工程材料性能精选PPT.ppt

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1、工程材料性能第1页，此课件共56页哦第三节第三节 金属材料的性能金属材料的性能 金属材料的性能：金属材料的性能：工艺性能工艺性能 使用性能使用性能。工艺性能工艺性能 制造工艺过程中材料适应加工的性能。制造工艺过程中材料适应加工的性能。铸造性能铸造性能、锻压性能、焊接性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能切削加工性能、热处理性能 使用性能使用性能 材料在使用条件下表现出来的性能。材料在使用条件下表现出来的性能。力学性能、物理性能、化学性能力学性能、物理性能、化学性能第2页，此课件共56页哦一、力学性能一、力学性能 金属材料的力学性能，即是指金属材料在外力（载金属材料的力学性能，即是指

2、金属材料在外力（载荷）作用时表现出来的性能。荷）作用时表现出来的性能。强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度 载荷的形式载荷的形式第3页，此课件共56页哦 作用在机件上的外力载荷FFF=F （MPa）外力内力应力FF静载荷动载荷=F/S外力作用第4页，此课件共56页哦（1 1）弹性变形：）弹性变形：材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来形材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来形状，这种状，这种随外力消失而消失的变形随外力消失而消失的变形，称为，称为弹性变形弹性变形。1.1.两种基本变形两种基本变形FFF第5页，此课件共56页哦 （2 2）塑性变形）

3、塑性变形:材料在外力作用下材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形产生永久的不可恢复的变形，称为，称为塑性变形塑性变形。FFF第6页，此课件共56页哦1、拉伸实验、拉伸实验 拉伸机上，低碳钢缓拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线慢加载单向静拉伸曲线 拉伸试验机拉伸试验机指标指标:弹性、塑性、韧性、强度、硬度和疲劳强度等。第7页，此课件共56页哦第8页，此课件共56页哦0钢材拉伸过程的-图OB弹性阶段BC屈服阶段CD强化阶段DE颈缩阶段A0BCB0DCEDFEC上上屈服点C下下屈服点以下屈服点的应力作为钢材的屈服强度。拉伸试验过程拉伸试验过程第9页，此课件共56页哦钢材拉伸弹性阶段示意图p比例

4、极限，MPa。e弹性极限，MPa。注：由于A、B两点相距较近，一般认为p=e。0AB0弹性阶段pe第10页，此课件共56页哦0 钢材拉伸屈服阶段示意图AB0C下C上CBC下C上C屈服阶段放大后第11页，此课件共56页哦0 钢材拉伸强化阶段示意图AB0C下C上CD D D D D强化阶段bb抗拉强度或强度极限。DC第12页，此课件共56页哦0E钢材拉伸颈缩阶段示意图AB0C下C上CDDE颈缩阶段第13页，此课件共56页哦拉伸过程的参数强度指标强度指标屈服强度：抗拉强度：塑性指标塑性指标伸长率：断面收缩率:第14页，此课件共56页哦退火低碳钢低、中回火钢淬火钢及铸铁中碳调质钢5.不同材料的拉伸曲线

5、不同材料的拉伸曲线第15页，此课件共56页哦（1）弹性与刚度（）弹性与刚度（E）1.1.弹性弹性:金属材料受外力作用时产生金属材料受外力作用时产生变形变形,当外力去掉后能恢复到原来当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。形状及尺寸的性能。弹性变形弹性变形:随载荷撤除而消失随载荷撤除而消失的变形。的变形。u比例极限：p=Pp/Fo应力应变保持线性关系的极限应力值u弹性极限：e=Pe/Fo不产永久变形的最大抗力。u工程上，p、e视为同一值，通常也可用0.010AB弹性阶段pe第16页，此课件共56页哦（2）刚度（）刚度（E）2.2.刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度：将材料抵抗弹性变形的能力

6、称为刚度。刚度。弹性模量：弹性下应力与应变的比值弹性模量：弹性下应力与应变的比值,表表示材料抵抗弹性变形的能力。即：示材料抵抗弹性变形的能力。即：弹性模量杨氏模量材料的材料的E E越大，刚度越大；越大，刚度越大；材料抵抗弹性变形的能力越大。材料抵抗弹性变形的能力越大。E E对组织不敏感；对组织不敏感；零件的刚度主要决定于零件的刚度主要决定于E E，也与形状、截面等有关。，也与形状、截面等有关。EI EI E=/第17页，此课件共56页哦当材料单位面积上所受的应力 e es s时，材料将产生明显的塑性变形。1 1）屈服强度屈服强度（S）指材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力。指材料在外力作用下

