工程材料專(zhuān)接本材料的性能

1、 金屬材料的性能金屬材料的性能 材 料 的 性 能使用性能工藝性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能鑄造性能鍛壓性能熱處理性能焊接性能力學(xué)性能力學(xué)性能定義定義 : 是指金屬材料在外力的作用是指金屬材料在外力的作用下所表現(xiàn)出來(lái)的抵抗能力。下所表現(xiàn)出來(lái)的抵抗能力。 力 學(xué) 性 能強(qiáng)度硬度斷裂韌度疲勞主要指標(biāo)：主要指標(biāo)：塑性韌性w強(qiáng)度強(qiáng)度w塑性塑性拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸試驗(yàn)機(jī)液壓式萬(wàn)能電子材料試驗(yàn)機(jī)* 拉伸試樣：長(zhǎng)試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0d0L0力力伸長(zhǎng)曲線伸長(zhǎng)曲線FesbkLFsFbO屈服屈服彈彈性性變變形形縮頸縮頸斷裂斷裂塑塑性性變變形形塑性變形塑性變形: :外力外

2、力去除后不能消失去除后不能消失的變形的變形彈性彈性( elasticity ):金屬材料受外力作金屬材料受外力作 用時(shí)產(chǎn)生變形用時(shí)產(chǎn)生變形,當(dāng)外力去掉后能恢復(fù)當(dāng)外力去掉后能恢復(fù) 到原來(lái)形狀及尺寸的性能。到原來(lái)形狀及尺寸的性能。彈性變形彈性變形( elastic deformation ): 隨載荷撤除而消失的變形。隨載荷撤除而消失的變形。 彈性極限彈性極限( elastic limit ): Fe 彈性極限載荷彈性極限載荷( N ) e = ( M pa ) S0 試樣原始橫截面積試樣原始橫截面積( mm2)拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象力力伸長(zhǎng)曲線伸長(zhǎng)曲線FesbkLFsFbO屈服屈服

3、彈彈性性變變形形縮頸縮頸斷裂斷裂塑塑性性變變形形強(qiáng)度強(qiáng)度(strength): 材料在力的作用下抵抗材料在力的作用下抵抗 變形和破壞的能力。變形和破壞的能力。 種類(lèi)種類(lèi): 抗拉強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、 抗壓強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、 抗彎強(qiáng)抗彎強(qiáng) 度度 、 抗剪強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度 、 抗扭強(qiáng)度等。抗扭強(qiáng)度等。 (2)屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度( yield strength): 屈服點(diǎn)屈服點(diǎn) S Fs s = ( M pa ) S0試樣屈服時(shí)的載荷試樣屈服時(shí)的載荷( N )試樣試樣原始橫截面積原始橫截面積( mm2)規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力： r0.2 =Fr0.2/S 0slF0.20.2%l0o(3)抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度( tensi

4、le strength ): 試樣在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力。試樣在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力。 F b 試樣斷裂前的最大載荷試樣斷裂前的最大載荷(N) b = ( M pa ) S 0 試樣原始橫截面積試樣原始橫截面積( mm2) 力 學(xué) 性 能強(qiáng)度硬度韌性斷裂韌度疲勞主要指標(biāo)：主要指標(biāo)：塑性塑性塑性(plasticity):是指材料在載荷作用下是指材料在載荷作用下 產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。(1)斷面收縮率斷面收縮率(percentage reduction in area): 是指試樣拉斷處橫截面積是指試樣拉斷處橫截面積S 1 的收縮量與原始橫截面積的收縮

5、量與原始橫截面積S0之比。之比。 S0 - S 1 = 100% S0 (2)斷后伸長(zhǎng)率斷后伸長(zhǎng)率(延伸率延伸率) specific elongation: 是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長(zhǎng)量是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長(zhǎng)量L 1與與原始標(biāo)距原始標(biāo)距L 0之比。之比。 L 1 L 0 = 100% L 0 10% 屬塑性材料屬塑性材料長(zhǎng)試樣：10 簡(jiǎn)寫(xiě)為簡(jiǎn)寫(xiě)為短試樣：5 w同一種材料的5 10硬度硬度( hardness )( hardness )1.1.定義定義： 是指材料抵抗其它更硬物體是指材料抵抗其它更硬物體壓入其表面的能力。壓入其表面的能力。2.2.硬度試驗(yàn)方法：硬度試驗(yàn)方法：（1 1）壓入法）壓入

6、法（2 2）劃痕法）劃痕法（3 3）回跳法）回跳法 布氏硬度布氏硬度HB HB 洛氏硬度洛氏硬度HR HR 維氏硬度維氏硬度HVHV壓入法壓入法( (一一) )布氏硬度布氏硬度HB(Brinell-hardness)HB(Brinell-hardness)布氏硬度計(jì)布氏硬度計(jì) 觀看布氏硬度觀看布氏硬度1.1.壓頭：壓頭：淬火鋼球淬火鋼球 HBSHBS硬質(zhì)合金鋼球硬質(zhì)合金鋼球 HBWHBW2.2.試驗(yàn)原理：試驗(yàn)原理： 用一定直徑的壓頭（球體），以相應(yīng)試驗(yàn)力壓入待測(cè)表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載后，測(cè)量材料表面壓痕直徑，以此計(jì)算出硬度值。 F F HB= = S Dh D h = 2 D d 2 2 22

