緒論金屬材料的性能(精品)

1、l工學(xué)院工學(xué)院主講人：楊拓宇主講人：楊拓宇簡簡 介介一、材料科學(xué)的重要地位與作用一、材料科學(xué)的重要地位與作用二、工程材料的分類二、工程材料的分類三、本課程的任務(wù)和內(nèi)容三、本課程的任務(wù)和內(nèi)容 石器石器鐵器鐵器 象形尊象形尊( (西周西周) )l石器時代石器時代l青銅器時代青銅器時代l鐵器時代鐵器時代一、材料科學(xué)的重要地位與作用一、材料科學(xué)的重要地位與作用二、工程材料的分類二、工程材料的分類 按材料的化學(xué)組成分類按材料的化學(xué)組成分類 （1 1）金屬材料）金屬材料 （2 2）無機非金屬材料）無機非金屬材料 （3 3）高分子材料）高分子材料 （4 4）復(fù)合材料）復(fù)合材料三、本課程的任務(wù)和內(nèi)容三、本課程

2、的任務(wù)和內(nèi)容 （1 1）工程材料的基本理論）工程材料的基本理論 即材料的結(jié)構(gòu)與性能、金屬材料的組織與性能控制即材料的結(jié)構(gòu)與性能、金屬材料的組織與性能控制( (純金純金屬凝固、金屬塑變與再結(jié)晶、鋼的熱處理屬凝固、金屬塑變與再結(jié)晶、鋼的熱處理) ) （2 2）常用工程材料）常用工程材料 即金屬材料即金屬材料( (工業(yè)用鋼、鑄鐵、有色金屬及合金工業(yè)用鋼、鑄鐵、有色金屬及合金) )、高分子、高分子材料、無機非金屬材料、復(fù)合材料。材料、無機非金屬材料、復(fù)合材料。 l定義定義 : l 是指金屬材料在不同環(huán)境（溫度、介質(zhì)）是指金屬材料在不同環(huán)境（溫度、介質(zhì)）下，承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、下，承受各

3、種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力等）時所表現(xiàn)出的力扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力等）時所表現(xiàn)出的力學(xué)特征。學(xué)特征。 l指標(biāo)指標(biāo) :l 彈性彈性 、剛度、強度、塑性、剛度、強度、塑性 、 硬度、硬度、 沖擊韌性沖擊韌性 、疲勞強度和斷裂韌度等。、疲勞強度和斷裂韌度等。低碳鋼的應(yīng)力低碳鋼的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線拉伸試樣拉伸試樣拉伸試驗機拉伸試驗機應(yīng)力應(yīng)力 = P/F0應(yīng)變應(yīng)變 = (l-l0)/l0l彈性：指標(biāo)為彈性極限彈性：指標(biāo)為彈性極限 e e，即即材料承受最大彈性變形時材料承受最大彈性變形時的應(yīng)力。的應(yīng)力。l剛度：材料受力時抵抗彈性剛度：材料受力時抵抗彈性變形的能力。指標(biāo)為彈性模

4、變形的能力。指標(biāo)為彈性模量量E E。 ）（MPatgE el強度：材料在外力作用下抵抗強度：材料在外力作用下抵抗塑性變形和破壞的能力。塑性變形和破壞的能力。 屈服強度屈服強度 s：材料發(fā)生微量塑性：材料發(fā)生微量塑性變形時的應(yīng)力值。變形時的應(yīng)力值。 抗拉強度抗拉強度 b：材料斷裂前所承：材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。受的最大應(yīng)力值。條件屈服強度條件屈服強度 0.2：殘余變形量為：殘余變形量為0.2%時的應(yīng)力值。時的應(yīng)力值。s0.2 伸長率：伸長率：%100001 lll %100010 FFF 斷面收縮率：斷面收縮率：斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象l是指材料在沖擊載荷作用下是指材料在

5、沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。抵抗破壞的能力。l指標(biāo)為沖擊指標(biāo)為沖擊韌性值韌性值ak(通通過沖擊實驗過沖擊實驗測得測得)。試樣沖斷時所消耗的沖擊功試樣沖斷時所消耗的沖擊功A k為為: Ak = m g H m g h (J) 沖擊韌性值沖擊韌性值ak 就是試樣缺口處單位就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。截面積上所消耗的沖擊功。 AK ak = (J/cm) S0l材料的沖擊韌性隨溫度下材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱韌脆轉(zhuǎn)變。的現(xiàn)象稱韌脆轉(zhuǎn)變。l發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變稱

6、韌脆轉(zhuǎn)變溫度。溫度。l材料的使用溫度應(yīng)高于韌材料的使用溫度應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。脆轉(zhuǎn)變溫度。韌TITANIC建造中的建造中的Titanic 號號TITANIC的沉沒的沉沒與船體材料的質(zhì)量與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)直接有關(guān)Titanic 號鋼板號鋼板（左圖）（左圖）和和近代船用鋼板近代船用鋼板（右圖）（右圖）的沖擊試驗結(jié)果的沖擊試驗結(jié)果Titanic近代船用鋼板近代船用鋼板l材料在低于材料在低于 s的重復(fù)交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。的重復(fù)交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。l材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時的最大應(yīng)材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時的最大應(yīng)力稱為疲勞極限。用力稱為疲勞極限。用