7、，产生屈服现象时的应力。S S=Fs/S=Fs/S0 0 （MPaMPa）它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。屈服强度屈服强度 是塑性材料选材和评定的依据。是塑性材料选材和评定的依据。（2 2）、强度）、强度 金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力。金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力。kbFes第18页，此课件共56页哦kbFes100%0.2%b条件屈服强度:0.2=F 0.2/S0 （MPa）第19页，此课件共56页哦 b=Fb/S0 （MPa）2 2）抗拉强度）抗拉强度（b）抗拉强度是材料在拉断前承抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。受最大载荷时的应力。它表征了材料在拉伸条件下所能承受的

8、最大应力。抗拉强度抗拉强度 是脆性材料选材的依据。是脆性材料选材的依据。第20页，此课件共56页哦小结小结 1.1.弹性极限弹性极限e e 材料保持弹性变形材料保持弹性变形,不产生永久变形的最大不产生永久变形的最大应力。应力。2.2.屈服极限（屈服强度）屈服极限（屈服强度）s s 金属开始发生明显塑性变形的抗力。金属开始发生明显塑性变形的抗力。条件屈服极限条件屈服极限0.2 0.2 铸铁等材料没有明显的屈服现铸铁等材料没有明显的屈服现象象,用产生用产生0.2%0.2%残余应变时的应力值表示。残余应变时的应力值表示。3.3.强度极限强度极限(抗拉强度抗拉强度b b)金属受拉时所能承受的最大应力。

9、金属受拉时所能承受的最大应力。第21页，此课件共56页哦(3).(3).塑性塑性常用常用 和和 作为衡量塑性的指标。作为衡量塑性的指标。伸长率：材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。断面收缩率:FFL良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。第22页，此课件共56页哦 2、硬度 n硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标，材料抵抗另材料抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度。一硬物体压入其内的能力叫硬度。即材料受压时抵抗局部塑性变形的能力。即材料受压时抵抗局部塑性变形的能力。n是金属材料表面在接触应力作用下抵抗塑性变形的一种能力。n硬

10、度的测量可分为压入法、刻划法、回跳法和摆动法。在机械工业中广泛采用压入法来测量硬度，本实验就是采用压入法，与其它机械性能相比，硬度实验简单易行，又无损于零件，因此在工业中被广泛应用。第23页，此课件共56页哦 （1 1）.布氏硬度（布氏硬度（HB)HB)一定直径的钢球或硬质合金球在一定载荷作用一定直径的钢球或硬质合金球在一定载荷作用下压入试样表面。测量压痕直径下压入试样表面。测量压痕直径,计算硬度值。计算硬度值。布氏硬度计布氏硬度计第24页，此课件共56页哦布氏硬度计的使用布氏硬度计的使用将压头为淬火钢球测出的硬度值标以符号HBS，适用适用HB450HB450HRB 适用于轻金属，未淬火钢；采

11、用组合：1.588mm淬火钢球，总载荷100kgfHRC 适用于较硬，淬硬钢制品；采用组合：120金刚石圆锥体，总载荷150kgfHRA 适用于硬、薄试件；采用组合：120金刚石圆锥体，总载荷60kgf 根据压头的根据压头的种类种类和和总载荷的大小总载荷的大小的不同组合，的不同组合，洛氏硬度常用表示方式有洛氏硬度常用表示方式有:HRA HRA、HRBHRB、HRCHRC第29页，此课件共56页哦洛氏硬度计的使用洛氏硬度计的使用重复性差，取三次平均值第30页，此课件共56页哦洛氏硬度试验的优缺点：优点是操作迅速、简便，硬度值可从表盘上直接读出；压痕较小，可在工件表面试验；可测量较薄工件的硬度，因

12、而广泛用于热处理质量的检验。缺点是精确性较低，硬度值重复性差、分散度大，通常需要在材料的不同部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度。此外，用不同标尺测得的硬度值彼此之间没有联系，也不能直接进行比较。第31页，此课件共56页哦维氏硬度 维氏硬度也是以单位压痕面积的力作为硬度值计量。试验力较小，压头是锥面夹角为136的金刚石正四棱锥体，见图所示。维氏硬度用符号HV表示。维氏硬度表示方法：在符号HV前方标出硬度值，在HV后面按试验力大小和试验力保持时间（1015s不标出）的顺序用数字表示试验条件。例如：640HV300。第32页，此课件共56页哦维氏硬度试验的优缺点：优点是可测软、硬金属，特别是极