7、布氏硬度值布氏硬度值 450450的材料的材料 選用選用淬火鋼球淬火鋼球壓頭壓頭例如：例如：200HBS200HBS 350HBS 350HBS布氏硬度值布氏硬度值450450650650的材料的材料 選用選用硬質(zhì)合金球壓頭壓頭例如：例如：550HBW550HBW 600HBW 600HBW3.3.標(biāo)注：標(biāo)注： 符號(hào)符號(hào)HBS或或HBW之前的數(shù)字表示之前的數(shù)字表示硬度值硬度值，符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑球體直徑、載荷載荷及及載荷保持時(shí)間載荷保持時(shí)間。如如: :120HBS10/1000/30表示表示直徑為直徑為10mm的鋼的鋼球球在在1000kgf（9.8

8、07kN）載荷載荷作用下作用下保持保持30s測(cè)得的測(cè)得的布氏硬度值為布氏硬度值為120。4. 特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小（因壓痕大），數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。缺點(diǎn)：壓痕面積較大，測(cè)量費(fèi)時(shí)。應(yīng)用：常用于測(cè)量較軟材料、灰鑄鐵、有色金屬、退火正火鋼材的硬度。不適于測(cè)量成品零件或薄件的硬度。( (二二) )洛氏硬度洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness )HR ( Rockwll hardness )觀看洛氏硬度觀看洛氏硬度1.1.壓頭：壓頭：120120金剛石圓錐體鋼球金剛石圓錐體鋼球鋼球鋼球 HRAHRAHRCHRCHRBHRB2.2.試驗(yàn)原理：試驗(yàn)原理： 用錐頂角為120的金剛石圓錐或直徑

9、1.588mm的淬火鋼球，以相應(yīng)試驗(yàn)力壓入待測(cè)表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載后卸除主試驗(yàn)力，以測(cè)量的殘余壓痕深度增量來(lái)計(jì)算出硬度值。00112332h1h2h3h1-1 1-1 初載初載10kg h110kg h12-2 2-2 總載總載150kg h2150kg h23-3 3-3 卸載卸載140kg h3140kg h3最后測(cè)得：最后測(cè)得：殘余壓痕深度增量 h hHR=C-h/0.002h=h3-h1h=h3-h1HR=h/0.002洛氏硬度值的表示：洛氏硬度值的表示：w7085HRAw25100HRBw2070HRCHRA、HRB、HRC分別測(cè)得的硬度，不可直接比較大小例如：例如： 50HRC7

10、0HRA 50HRC40HRC 50HRB40HRC 3.3.特點(diǎn)：特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量操作簡(jiǎn)單，方便快捷，壓痕?。粶y(cè)量范圍大，能測(cè)較薄工件。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：測(cè)量精度較低，可比性差，不同標(biāo)尺的硬度值不能比較。應(yīng)用：( (三三) )維氏硬度維氏硬度 HVHV ( diamond penetrator hardness ) ( diamond penetrator hardness )維1.1.壓頭：壓頭： 錐面夾角為錐面夾角為136136的金剛石的金剛石正四棱錐體正四棱錐體2.2.試驗(yàn)原理：試驗(yàn)原理： 與布氏硬度試驗(yàn)原理基本相同。 只是壓頭改用了金剛石四棱錐體。 以一定的試驗(yàn)力將壓頭壓入試樣表面，保持

11、規(guī)定時(shí)間卸載后，在試樣表面留下一個(gè)四方錐形的壓痕，測(cè)量壓痕兩對(duì)角線長(zhǎng)度，以此計(jì)算出硬度值。2.2.試驗(yàn)原理：試驗(yàn)原理：用壓痕兩對(duì)角線的平均長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算。H V=F/Saad3.3.標(biāo)注：標(biāo)注： 與布氏硬度基本相同，在后面要標(biāo)注試驗(yàn)條件試驗(yàn)力和保持時(shí)間（1015S不標(biāo)）。 例：580HV30表示用30kgf (294.2N)試驗(yàn)力保持1015S測(cè)定的維氏硬度值為580。4.4.特點(diǎn)：特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：適用范圍廣，從極軟到極硬材料都可測(cè)量;測(cè)量精度高，可比性強(qiáng)；能測(cè)較薄工件。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：測(cè)量操作較麻煩，測(cè)量效率低。應(yīng)用應(yīng)用：廣泛用于科研單位和高校，以及薄件表面硬度檢驗(yàn)。不適于大批生產(chǎn)和測(cè)量組織不均勻材料

12、。韌性(toughness ): 材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。的能力。1.1.定義：定義：沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖2.2.金屬的夏比沖擊試驗(yàn)金屬的夏比沖擊試驗(yàn): :試樣沖斷時(shí)所消耗的試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功沖擊功A k為為: A k = m g H m g h (J)g g 沖擊韌度沖擊韌度a ak k 就是試樣缺口處單位截面積上所消就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊吸收功。耗的沖擊吸收功。 AK a k = (J/cm) S03.3.韌脆轉(zhuǎn)變溫度韌脆轉(zhuǎn)變溫度: :-40-20020204060akT(c)TT

