金属材料性能.ppt

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1、1.2金属材料的性能l使用性能：使用性能：材料在使用过程材料在使用过程中所表现的性能。中所表现的性能。包括包括力学力学性能、物理性能性能、物理性能和和化学性能。化学性能。l工艺性能：工艺性能：材料在加工过程材料在加工过程中所表现的性能。中所表现的性能。包括包括铸造、铸造、锻压、焊接、热处理锻压、焊接、热处理和和切削切削性能等性能等。神舟一号飞船l材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为为变形变形。l外力去处后能够恢复的变形称为外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形弹性变形。l外力去处后不能恢复的变形称为外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形塑性变形。五

2、万吨五万吨水压机水压机低碳钢的应力低碳钢的应力-应变曲线应变曲线拉伸试样拉伸试样拉拉伸伸试试验验机机应力应力 =P/F0应变应变 =(l-l0)/l0一、弹性和刚度一、弹性和刚度l弹性：弹性：指标为弹性极限指标为弹性极限 e e，即即材料承受最大弹性变形时材料承受最大弹性变形时的应力。的应力。l刚度：刚度：材料受力时抵抗弹性材料受力时抵抗弹性变形的能力。变形的能力。指标为弹性模指标为弹性模量量E E。e弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升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

3、金化等对弹性模量的影响很小。可以通过热加工、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。增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。二、强度与塑性二、强度与塑性l强度：强度：材料在外力作用下材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。抵抗变形和破坏的能力。屈服强度屈服强度 s：材料发生微量材料发生微量塑性变形时的应力值。塑性变形时的应力值。条件屈服强度条件屈服强度 0.2：残余变残余变形量为形量为0.2%时的应力值。时的应力值。抗拉强度抗拉强度 b：材料断裂前所材料断裂前所承受的最大应力值。承受的最大应力值。s0.2塑性：塑性：塑性：塑性：材料受力破坏前可承受最

4、大塑性变形的能力。材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。指标为：指标为：指标为：指标为：伸长率：伸长率：断面收缩率：断面收缩率：断裂后拉拉伸伸试试样样的的颈颈缩缩现现象象l说明：说明：l 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。实变形。l 直径直径d0 相同时，相同时，l0，。只有当只有当l0/d0 为常数时，塑性值才有可比性。为常数时，塑性值才有可比性。l当当l0=10d0 时，伸长率用时，伸长率用 表示；表示；l当当l0=5d0 时，伸长率用时，伸长率用 5 表示。显然表示。显

5、然 5 l 时，无颈缩，为脆性材料表征时，无颈缩，为脆性材料表征 时，有颈缩，为塑性材料表征时，有颈缩，为塑性材料表征三、冲击韧性三、冲击韧性l是指材料抵抗冲击载荷是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。作用而不破坏的能力。l指标为冲击指标为冲击韧性值韧性值ak(通通过过冲击实验冲击实验测得测得)。韧脆转变温度韧脆转变温度韧脆转变温度韧脆转变温度l材料的冲击韧性随温材料的冲击韧性随温度下降而下降。度下降而下降。在某在某一温度范围内冲击韧一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象性值急剧下降的现象称称韧脆转变韧脆转变。发生韧发生韧脆转变的温度范围称脆转变的温度范围称韧脆转变韧脆转变温度温度。材料材料的

6、使用温度应高于韧的使用温度应高于韧脆转变温度。脆转变温度。韧体心立方金属具有韧脆转体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立变温度，而大多数面心立方金属没有。方金属没有。TITANIC建造中的建造中的Titanic 号号TITANIC的沉没的沉没与船体材料的质量与船体材料的质量直接有关直接有关Titanic 号钢板号钢板（左图）（左图）和和近代船用钢板近代船用钢板（右图）（右图）的冲击试验结果的冲击试验结果Titanic近代船用钢板近代船用钢板四、疲劳四、疲劳l材料在低于材料在低于 s的的重复交变应力作用下发生断裂的现象。重复交变应力作用下发生断裂的现象。l材料在规定次数应力循环后仍不发生断

7、裂时的最大应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力称为疲劳极限疲劳极限。用。用-1表示。表示。l钢铁材料规定次数为钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为，有色金属合金为108。疲劳应力示意图疲劳应力示意图疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图疲劳断口疲劳断口通过通过改善材料的形状结构改善材料的形状结构，减少表面缺陷减少表面缺陷，提高表面提高表面光洁度光洁度，进行表面强化进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。等方法可提高材料疲劳抗力。轴的疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片疲劳辉纹（扫描电镜照片）五、硬度五、硬度l材料抵抗表面局部塑性变形材料抵抗表面局部塑性变形的能力。的能力。l布

