当前位置:首页 >> 学科竞赛 >>

第3讲-材料的性能-2011


第二节 金属材料的性能
?

金属材料的一般加工过程

液态成形(铸造)
塑性成形(压力加工) 连接成形(焊接)

毛坯 型材

切削 装配 加工 零件
形状、尺寸、性能


热处理

钢材

锻造

锻件 热处理 铸造 铸件 粉末冶 金烧结 粉末冶金 件
机械加工 部件装配

铸铁 铸钢 铝锭 辅助材 料 铁粉 碳粉

缸体 曲轴 变速箱壳体 齿轮 ┊

发动机 变速器 转向器 驱动桥 ┊

协作件、 电器系统 轮胎 其它部件

总装配

试车

钢板

冲压

铆、焊接


油漆

装配

汽车

图例:汽车的一般生产过程

?

工程材料的主要加工方法:

(1)金属的液态成型(铸造生产);
(2)金属的塑性成型(压力加工); (3)材料的连接成型(焊接生产); ( 4)切削加工。
?

产品的生产加工过程包括以下环节:

原材料的运输、保管和准备
制造

生产的准备工作

毛坯的

零件的机械加工与热处理 机器的质量检查及运行试验

零件装配成机器 机器的油漆、包装和

入库。

? 工艺过程主要有:

(1) 毛坯制造工艺过程 (2) 机械加工工艺过程 (3) 热处理工艺过程 (4) 装配工艺过程
? 可以把加工分为冷加工和热加工两种。

材料的表征
?

现代材料科学在很大程度上依赖于对材料性能及其成分及显微组织关系

的理解。因此,对材料性能的各种测试技术,对材料组织从宏观到微观
不同层次的表征构成了材料科学与工程的一个重要部分,也是联系材料

设计与制造工艺直到获得具有满意使用性能的材料之间的桥梁。
?

在公认的材料科学与工程四大要素---合成与制备、组成与结构、性质、 使用性能---之中,性能检测与表征技术通过组成与结构在化学、物理学 和环境科学基础上与其它三大要素相互联系与反馈,同样构成材料科学 与工程的关键共性技术。

1、性能检测
?

材料的性能是指材料在给定的一套条件下,当某一条件发生变化时,材
料所产生的反应。

?

对材料的性能测定需要建立一种广义力和广义位移的关系,在关系为线 性时,材料性能有线性常数表征,如弹性模量、热容等。在关系偏离线 性时,材料的性能需要由高阶常数来描述,如光学晶体在强光照射下的

极化率。材料的传输性能与材料内部参数的梯度所产生的流有关,由广
义力与所产生的流之间的比例常数来表征,如热导率、扩散系数等。
?

新材料的发展还提出了一些难以用单项性能进行评价的材料特征。如金 属材料的可焊性,材料的可加工性,高温熔盐气氛下的腐蚀性能等。

2、显微结构表征
?

显微结构表征包括观察组织的形貌、确定其原子排列方式和分析 其化学组分。

?

分析方法可按照观察形貌的显微镜、测定结构的衍射仪及分析成分 的各种谱仪进行分类。 1)形貌观察 2)结构测定 3)化学组分分析

一、工程材料的主要性能
1、概述
?

材料的性能是指材料的性质和功能。

?
?

性质是本身所具有的特质或本性;
功能是人们对材料的某种期待与要求种可以承担功效,以及承担该

功效下的表现或能力。
?

材料的性能一般分为以下几种:力学性能、物理性能、化学性能和

工艺性能。

2、材料的物理性能
?

材料的物理性能是指材料本身的具有各种物理量(热、电、光、磁等) 以及环境变化时它们的变化程度。

?

密度

密度是指单位体积物质的质量,单位是kg/m3;
ρ=M/V M:金属的质量(kg);V:金属的体积(m? )

一般将密度小于5.0×10?kg/m? 的金属称为轻金属;密度大于
5.0×10?kg/m? 的金属称为重金属。

? ?

比容是指单位质量的物质所占的体积,单位是m3/kg。 导热性?是指物体内温度梯度为1℃/M时,在单位时间、单位面积内传递 的热量,单位是W/(m.K)。 导热率越大,导热性越好。

?