13、，a ak k急劇急劇韌性韌性脆性脆性金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，材，材料的低溫沖擊韌性愈好。料的低溫沖擊韌性愈好。斷裂韌度1 1、低應(yīng)力脆斷、低應(yīng)力脆斷 有些零件在工作應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于屈服點(diǎn)時(shí)就會(huì)發(fā)生脆性斷裂。這種現(xiàn)象稱(chēng)為低應(yīng)力脆斷。式中：Y_裂紋的幾何形狀因子; _外加應(yīng)力（N/mm2）； a_裂紋的半長(zhǎng)（mm）； K1_ 強(qiáng)度因子（MPam1/2或MNm-3/2）當(dāng)K1達(dá)到臨界值K1C時(shí)，零件內(nèi)裂紋將發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展失穩(wěn)擴(kuò)展而出現(xiàn)低應(yīng)力脆性斷裂低應(yīng)力脆性斷裂，而K1K1C時(shí)，零件安全可靠。K K1 1= =YaYa2 2、應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子、應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子當(dāng)K1達(dá)到臨界值K1C時(shí)，

14、零件內(nèi)裂紋將發(fā)生失穩(wěn)失穩(wěn)擴(kuò)展擴(kuò)展而出現(xiàn)低應(yīng)力脆性斷裂低應(yīng)力脆性斷裂，而K1K1C時(shí)，零件安全可靠。3 3、斷裂韌度、斷裂韌度K K1C1C材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力斷裂韌度表示。材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力斷裂韌度表示。w反應(yīng)材料有裂紋存在時(shí)，抵抗脆性斷裂的能力。wK1c可通過(guò)試驗(yàn)來(lái)測(cè)定，它是材料本身的特性，與材料成分、熱處理及加工工藝等有關(guān)。w為安全設(shè)計(jì)提供了一個(gè)重要的力學(xué)性能指標(biāo)常見(jiàn)工程材料的斷裂韌度常見(jiàn)工程材料的斷裂韌度K1C值（值（MNm-3/2） 根據(jù)K1=Ya K1C的臨界判據(jù)知： 為使零件不發(fā)生脆斷，設(shè)計(jì)者可以控制三個(gè)參數(shù)：材料的斷裂韌度K1C 、名義工作應(yīng)力和零件內(nèi)的裂紋長(zhǎng)度a，它們之間

15、的定量關(guān)系能直接用于設(shè)計(jì)計(jì)算，可以解決以下三方面的工程實(shí)際問(wèn)題： 1）根據(jù)零件的實(shí)際工作應(yīng)力和其內(nèi)可能的裂紋尺寸a，確定材料應(yīng)有的斷裂韌度K1C，為正確選材提供依據(jù)；2）根據(jù)零件所使用的材料斷裂韌度K1C及已探傷出的零件內(nèi)存在的裂紋尺寸a，確定零件的臨界斷裂應(yīng)力C，為零件最大承載能力設(shè)計(jì)提供依據(jù)；3）根據(jù)已知材料的斷裂韌度K1C和零件的實(shí)際工作應(yīng)力，估算斷裂時(shí)的臨界裂紋長(zhǎng)度aC，為零件的裂紋探傷提供依據(jù)。 1、疲勞現(xiàn)象 零件在循環(huán)應(yīng)力的作用，即使工作時(shí)承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)或規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力，在經(jīng)受一定的應(yīng)力循環(huán)后也會(huì)發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱(chēng)為疲勞。疲勞（ ）2、疲勞極限-1: 表示金屬材

16、料在無(wú)數(shù)次交變載荷作表示金屬材料在無(wú)數(shù)次交變載荷作 用而不破壞的最大應(yīng)力。用而不破壞的最大應(yīng)力。疲勞曲線鋼材的循環(huán)次數(shù)鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取一般取 N = 107有色金屬的循環(huán)次數(shù)有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取一般取 N = 1083、提高疲勞極限途徑、提高疲勞極限途徑改善零件的結(jié)構(gòu)形狀改善零件的結(jié)構(gòu)形狀降低表面粗糙度值降低表面粗糙度值采取表面強(qiáng)化采取表面強(qiáng)化1943年美國(guó)年美國(guó)T-2油輪發(fā)生斷裂油輪發(fā)生斷裂物理性能物理性能w物理性能，不僅對(duì)工程材料的選用來(lái)說(shuō)，有著重要的意義；物理性能，不僅對(duì)工程材料的選用來(lái)說(shuō)，有著重要的意義；而且也會(huì)對(duì)材料的加工工藝產(chǎn)生一定的影響。而且也會(huì)對(duì)材料的加工工藝產(chǎn)生一定的影響。w（一）密度（一）密度w（二）熱學(xué)性能（二）熱學(xué)性能w 熔點(diǎn)；熔點(diǎn)； 熱容；熱容； 熱膨脹；熱膨脹；熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)w（三）電