高而下降；延伸率和断面收缩率在300前略有下降，随后很快提高。 钢材随温度升高力学性能变化的总趋势是：强度下降、塑性提高、韧性变化不大。,动载和高温下金属材料的力学性能,01:02,蠕变,进入高温工作状态，材料的力学性能不仅与温度有关系，与负载持续时间也密切相关。,动载和高温下金属材料的力学性能,蠕变 是指金属材料在高温长时间应力作用下，即使所加应力小于该温度下的屈服强度，也会逐渐产生明显的塑性变形，直至断裂。,01:02,物理性能,金属材料的物理性能主要有密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。 机器零件的用途不同，对材料物理性能的要求也不同。 金属材料的物理性能对热加工工艺也有一定的影响。 材料的物理性能也是过程装备选材要考虑的。 过程装备用材要考虑的物理性能参数通常是弹性模量、密度、熔点、比热容、导热系数、线膨胀系数等。,金属材料的物理、化学和工艺性能,01:02,化学性能,金属材料的化学性能 主要指其在常温或高温时，抵抗各种活性介质侵蚀的能力，如耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。 腐蚀 金属材料以及由它们制成的结构物，在自然环境中或者在工况条件下，由于与其所处环境介质发生化学或者电化学作用而引起的变质和破坏。 耐腐蚀性能 是材料在使用工艺条件下抵抗腐蚀性介质侵蚀的能力。,金属材料的物理、化学和工艺性能,01:02,工艺性能,材料的加工工艺性能是指保证加工质量的前提下，加工过程的难易程度。 金属材料的加工分为冷加工和热加工。 冷加工包括冷冲压、冷锻、冷挤压、冷轧与机械加工；而热加工包括铸造、热锻、热压、焊接与热处理。 以压力容器为例，其加工工艺包括轧制钢板弯圆或滚圆、压制封头、锻制法兰及连接件的压力加工，支座的铸造，配合零件的机加工，筒体、封头及接管的焊接及热处理等。,金属材料的物理、化学和工艺性能,01:02,焊接性能,焊接 也称作熔接、镕接，是一种以加热、高温或者高压的方式接合金属或其他热塑性材料（如塑料）的制造工艺及技术。 焊接性 是指金属材料在采用一定的焊接工艺包括焊接方法、焊接材料、焊接规范及焊接结构形式等条件下，获得优良焊接接头的难易程度。 一种金属，如果能用较多普通又简便的焊接工艺获得优质接头，则认为这种金属具有良好的焊接性能。,工艺性能,01:02,焊接性能包括两方面的内容： 接合性能：金属材料在一定焊接工艺条件下，形成焊接缺陷的敏感性。决定接合性能的因素有：工件材料的物理性能，如熔点、导热率和膨胀率，工件和焊接材料在焊接时的化学性能和冶金作用等。 使用性能：某金属材料在一定的焊接工艺条件下其焊接接头对使用要求的适应性，也就是焊接接头承受载荷的能力，如承受静载荷、冲击载荷和疲劳载荷等，以及焊接接头的抗低温性能、高温性能和抗氧化、抗腐蚀性能等。,焊接性能,01:02,铸造性能,是指金属材料是否适于铸造及所铸构件质量的好坏。 金属材料的铸造性能包括流动性、收缩性和偏析等方面。 流动性 是指液态金属充满铸模的能力，流动性愈好，愈易铸造细薄精致的铸件；