热膨胀性: 金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。

热膨胀性用线胀系数αl和体胀系数αV来表示。
线膨胀系数α是指温度上升1℃时,单位长度的伸长量,单位是 mm/(℃.mm)或℃-1。
?l ?
L 2 ? L1 L1 ? t     ? V ? 3? l

式中,αl为线胀系数(1/K或1/℃);L1为膨胀前长度(m);L2为膨胀

后长度(m);Δt为温度变化量(K或℃)。

?

熔点是指物质由固态转变为液态的温度,反映固态下原子间的结合力。

易熔金属:熔点低(锡、铅等)如保险丝材料;难熔金属:熔点高(钨、
铬等)如白炽灯的灯丝材料。
?

电阻与电导:电阻率?为单位长度和单位截面积导体的电阻,单位是??m,

其倒数称为电导率。
金属传导电流的能力。用电阻率来衡量金属的导电性能导电性。 金属材料能够传导电流的能力称导电性,通常用电导率来衡量,电导率 越大,金属材料导电性越好。 电阻温度系数:温度上升1℃时,电阻率? 的变化系数,单位℃-1 。
?

导磁率:金属所具有的导磁能力。是用于表征铁合金、化合物(铁氧体) 的特有性能。

常用金属的物理性能
金属名称 符号 密度 熔点 热导率 线膨胀
系数 铝 铜 铁 锡 Al Cu Fe Sn 2.6984 8.96 7.87 7.298 660.1 1083 1538 231.91 221.9 393.5 75.4 62.8 23.8 17 11.76 2.3 2.655 1.67 9.7 11.5

电阻率



Wu

19.3

3380

166.2

4.6

5.1

3、材料的化学性能 材料的化学性能是指材料在常温或高温时抵抗各种化学作用的能 力。反映了材料与各种化学试剂发生化学反应的可能性和反应速度大小 的相关参数。 1)耐腐蚀性—金属抵抗氧、水蒸气、酸、碱等介质侵蚀的能力。 2)热安定性—金属在高温下对氧化的抵抗能力。 根据不同的工况选用不同的材料。

4、材料的工艺性能
?

我们把材料的工艺性能定义为:材料的工艺性能是一种

参量,用于表征材料适应工艺而获得规定性能和外形的
能力。
?

为了满足材料性能的要求,就必然要控制材料的成分、 组织和结构。

?

人们总是企图用在实验室测定的一些物理的、化学的或

力学的参量,来表征工艺性能。人们采用两种思路去表
征,一种是模拟,一种是抽象,即从复杂工艺现象中, 抽出主要的项目在实验室测定。

?

材料的工艺性能是材料力学、物理、化学性能的综合表现。 主要反映材料生产或零部件加工过程的可能性或难易程度。

1)材料可生产性:得到材料可能性和制备方法。
2)铸造性:将材料加热得到熔体,注入较复杂的型腔后冷却

凝固,获得零件的方法。例如:
?

流动性:充满型腔能力

?
?

收缩率:缩孔数量的多少和分布特征
偏析倾向:材料成分的均匀性

3) 锻造性:材料进行压力加工(锻造、压延、轧制、拉拔、挤 压等)的可能性或难易程度的度量。例如:
? ?

塑性变形能力:材料不破坏的前提下的最大变形量。 塑性变形抗力:发生塑性变形所需要的最小外力。

4) 焊接性:利用部分熔体,将两块材料连接在一起,就是

焊接。在一定焊接工艺条件下,获得优质焊接接头的难易程
度,就是焊接性能。例如:
? ?

连接能力:焊接头部位强度与母材的差别程度。 焊接缺陷:焊接处出现气孔、裂纹可能性的大小或母材变形

程度。

5) 切削加工性:材料进行切削加工的难易程度。它与材料的种 类、成分、硬度、韧性、导热性等有关。
? ? ? ?

切削抗力 加工表面质量 排屑难易程度 切削刀具的使用寿命

6) 热处理性能:可以实施的热处理方法和材料在热处理时性能

改变的程度。例如:
? ?