8、氏硬度布氏硬度HBHB布布氏氏硬硬度度计计 l压压头头为为钢钢球球时时，布布氏氏硬硬度度用用符符号号HBS表表示示，适适用用于于布氏硬度值在布氏硬度值在450以下的材料。以下的材料。l压压头头为为硬硬质质合合金金球球时时，用用符符号号HBW表表示示，适适用用于于布布氏硬度在氏硬度在650以下的材料。以下的材料。l符符号号HBS或或HBW之之前前的的数数字字表表示示硬硬度度值值,符符号号后后面面的的数数字字按按顺顺序序分分别别表表示示球球体体直直径径、载载荷荷及及载载荷荷保保持时间。持时间。如如 120HBS10/1000/30 表表 示示直直径径为为10mm的的钢钢球球在在1000kgf（9.

9、807kN）载载荷荷作用下保持作用下保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120。布布氏氏硬硬度度压压痕痕l布氏硬度的优点：布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。测量误差小，数据稳定。l缺点：缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。还硬的材料。l适于测量适于测量退火、正火、调质钢退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。铸铁及有色金属的硬度。l材料的材料的 b与与HB之间的经验关系：之间的经验关系：对于低碳钢对于低碳钢:b(MPa)3.6HB 对于高碳钢：对于高碳钢：b(MPa)3.4HB 对于铸铁：对于铸铁：b(MPa)1HB或或

10、 b(MPa)0.6(HB-40)HB b(MPa)钢黄铜球墨铸铁洛氏硬度洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛洛氏氏硬硬度度计计l洛洛 氏氏 硬硬 度度 用用 符符 号号 HR表表 示示，HR=k-(h1-h0)/0.002l根根据据压压头头类类型型和和主主载载荷荷不不同同，分分为为九九个个标标尺尺，常用的标尺为常用的标尺为A、B、C。l符号符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。lHRA用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料,如如硬质合金、表淬层和渗碳层硬质合金、表淬层和渗碳层。lHRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料,如如有色

11、金属和退火有色金属和退火、正火钢等。正火钢等。lHRC用于测量中等硬度材料，用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。如调质钢、淬火钢等。l洛氏硬度的优点：洛氏硬度的优点：操作简便，操作简便，压痕小，适用范围广。压痕小，适用范围广。l缺点：缺点：测量结果分散度大。测量结果分散度大。钢球压头与钢球压头与金刚石压头金刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕维氏硬度维氏硬度维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕l维氏硬度用符号维氏硬度用符号HV表示表示，符号前的数字为硬度值，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。后面的数字按顺序分别表示载荷

12、值及载荷保持时间。l根据载荷范围不同，规定了三种测定方法根据载荷范围不同，规定了三种测定方法维氏硬维氏硬度试验度试验、小负荷维氏硬度试验小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验显微维氏硬度试验。l维氏硬度保留了布氏硬度和维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点洛氏硬度的优点。小小负负荷荷维维氏氏硬硬度度计计显微维氏硬度计显微维氏硬度计六、断裂韧性六、断裂韧性油轮断裂和北极星导油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关材料中存在缺陷有关 1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂北北极极星星导导弹弹裂纹扩展的基本形式裂纹扩展的基本形式l脆性断裂事例脆性断裂事例l

13、20世纪50年代，美国发射北极星导弹，其固体燃料发动机壳体，采用了超高强度钢制造，屈服强度为1400MPa，按照传统强度设计与验收时，其各项性能指标都符合要求，设计时的工作应力远低于材料的屈服强度，但点火不久，就发生了爆炸。l为什么材料会发生低应力脆断？l原因：传统力学把材料看成是均匀的，没有缺陷的，没有裂纹的连续的理想固体，但是，实际工程材料在制备、加工（冶炼、铸造、锻造、焊接、热处理、冷加工等）及使用中（疲劳、冲击、环境温度等）都会产生各种缺陷（白点、气孔、渣、未焊透、热裂、冷裂、缺口等）。缺陷和裂纹会产生应力集中，所受拉应力为平均应力的数倍。过分集中的拉应力如果超过材料的临界拉应力值时，将会产生裂纹或缺陷的扩展，导致脆性断裂。l应力强度因子：应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。指标。断裂韧性：断裂韧性：材料抵抗内部材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。裂纹失稳扩展的能力。C为断裂应力，为断裂应力，aC为临界为临界裂纹半长，单位为裂纹半长，单位为