CH1-材料分類與性能第2講.ppt

1,第1章 材料的分類 與性能,1.1 材料的分類,1.2 工程材料的性能,2,1.1 材料的分類,復(fù) 合 材料,Way?,3,工程材料分類,4,What? 各類材料的特點(diǎn),金屬材料 主要為金屬鍵。 熱和電的良導(dǎo)體； 具有良好的強(qiáng)度與延展性以及金屬光澤。 陶瓷材料 通常為離子鍵或共價(jià)鍵。 絕緣體，而且比較耐熱。 高分子材料 通常為共價(jià)鍵、分子鍵 和氫鍵，以共價(jià)鍵為主。 分子結(jié)構(gòu)都非常大； 通常密度較低，在高溫下不穩(wěn)定。 復(fù)合材料 性能的復(fù)合。,玻璃纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料,5,1.2 工程材料的性能,表征材料在給定外界條件下的行為。,什么是材料的性能？,6,材料在外加載荷（外力或能量）作用下或載荷與環(huán)境因素（溫度、介質(zhì)和加載速率）聯(lián)合作用下表現(xiàn)出來(lái)的行為。 主要是指材料在力的作用下抵抗變形和開(kāi)裂的性能。,力學(xué)性能,7,機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)首先考慮材料的力學(xué)性能。 通俗地講,力學(xué)性能反應(yīng)在多大和怎樣形式的載荷條件下而不致于改變零件幾何形狀和尺寸的能力。,力學(xué)性能指標(biāo): 彈性、剛度、 塑性、韌性、 強(qiáng)度、硬度、 疲勞強(qiáng)度等。,工程材料的機(jī)械性能 材料在受力時(shí)的性質(zhì)。 （也稱力學(xué)性能）。,8,一、靜載單向靜拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線,拉伸機(jī)上，低碳鋼緩慢加載單向靜拉伸曲線,拉伸試驗(yàn)機(jī),9,曲線分為四階段： 1階段I（oab段）彈性變形階段 a: Pp b: Pe （不產(chǎn)生永久變形的最大抗力） oa段：L P 直線階段 ab段：極微量塑性變形（0.001-0.005%) 2階段II（bcd段）屈服變形 c: 屈服點(diǎn) Ps,屈服現(xiàn)象：金屬材料開(kāi)始產(chǎn)生明顯塑性變形的標(biāo)志。,10,3階段III（dB段）均勻塑性變形階段 B: Pb 材料所能承受的最大載荷 4階段IV (BK段) 局部集中塑性變形,低鋼、正火、退火調(diào)質(zhì)中鋼，低、中C合金鋼、某些Al合金及某些高分子材料具有類似上述曲線。 鑄鐵、陶瓷：只有第I 階段 中、高碳鋼：沒(méi)有第II 階段,頸縮,11,低鋼、正火、退火調(diào)質(zhì)中鋼，低、中C合金鋼某些Al合金及某些高分子材料具有類似上述曲線。 鑄鐵、陶瓷：只有第I階段 中、高碳鋼：沒(méi)有第II階段,12,二、材料的強(qiáng)度(strength),單位： MPa(MN/mm2),公式：=P/Fo,物理意義:材料在載荷作用下抵抗變形和破壞的能力。,抗拉強(qiáng)度、 抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度 、 抗剪強(qiáng)度 、 抗扭強(qiáng)度等。,材料所能承受的極限應(yīng)力.,13,1屈服強(qiáng)度s (yield strength)和條件屈服強(qiáng)度0.02 a: s=Ps/Fo,s：代表材料開(kāi)始明顯塑性變形的抗力,是設(shè)計(jì)和選材的主要依據(jù)之一。,14,b: 0.2條件屈服強(qiáng)度 中高碳鋼等無(wú)屈服點(diǎn)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以產(chǎn)生一定的微量塑性變形的抗力的極限應(yīng)力值來(lái)表示。,脆性材料：b=s ，如灰口鑄鐵,15,2抗拉強(qiáng)度( tensile strength ) b=Pb/Fo 材料被拉斷前所承受的最大應(yīng)力值。,b：代表材料抵抗外力而不致斷裂的極限應(yīng)力值。,16,3疲勞強(qiáng)度-1 ( fatigue strength ),疲勞現(xiàn)象： 承受載荷的大小和方向隨時(shí)間作周期性變化。在交變應(yīng)力作用下，往往在遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限，甚至小于屈服極限的應(yīng)力下發(fā)生斷裂。,（80%的斷裂由疲勞造成）,影響因素： 循環(huán)應(yīng)力特征、溫度、材料成分和組織、夾雜物、表面狀態(tài)、殘余應(yīng)力等。,1943年美國(guó)T-2油輪發(fā)生斷裂,17,疲勞極限-1 ： 材料經(jīng)無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最高應(yīng)力值。