淬透性 变形度

5、力学性能
?

材料的力学性能是指材料处于特定环境因素(温度、介质等)时,在

外力或能量以及作用下表现出来的变形和破坏的特征。
?

金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能,称为机械性能或称为力

学性能。
?

金属材料的机械性能、物理性能、化学性能统称为金属材料的使 用性能 。金属材料使用性能的好坏,决定了它的使用范围与使用 寿命。

?

金属材料的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据。

拉伸试验

液压式万能电子材料试验机

拉伸试样

d0 L0
长试样:L0=10d0 短试样:L0=5d0

力-拉 伸 曲 线
塑性变形:外力去除后不能 消失的变形

F

b 塑性 变形

缩颈 断裂 k

屈服 s

弹性 变形

e Fs Fb O L

拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象

衡量材料的主要力学性能指标

强度 韧性 断裂韧度

塑性 硬度

疲劳

?弹性 ( elasticity )
金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能恢复到 原来形状及尺寸的性能。

? 弹性变形( elastic deformation ):
随载荷撤除而消失的变形。
弹性极限( elastic limit ):
Fe σe ( M pa ) = S0 试样原始横截面积( mm2) 弹性极限载荷( N )

?抗拉强度 ( tensile strength )

定义: 试样在断裂前所能承受的最大应力。
Fb 试样断裂前的最大载荷(N) 试样原始横截面积( mm2)

σb ( M Pa ) =
S0

根据受力方向不同:
抗拉强度、 抗压强度、 抗弯强度 抗剪强度 、抗扭强度等。

? 屈服强度( yield strength) :屈服点 S
Fs
σs ( M pa )

试样屈服时的载荷( N )

=
S0

试样原始横截面积( mm2)

F0.2

s

条件屈服强度:

规定残余伸长应力: ?0.2 =F0.2 /S 0
o
0.2%l0 l

?塑性 (plasticity): 指材料在载荷作用下产生塑性变形而 不被破坏的能力。
? 衡量指标1——断后伸长率(延伸率) (specific elongation):
指试样拉断后的标距伸长量L 1与原始标距L 0之比。

δ =
δ < 2 ~ 5% δ > 10%

L 1– L 0

× 100%

L0
属脆性材科

δ ≈ 5 ~ 10% 属韧性材料
属塑性材料

塑性 (plasticity):
? 衡量指标2——断面收缩率(percentage reduction in area):
指试样拉断处横截面积S 1的收缩量与原始横截面积S0之比。

S0 - S 1 ψ= × 100%

S0

硬度( hardness )
定义:是指材料抵抗其它更硬物体压入其表面的 能力。

常用硬度试验方法: ? ? ? 布氏硬度测试法 维氏硬度测试法 洛氏硬度测试法
布氏硬度计

布 氏 硬 度 试 验 原 理
用一定直径的压头(球体), 以相应试验力压入待测表面, 保持规定时间卸载后,测量 材料表面压痕直径,以此直 径对照布氏硬度表查得相应 硬度值。

布氏硬度试验原理

(1)压头材质表示方法
淬火钢球:HBS

硬质合金钢球:HBW
(2)布氏硬度值与压头选择

? 布氏硬度值?450的材料,选用淬火钢球头。 例如:200HBS,350HBS。 ? 布氏硬度值450~650的材料,选用硬质合金 球压头。例如:550HBW,600HBW

布氏硬度标注方法:
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 特 点
优点:测量误差小(因压痕大),数据稳
定,重复性强。

缺点:压痕面积较大,测量费时。
常用于测量较软材料、灰铸铁、有 应用: 色金属、退火正火钢材的硬度。 不适于测量成品零件或薄件的硬度。

洛 氏 硬 度 试 验 原 理
用锥顶角为120°的金刚石圆锥或直径1.588mm 的淬火钢球,以相应试验力压入待测表面,保

持规定时间卸载后卸除主试验力,以测量的残
余压痕深度增量来计算出硬度值。

洛 氏 硬 度 试 验 原 理

0 h3 1 3 2

h1

0 1 3 2
h2

1-1 初载10kg 2-2 总载150kg 3-3 卸载140kg

h1 h2 h

h

最后测得:
残余压痕深度增量 h

h = h 2- h 1

洛氏硬度 HR ( Rockwill Hardness )

根据压头的种类和总载荷的大小, 洛氏硬度
分为三种:
?
? ?