13、薄零件和渗碳层、渗氮层的硬度，其测得的数值较准确，并且不存在布氏硬度试验那种载荷与压头直径比例关系的约束。此外，维氏硬度也不存在洛氏硬度那样不同标尺的硬度无法统一的问题，而且比洛氏硬度能更好地测定薄件或薄层的硬度。缺点是硬度值的测定较为麻烦，工作效率不如洛氏硬度，因此不太适合成批生产的常规检验。第33页，此课件共56页哦肖氏硬度 HS莫氏硬度 十级 十五级老师提示老师提示 各种硬度试验法测得的硬度值不能进各种硬度试验法测得的硬度值不能进行直接比较，必须通过硬度换算表换行直接比较，必须通过硬度换算表换算成一种硬度值后，方能比较硬度高算成一种硬度值后，方能比较硬度高低。低。第34页，此课件共56页

14、哦 3、冲击韧度（ak）材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。用摆锤冲击弯曲试验来测定。用摆锤冲击弯曲试验来测定。测得试样测得试样冲击吸收功冲击吸收功，用符号用符号A Ak k表示。表示。:Ak=mgHmgh(J)用冲击吸收功除以试样缺口处截面积用冲击吸收功除以试样缺口处截面积S S0 0,得到材料的得到材料的冲冲击韧度击韧度akak。AKak=(J/cm)S0第35页，此课件共56页哦冲击吸收功的测定冲击吸收功的测定ak值低脆性材料：断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状。ak值高韧性材料：明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽。第36页，此课件共56页哦Ak值不

15、仅取决于材料及其状态，与试样的形状，尺寸有很大关系第37页，此课件共56页哦4、断裂韧性 1问题的提出问题的提出前面所述的力学性能，都是假定材料内部是完整、连续的，但是实际上，内部不可避免的存在各种缺陷（夹杂、气孔等），由于缺陷的存在，使材料内部不连续。低应力脆断低应力脆断断裂力学断裂力学 桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应力脆断。桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应力脆断。工作应力低于材料的屈服强度。工作应力低于材料的屈服强度。2020世纪世纪世纪世纪8080年代初，某电站大型汽轮机转子轴断裂年代初，某电站大型汽轮机转子轴断裂年代初，某电站大型汽轮机转子轴断裂年代初，某电站大型

16、汽轮机转子轴断裂第38页，此课件共56页哦原因：原因：构件或零件存在裂纹。裂纹在应力作用下失稳扩展，导构件或零件存在裂纹。裂纹在应力作用下失稳扩展，导致机件破断。致机件破断。断裂韧性断裂韧性 材料抵抗裂纹失稳扩展材料抵抗裂纹失稳扩展 断裂的能力。断裂的能力。第39页，此课件共56页哦裂纹尖端应力场大小用应力场强度因子裂纹尖端应力场大小用应力场强度因子 表示。表示。KIY Y：系数：系数：外加应力：外加应力a a：裂纹半长：裂纹半长第40页，此课件共56页哦断裂韧性断裂韧性KIC对于一个有裂纹的试样，在拉伸载荷作用下，Y值是一定的，当外力逐渐增大，或裂纹长度逐渐扩展时，应力场强度因子也不断增大，

17、当应力场强度因子KI增大到某一值时:就可使裂纹前沿某一区域的内应力大到足以使材料产生分离，从而导致裂纹突然失稳扩展，即发生脆断。这个应力场强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性，用KIC表示，它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。y=KI=/2a断裂韧性断裂韧性KIC第41页，此课件共56页哦u当KIKIC时，裂纹失稳扩展，发生脆断。uKIKIC时，裂纹处于临界状态uKIKIC时，裂纹扩展很慢或不扩展，不发生脆断。KIC可通过实验测得，它是评价阻止裂纹可通过实验测得，它是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。失稳扩展能力的力学性能指标。是材料的一种固有特性，与裂纹本身是材料的一种固有特性

18、，与裂纹本身的大小、形状、外加应力等无关，而与材的大小、形状、外加应力等无关，而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。料本身的成分、热处理及加工工艺有关。断裂韧性断裂韧性KIC第42页，此课件共56页哦 5、疲劳强度 轴、齿轮、叶片、弹簧等零件，在工作轴、齿轮、叶片、弹簧等零件，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种应力称为这种应力称为交变应力交变应力(也称循环应力也称循环应力)。在交变应力作用下，虽然零件所承受的在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹、或突然