,條件疲勞極限： 經(jīng)受107應(yīng)力循環(huán)而不致斷裂的最大應(yīng)力值。,鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 107,有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 108,鋼材的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系: -1 = (0.450.55)b,陶瓷、高分子材料疲勞抗力很低； 金屬材料疲勞強(qiáng)度較高； 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料較好的抗疲勞性能。,18,三、塑性 (plasticity) 材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。,延伸率與試樣尺寸有關(guān)， d5 , d10 (Lo=5do, 10do)。,1延伸率（specific elongation）, 10% 屬塑性材料,是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長(zhǎng)量Lk與原始標(biāo)距L0之比。,Lk: 試樣拉斷后最終標(biāo)距長(zhǎng)度。,19, =F/Fo=(Fo-Fk)/Fo x 100% 越大，塑性愈好 5%, 脆性材料,2.斷面收縮率(percentage reduction in area): 試樣拉斷處橫截面積k的收縮量與原始橫截面積F0之比。,20,四、剛度和彈性,1剛度,E=/ 楊氏彈性模量 GPa, MPa 本質(zhì)是：反映了材料內(nèi)部原子種類及其結(jié)合力的大小，組織不敏感的力學(xué)指標(biāo)。,2彈性( elasticity ),比例極限：p=Pp/Fo，應(yīng)力應(yīng)變保持線性關(guān)系的極限應(yīng)力值； 彈性極限：e=Pe/Fo，不產(chǎn)生永久變形的最大抗力。 工程上，p、e視為同一值，通常也可用0.01,材料在受力時(shí)，抵抗彈性變形的能力,材料不產(chǎn)生塑性變形的情況下，所能承受的最大應(yīng)力,21,五 硬度( hardness ),抵抗外物壓入的能力，是材料綜合性能指標(biāo)。,1布氏硬度HB ( Brinell-hardness ),適用于未經(jīng)淬火的鋼、鑄鐵、有色金屬或質(zhì)地輕軟的軸承合金。,適用范圍:,450HBS;,650HBW;,22,2洛氏硬度HR ( Rockwll hardness ),定義：每0.002mm相當(dāng)于洛氏1度 洛氏硬度常用標(biāo)尺有：B、C、A三種 HRB 輕金屬，未淬火鋼 HRC 較硬，淬硬鋼制品 HRA 硬、薄試件,10HRCHBS,23,3維氏硬度( diamond penetrator hardness ) 科學(xué)試驗(yàn),維氏硬度的壓力一般可選5，10，20，30，50，100，120kg等，小于10kg的壓力可以測(cè)定顯微組織硬度。,適用范圍:,測(cè)量薄板類 ;,HVHBS。,24,六、沖擊韌性 (notch toughness),材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。,試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功A k為:,Ak = mgH mgh (J),沖擊韌性值ak 就是試樣缺口處單位 截面積上所消耗的沖擊功。,ak值低脆性材料：斷裂時(shí)無(wú)明顯變形，金屬光澤，呈結(jié)晶狀。 ak值高韌性材料：明顯塑變，斷口呈灰色纖維狀，無(wú)光澤。,25,韌性與溫度有關(guān)脆性轉(zhuǎn)變溫度TK,溫度對(duì)沖擊韌性的影響,26,七、斷裂韌性,1問(wèn)題的提出 前面所述的力學(xué)性能，都是假定材料內(nèi)部是完整、連續(xù)的，但是實(shí)際上，內(nèi)部不可避免的存在各種缺陷（夾雜、氣孔等），由于缺陷的存在，使材料內(nèi)部不連續(xù)。低應(yīng)力脆斷斷裂力學(xué) 2應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI 裂紋尖端前沿有應(yīng)力集中產(chǎn)生，形成一個(gè)裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)。表示應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的參數(shù)“應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子”。 I：?jiǎn)挝缓穸?，無(wú)限大平板中有一長(zhǎng)度2a的穿透裂紋； Y：裂紋形狀，加載方式，試樣幾何尺寸，試驗(yàn)類型有關(guān)的系數(shù)幾何形狀因子； Y= 。