HRA: 金刚石圆锥压头;588N总载荷
HRB: 1/16钢球压头;980N总载荷 HRC: 金刚石圆锥压头;1470总载荷

洛氏硬度标注方法:70~85HRA,
20~70HRC,25~100HRB
注:HRA、HRB、HRC分别测得的硬度,不可直 接比较大小,但可以通过查表的方式进行互换。

例如: 50HRC<70HRA 50HRB>40HRC

〤 〤

洛 氏 硬 度 特 点
优点: 测量操作简单,方便快捷,压
痕小;测量范围大,能测较薄 工件。

缺点: 测量精度较低,可比性差,不
同标尺的硬度值不能比较。

洛 氏 硬 度 应 用
生产中应用最广泛的硬度试验方法。

可用于成品检验和薄件表面硬度检验。 不适于测量组织不均匀材料。

维氏硬度 HV ( Diamond Penetrator Hardness )

维 氏 硬 度 计

维氏硬度试验原理
? 与布氏硬度试验原理基本相同。 ? 只是压头改用了金刚石四棱锥体。

? 维 氏 硬 度 压 头—锥面夹角为136? 的
金刚石正四棱锥体

维 氏 硬 度 试 验 原 理
以一定的试验力将压头 压入试样表面,保持规

定时间卸载后,在试样
表面留下一个四方锥形

的压痕,测量压痕两对
角线长度,以此计算出

硬度值。

维 氏 硬 度 试 验 原 理
用压痕两对角

线的平均长度
来计算。

a

H V=F/S

维氏硬度标注方法
与布氏硬度基本相同,在后面要标注试验 条件—试验力和保持时间(10~15S不标)。 实例:580HV30表示用30kgf (294.2N)试

验力保持10~15S测定的维氏硬度值为580。

维 氏 硬 度 特 点
优点: 缺点: 应用:
适用范围广,从极软到极硬材料都可测量;测量

精度高,可比性强;能测较薄工件。
测量操作较麻烦,测量效率低。

广泛用于科研单位和高校,用于薄件表面硬度检 验。不适于大批生产和测量组织不均匀材料。

疲 劳( Fatigue )
疲劳现象:零件在循环应力的长期作用下, 即使工作时承受的应力低于材料的屈服点

或规定残余伸长应力,在经受一定的应力
循环后也会发生突然断裂,这种现象称为

疲劳现象。

疲劳极限σ-1:表示金属材料在无数次交变载荷作用

而不破坏的最大应力。

疲劳曲线

疲劳极限σ-1: 7 钢材的循环次数一般取 N = 10 8 有色金属的循环次数一般取 N = 10

1943年,美国T-2油轮发生断裂

提高疲劳极限途径: ? 改善零件的结构形状 ? 降低表面粗糙度值 ? 采取表面强化

韧性 (Toughness ): 材料在冲击载荷作用下抵抗
破坏的能力。

冲击试验机

冲击试样和冲击试验示意图

金属的夏比冲击试验

g

试样冲断时所消耗的冲击功A k为: A k = m g H – m g h (J)

冲 击 韧 度 ak
试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸收功。

AK

a k=

(J/cm? )

S0

断裂韧性K1 (J/m)
在实际生产中,有些大型传动零件、高压容器、船舶、桥梁等,常在其工作应 力远低于σS的情况下,突然发生低应力脆断。通过大量研究认为,这种破坏与制 件本身存在裂纹和裂纹扩展有关。 实际使用的材料,不可避免地存在一定的冶金和加工缺陷,如气孔、夹杂物、 机械缺陷等,它们破坏了材料的连续性,实际上成为材料内部的微裂纹。在服役过 程中,裂纹扩展的结果,造成零件在较低应力状态下,即低于材料的屈服强度、而 材料本身的塑性和冲击韧性又不低于传统的经验值的情况下,发生低应力脆断。 材料中存在的微裂纹,在外加应力的作用下,裂纹尖端处存在有较大的应力集 中和应力场。断裂力学分析指出,这一应力场的强弱程度用应力强度因子K1描述。 随应力的增大,K1也随之增大,当K1增大到一定值时,就可使裂纹前端某一区 域内的内应力大到足以使裂纹失去稳定而迅速扩展,发生脆断。这个K1的临界值称 为临界应力强度因子或断裂韧性,用K1C表示,单位为J/m。 它反映了材料抵抗裂纹扩展和抗脆断的能力。
?