19、发生断裂。这种过工作而产生裂纹、或突然发生断裂。这种过程称为程称为金属的疲劳金属的疲劳。第43页，此课件共56页哦 交变应力越小，材料断裂时应力循环次数交变应力越小，材料断裂时应力循环次数N越大。越大。当应力低于一定值时当应力低于一定值时,试样可以经受无限周期试样可以经受无限周期循环而不破坏，此应力值称为材料的循环而不破坏，此应力值称为材料的疲劳强度疲劳强度 (疲疲劳极限劳极限)，用用-1表示。表示。第44页，此课件共56页哦 二、物理化学性能 1 1）.密度密度 单位体积物质的质量称为该物质的单位体积物质的质量称为该物质的密度密度。密度小于密度小于5105103 3 kg/mkg/m3 3

20、的金属称为轻金属的金属称为轻金属,如如铝、镁、钛及它们的合金。用于航天航空器上。铝、镁、钛及它们的合金。用于航天航空器上。密度大于密度大于5105103 3 kg/m kg/m3 3的金属称为重金属的金属称为重金属,如如铁、铅、钨等。铁、铅、钨等。2 2）.熔点熔点 金属从固态向液态转变时的温度称为金属从固态向液态转变时的温度称为熔点熔点。熔点高的金属称难熔金属，如钨、钼、钒等。熔点高的金属称难熔金属，如钨、钼、钒等。制造耐高温零件，如火箭、导弹、燃气轮机和喷气制造耐高温零件，如火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等零、部件。飞机等零、部件。熔点低的金属称为易熔金属如锡、铅等，可用熔点低的金属称为易

21、熔金属如锡、铅等，可用于制造保险丝和防火安全阀零件等。于制造保险丝和防火安全阀零件等。3 3）.热膨胀性热膨胀性 材料随温度变化而膨胀、收缩的特性材料随温度变化而膨胀、收缩的特性。膨胀系数大的材料制造的零件膨胀系数大的材料制造的零件,温度变化时温度变化时,尺尺寸和形状变化较大。寸和形状变化较大。轴和轴瓦之间根据膨胀系数来控制间隙尺寸；轴和轴瓦之间根据膨胀系数来控制间隙尺寸；在热加工和热处理时要考虑材料的热膨胀影响在热加工和热处理时要考虑材料的热膨胀影响,减少工件变形和开裂。减少工件变形和开裂。4 4）.导热性导热性 导热性用热导率衡量导热性用热导率衡量。热导率越大。热导率越大,导热性越好。导热

22、性越好。银导热性最好银导热性最好,铜、铝次之。合金的导热性比纯金属铜、铝次之。合金的导热性比纯金属差。差。在热加工和热处理时，防止材料加热或冷却时形在热加工和热处理时，防止材料加热或冷却时形成过大的内应力，以免零件变形或开裂。成过大的内应力，以免零件变形或开裂。导热性好的金属材料制造散热器、热交换器与活导热性好的金属材料制造散热器、热交换器与活塞等零件。塞等零件。第45页，此课件共56页哦 2.2.电性能电性能 传导电流的能力称传导电流的能力称导电性导电性。用电阻率来衡量。用电阻率来衡量。RLS电阻率：电导率：1/u超导体：0u导体：=10-810-5u半导体：=10-5107u绝缘体：=10

23、71022 电阻率越小，金属材料导电性越好。电阻率越小，金属材料导电性越好。金属导电性以银为最好，铜、铝次之。金属导电性以银为最好，铜、铝次之。合金的导电性比纯金属差。合金的导电性比纯金属差。电阻率小的金属电阻率小的金属(纯铜纯铜)适于制造导电零件和电线。适于制造导电零件和电线。电阻率大的金属或合金电阻率大的金属或合金(钨、钼、铁铬铝合金钨、钼、铁铬铝合金)适于做电适于做电热元件。热元件。第46页，此课件共56页哦磁性磁性 在外磁场中表现出来的特性。在外磁场中表现出来的特性。铁磁性材料铁磁性材料 在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钴等。在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钴等。制造变压器、电动机、测