,27,3斷裂韌性KIC 對(duì)于一個(gè)有裂紋的試樣，在拉伸載荷作用下，Y值是一定的，當(dāng)外力逐漸增大，或裂紋長(zhǎng)度逐漸擴(kuò)展時(shí)，應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子也不斷增大，當(dāng)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI增大到某一值時(shí):,就可使裂紋前沿某一區(qū)域的內(nèi)應(yīng)力大到足以使材料產(chǎn)生分離，從而導(dǎo)致裂紋突然失穩(wěn)擴(kuò)展，即發(fā)生脆斷。 這個(gè)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的臨界值，稱為材料的斷裂韌性，用KIC表示。,y =KI,=/2a,斷裂韌性KIC,它表明了材料有裂紋存在時(shí)抵抗脆性斷裂的能力。,28,當(dāng)KIKIC時(shí)，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，發(fā)生脆斷。 KIKIC時(shí)，裂紋處于臨界狀態(tài) KIKIC時(shí)，裂紋擴(kuò)展很慢或不擴(kuò)展，不發(fā)生脆斷。 KIC可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，它是評(píng)價(jià)阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的力學(xué)性能指標(biāo)。 是材料的一種固有特性，與裂紋本身的大小、形狀、外加應(yīng)力等無(wú)關(guān)，而與材料本身的成分、熱處理及加工工藝有關(guān)。,斷裂韌性KIC,29,4應(yīng)用 斷裂韌性是強(qiáng)度和韌性的綜合體現(xiàn)。 （1）已知2a、 ，選擇一定KIC的材料或根據(jù)KIC，制定零件工作是否安全KI KIC ，失穩(wěn)擴(kuò)展。 （2）已知2a、KIC，計(jì)算承受的最大應(yīng)力。 （3）已知 、KIC，計(jì)算不產(chǎn)生脆斷所允許的內(nèi)部宏觀裂紋的臨界尺寸2a 。,30,5 Titanic沉沒(méi)原因,Titanic 含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。所以，沖擊試樣是典型的脆性斷口。近代船用鋼板的沖擊試樣則具有相當(dāng)好的韌性。,Titanic 號(hào)鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果,該科學(xué)研究回答了80年未解之謎。,31,八、工程材料的其它性能 （自學(xué)）,（一）、熱學(xué)性能,1熱膨脹原子（或分子）受熱后平均振幅增加 （1）體積膨脹系數(shù)； （2）線膨脹系數(shù)。 結(jié)合鍵越強(qiáng)則原子間作用力越大，原子離開(kāi)平衡位置所需的能量越高，則膨脹系數(shù)越小。 2熱傳導(dǎo)自由電子的運(yùn)動(dòng)和晶格振動(dòng)。 導(dǎo)熱系數(shù)：?jiǎn)挝粶囟忍荻认?，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位垂直面積的熱量。 3熱容： 材料在溫度升高10時(shí)所吸收的熱量叫做熱容。 1克物質(zhì)的熱容叫比熱。,材料的熱學(xué)性能與原子和自由電子的能量交換密切相關(guān)。,32,（二）、電磁學(xué)性能,1、導(dǎo)電性,電阻率： 電導(dǎo)率：1/ 超導(dǎo)體：0 導(dǎo)體：=10-810-5 半導(dǎo)體：=10-5107 絕緣體：=1071022,2、磁性,RLS,33,（三）、比重和熔點(diǎn) 1比重 2熔點(diǎn) （四）、耐磨性能* （五）、抗蝕性能*,* 實(shí)際上很重要。,34,（六）、加工性能（可加工性）,1.鑄造性能（流動(dòng)性、收縮、偏析傾向） 鑄造鋁、銅合金鑄鐵（灰口）鑄鋼（共晶點(diǎn)附近最好） 2.鍛造性能（塑性、變形抗力） 低碳鋼中碳鋼（低合金鋼）高碳鋼（高合金鋼）鑄鐵不可鍛壓 3.焊接性能（可焊性、焊后開(kāi)裂的傾向、焊區(qū)硬度） 低碳鋼中碳鋼（低合金鋼）高碳鋼（高合金鋼）銅、鋁合金 4.切削性能（切削難易程度、加工表面質(zhì)量） 5.熱處理工藝性能（熱處理難易程度及產(chǎn)生缺陷的傾向） 淬透性、變形和開(kāi)裂、過(guò)熱敏感性、回火脆化和氧化脫碳等,35,CH1 作 業(yè) 1. 什么是機(jī)械工程材料?試舉幾種常見(jiàn)工程材料并簡(jiǎn)述其應(yīng)用。 2. 圍繞材料與工程的核心關(guān)系是什么？ 3. 名詞解釋：強(qiáng)度、硬度、剛度、彈性模量、塑性、沖擊韌性、