材料的断裂韧性K1C与裂纹的形状、大小无关,也和外加应力无关,只决定于

材料本身特性(成分、热处理条件、加工工艺等),是一个反映材料性能的常数。

断 裂 韧 度 K1C
反映材料有裂纹存在时,抵抗脆性断裂的能力。
? K1c可通过试验来测定,它是材料本身的特性,与材料成分、热处理及
加工工艺等有关
?

为安全设计提供了一个重要的力学性能指标

当K1达到临界值K1C时,零件内裂纹将发生失稳扩展而出 现低应力脆性断裂,而K1<K1C时,零件安全可靠。

常见工程材料的断裂韧度K1C值(MN· -3/2) M


相关文章:
第3讲材料感觉特性的运用
第三章 材料感觉特性的运用 本讲的主要的内容: 产品造型设计; 材料表面特性; ...注意的问题: 任何一种产品造型设计只有与选用材料的性能特点及其加工工艺相一致时...
第3讲 1H411000机电工程项目常用材料及工程设备(一)(2011年新版)
第3讲 1H411000机电工程项目常用材料及工程设备(一)(2011年新版) 一级建造,...机械设备的分类和性能 掌握机电工程项目电气设备的分类和性能 熟悉机电工程项目静...
材料力学性能3
材料力学性能论文 5页 2下载券 12款折纸飞机 12页 1下载券 2011年毛概复习资料...这门课程的内容大体上分为 大部分,第一部分主要是阐述金属的变形和断裂过程...
第3讲 材料在拉伸与压缩时的力学性能
材 料 力 学 教 案 第3讲 教学方案 ——材料在拉伸与压缩时的力学性能 材料在拉伸与压缩时的力学性能 许用应力与强度条件 基本内容 各种材料在轴向拉伸与压缩...
材料力学性能第七章_2011
材料力学性能第七章_2011_材料科学_工程科技_专业资料。第七章 环境效应作用下...、抗蠕变力学性能指标 1. 蠕变极限 必须定义在高温长时间载荷作用下,机件不...
第5讲-金属材料组织和性能控制-2
第1讲-材料的应用与发展-2... 第3讲-材料的性能-2011 第4讲-金属材料组织和性能... 第6讲-钢的热处理及合金化 第8讲-高温合金和铸铁 第9讲-有色金属...
第3讲 高分子材料的类型及应用
cckclj1234贡献于2011-09-06 0.0分 (0人评价)暂无...第3讲 高分子材料的类型及应用 一建机电通关实务一建...泵设 备、压缩机设备等,设备的性能一般以其参数...
2011第3讲
第3讲-材料的性能-2011 44页 免费 2011考研辅导第3讲 16页 免费 第3讲-材料...—、施工方项目管理的任务 它包括: (1)施工安全管理; (2)施工成本控制; (3...
材料性能知识点_第1.2.3.5章
材料性能知识点_第1.2.3.5章_工学_高等教育_教育专区。第一章 金属在单向...文档贡献者 网购帅帅 贡献于2011-11-19 1/2 相关文档推荐 第2讲 材料的...
材料物理性能(第3版)
材料物理性能(第3版)_工学_高等教育_教育专区。焊接考试 分类: 金属材料学2009...文档贡献者 史加文000 贡献于2011-10-17 1/2 相关文档推荐 《无机材料物理...
更多相关标签:
alsi9cu3材料性能 | 材料物理性能第3版 | 30crni3mov材料性能 | 金属材料力学性能 | 金属材料力学性能手册 | 材料性能学 | 工程材料力学性能 | 金属材料物理性能手册 |