24、量仪表等。制造变压器、电动机、测量仪表等。顺磁性材料顺磁性材料 在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等。在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等。抗磁性材料抗磁性材料 能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用，如铜、能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用，如铜、锌等。锌等。用于要求避免电磁场干扰的零件和结构材料，如航用于要求避免电磁场干扰的零件和结构材料，如航海罗盘。海罗盘。居里点：居里点：当温度升高到一定数值时，铁磁性材当温度升高到一定数值时，铁磁性材料磁畴被破坏，变为顺磁体。料磁畴被破坏，变为顺磁体。转变温度称转变温度称居里点居里点。铁的居里点是铁的居里点是770 770。第47页，此课件共5

25、6页哦金属的化学性能 3.3.耐腐蚀性耐腐蚀性 金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化学金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力。介质腐蚀破坏作用的能力。碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差；碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差；铝合金和铜合金的耐腐蚀性较好。铝合金和铜合金的耐腐蚀性较好。钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好。钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好。第48页，此课件共56页哦 2.2.抗氧化性抗氧化性 金属材料在加热时抵抗氧化作用的能金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力。力。加入加入CrCr、SiSi等元素等元素,可提高钢的抗氧化可提高钢的抗氧化性。性。如如4Cr9Si24Cr9Si2可制造内燃

26、机排气阀及加热炉可制造内燃机排气阀及加热炉炉底板炉底板,料盘等。料盘等。第49页，此课件共56页哦老师提示老师提示 金属材料主要以金属键结合，其强韧金属材料主要以金属键结合，其强韧性好，塑性变形能力强，导电、导热性好，性好，塑性变形能力强，导电、导热性好，为主要的工程材料。为主要的工程材料。第50页，此课件共56页哦 1、铸造性能 金属材料铸造成形获得优良铸金属材料铸造成形获得优良铸件的能力。件的能力。铸造铸造 1 1）.流动性流动性 熔融金属的流动能力。熔融金属的流动能力。完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。2 2）.收缩性收缩性 铸件在凝固和冷却过程中，其体积和

27、尺寸减少铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减少的现象。的现象。铸件收缩不仅影响尺寸，还会使铸件产生缩孔、铸件收缩不仅影响尺寸，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。铸造用金属材料的收缩率越小越好。铸造用金属材料的收缩率越小越好。3 3）.偏析偏析 金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织的金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织的不均匀现象。不均匀现象。偏析大使铸件各部分的力学性能有很大的差异，降偏析大使铸件各部分的力学性能有很大的差异，降低铸件的质量。低铸件的质量。三、工艺性能三、工艺性能第51页，此课件共56页哦 2、锻造性能 锻造性锻造性 金属材料

28、用锻压加工方法成形的适应金属材料用锻压加工方法成形的适应能力。能力。锻造锻造冷冲冷冲 金属材料的塑性越好，变形抗力越小，金属金属材料的塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。的锻造性能越好。第52页，此课件共56页哦 3、焊接性能 焊接性焊接性 金属材料对焊接加工的适应性。金属材料对焊接加工的适应性。获得优质焊接接头的难易程度。获得优质焊接接头的难易程度。电弧焊电弧焊气焊气焊 钢材的碳含量是焊接性好坏的主要因素。钢材的碳含量是焊接性好坏的主要因素。低碳钢和碳的质量分数低于低碳钢和碳的质量分数低于0.18%0.18%的合金钢焊接性的合金钢焊接性能较好。能较好。碳含量和合金元素含量越高碳含量和

29、合金元素含量越高,焊接性能越差。焊接性能越差。第53页，此课件共56页哦 4、切削加工性能 用切削后的表面粗糙度和用切削后的表面粗糙度和刀具寿命来表示。刀具寿命来表示。金属材料具有适当的硬度金属材料具有适当的硬度(170 HBS(170 HBS230 HBS)230 HBS)和和足够的脆性时切削性良好。足够的脆性时切削性良好。改变钢的化学成分改变钢的化学成分(加少量铅、磷加少量铅、磷)和进行适当的和进行适当的热处理热处理(低碳钢正火，高碳钢球化退火低碳钢正火，高碳钢球化退火)可提高钢的切削可提高钢的切削加工性能。加工性能。铜有良好的切削加工性能。铜有良好的切削加工性能。切削加工切削加工第54页，此课件共56页哦 5、热处理工艺性能 钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性（即钢接受淬火的能力）和淬硬性。（即钢接受淬火的能力）和淬硬性。含含MnMn、CrCr、NiNi等合金元素的合金钢淬透性等合金元素的合金钢淬透性比较好比较好,碳钢的淬透性较差。碳钢的淬透性较差。第55页，此课件共56页哦 END第56页，此课件共56页哦