7、-1表示。表示。l鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107，有色金屬合金為，有色金屬合金為108。疲勞應(yīng)力示意圖疲勞應(yīng)力示意圖疲勞曲線示意圖疲勞曲線示意圖五五 硬硬 度度布氏硬度布氏硬度HB 洛氏硬度洛氏硬度HR 維氏硬度維氏硬度HV銼刀法銼刀法硬度硬度:是指材料抵抗其它硬物是指材料抵抗其它硬物體壓入其表面的能力。體壓入其表面的能力。常用測量硬度的方法常用測量硬度的方法1 1、布氏硬度、布氏硬度HBHB布氏硬度用試驗力除以壓痕表面積的布氏硬度用試驗力除以壓痕表面積的商來計算。商來計算。 )(2102. 022dDDDPHB 布氏硬度計布氏硬度計l壓頭為鋼球時，壓頭為鋼球時，布氏硬度用符號布氏

8、硬度用符號HBS表示，適用于表示，適用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壓頭為硬質(zhì)合金球時壓頭為硬質(zhì)合金球時，用符號，用符號HBW表示，適用于布表示，適用于布氏硬度在氏硬度在650以下的材料。以下的材料。l符號符號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, 符號后面的數(shù)字按順序分符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑別表示球體直徑、載荷及載荷保持載荷及載荷保持時間。如時間。如 120HBS10/1000/30 表表 示直徑為示直徑為10mm的鋼球在的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作）載荷作用下保持用下保持30s測得的布氏硬度值為測得的布氏硬度值

9、為120。布氏硬度壓痕布氏硬度壓痕l洛氏硬度是以頂角為洛氏硬度是以頂角為120120的金剛石圓錐體的金剛石圓錐體 或直徑為或直徑為1.5881.588的淬火鋼球作壓頭，的淬火鋼球作壓頭， 以規(guī)定的試驗力使其壓入試樣表面。以規(guī)定的試驗力使其壓入試樣表面。l試驗時，先加初試驗力，然后加主試驗力。試驗時，先加初試驗力，然后加主試驗力。l壓入試樣表面之后卸除主試驗力，壓入試樣表面之后卸除主試驗力， 在保留初試驗力的情況下，根據(jù)試樣表面壓痕深在保留初試驗力的情況下，根據(jù)試樣表面壓痕深 度，確定被測金屬材料的洛氏硬度值。度，確定被測金屬材料的洛氏硬度值。洛氏硬度洛氏硬度h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度

10、測試示意圖洛氏硬度計洛氏硬度計l洛氏硬度用符號洛氏硬度用符號HR表示，表示，HR=k-(h1-h0)/0.002l根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個標(biāo)尺，常用的根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為標(biāo)尺為A、B、C。 l符號符號HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。lHRA用于測量高硬度材料用于測量高硬度材料, 如硬質(zhì)如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。合金、表淬層和滲碳層。lHRB用于測量低硬度材料用于測量低硬度材料, 如有色如有色金屬和退火、正火鋼等。金屬和退火、正火鋼等。lHRC用于測量中等硬度材料，如調(diào)用于測量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火

11、鋼等。質(zhì)鋼、淬火鋼等。l洛氏硬度的優(yōu)點洛氏硬度的優(yōu)點：操作簡便，壓痕：操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。小，適用范圍廣。l缺點缺點：測量結(jié)果分散度大。：測量結(jié)果分散度大。鋼球壓頭與鋼球壓頭與金剛石壓頭金剛石壓頭洛氏硬度壓痕洛氏硬度壓痕1943年美國年美國T-2油輪發(fā)生斷裂油輪發(fā)生斷裂北極星導(dǎo)彈北極星導(dǎo)彈裂紋擴展的基本形式裂紋擴展的基本形式斷裂韌性斷裂韌性：材料抵抗內(nèi)部：材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴展的能力。裂紋失穩(wěn)擴展的能力。l實際常使用的硬度試驗方法有：布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度三種。三種硬度試驗值有大致的換算關(guān)系，機械、機械工藝或金屬材料的手冊上面一般都有換算關(guān)系表。（2分）l布氏硬度：布氏硬度的使用上限是HB450，適用于測定硬度較低的金屬材料，如退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼、鑄鐵及有色金屬的硬度。l洛氏硬度：是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的硬度測量的方法，因為操作簡便、迅速，可以直接讀出硬度值，缺點是因壓痕小，對材料有偏析及組織不均勻的情況，測量結(jié)果分離度大，再現(xiàn)性較差。洛氏硬度有A、B、C等幾種標(biāo)尺，其中C標(biāo)尺（即HRC）用的最多，該硬度有效范圍是20-67(相當(dāng)于H