材料学-第十讲金属材料的性能与表面防护.ppt

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1、第七讲金属材料的性能与表面防护技术主讲：崔国栋第一节金属材料的力学性能材料的力学性能是指材料在不同环境（温度、介质、湿度）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。一般以力学性能为基础，以制造受力构件所用材料，称为结构材料。作为对于力作用的响应，所有材料在受到外力作用时都会发生几何形状和尺寸的变化，这种现象称为变形。如果除去载荷后材料恢复到原始形状、尺寸，这种变形叫做弹性变形。相反，如果加载-卸载过程导致发生了永久性变形，则产生了塑性变形。弹性变形的重要特征是其可逆性，即受力作用后产生变形，卸除载荷后，变形消失。这反映了弹性变形决定于原子间结合力这一

2、本质现象。弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。弹性模量E是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力。它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标，相当于普通弹簧中的刚度。前面（第一讲）我们讲过，弹性模量与原子结合能量曲线的形状有关。原子结合能量曲线深凹而且陡峭的材料具有高弹性模量。高模量的材料包括以共价键或共价-离子混合键结合的大多数陶瓷，例如金刚石、氧化铝陶瓷。金属的原子结合能和弹性模量也比较高，但低于大多数陶瓷。当两种弹性模量数值不同的材料承受相同的应力作用时，弹性模量较高的材料

3、发生的变形较小。例题：有三个圆柱形试样，直径均为10mm、长度为1m。第一个试样为铝质（E=70GPa），第二个为Al2O3（E=380GPa），第三个为聚苯乙烯（E=3.1GPa）。沿着试样的轴向分别施加2000N的力，假定变形都是弹性的，试估算各试样的延长量。例题：一个圆柱形钢材试样受到的应力为100MPa。试样未变形时直径为10mm，长度为40mm；试样变形后的长度和直径分别为40.019mm和9.9986mm。假定此时试样仍是弹性的，试计算这种钢的弹性模量、切变模量和泊松比。塑性变形塑性变形（PlasticDeformation），塑性变形的定义是，物质-包括流体及固体在一定的条件下，

4、在外力的作用下产生形变，当施加的外力撤除或消失后该物体不能恢复原状的一种物理现象。通过塑性变形不仅可以把金属材料加工成所需要的各种形状和尺寸的制品，而且还可以改变金属的组织和性能。一般使用的金属材料都是多晶体，金属的塑性变形可认为是由晶内变形和晶间变形两部分组成。所有的固体金属都是晶体，原子在晶体所占的空间内有序排列。在没有外力作用时，金属中原子处于稳定的平衡状态，金属物体具有自己的形状与尺寸。施加外力，会破坏原子间原来的平衡状态，造成原子排列畸变，引起金属形状与尺寸的变化。假若除去外力，金属中原子立即恢复到原来稳定平衡的位置，原子排列畸变消失和金属完全恢复了自己的原始形状和尺寸，则这样的变形

5、称为弹性变形。增加外力，原子排列畸变程度增加，移动距离有可能大于受力前的原子间距离，这时晶体中一部分原子相对于另一部分产生较大的错动。外力除去以后，原子间的距离虽然仍可恢复原状，但错动了的原子并不能再回到其原始位置，金属的形状和尺寸也都发生了永久改变。这种在外力作用下产生不可恢复的永久变形称为塑性变形。应变硬化在材料的拉伸压缩实验中，材料经过屈服阶段之后，又增强了抵抗变形的能力。这时，要使材料继续变形需要增大应力。经过屈服滑移之后，材料重新呈现抵抗继续变形的能力，称为应变硬化。拉伸试验tensiletest是指在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的试验方法。利用拉伸试验得到的数据可以确定材料的弹性

6、极限、伸长率、弹性模量、比例极限、面积缩减量、拉伸强度、屈服点、屈服强度和其它拉伸性能指标。从高温下进行的拉伸试验可以得到蠕变数据。测定材料在拉伸载荷作用下的一系列特性的试验，又称抗拉试验。它是材料机械性能试验的基本方法之一，主要用于检验材料是否符合规定的标准和研究材料的性能。典型塑性材料拉伸的应力—应变曲线（以低碳钢为例）典型脆性材料拉伸的应力—应变曲线（以铸铁为例）1、比例极限σp2、弹性极限σe3、屈服极限σs（或名义屈服极限σ0.2）4、强度极限σb5、弹性模量tana=E6、加工硬化与颈缩屈服强度yieldstrength又称为屈服极限，是材料屈服的临界应力值。（1）对于屈服现象明显

7、的材料（低碳钢），屈服强度就是屈服点的应力（屈服值）；（2）对于屈服现象不明显的材料（铝和铜），与应力-应变的直线关系的极限偏差达到规定值（通常为0.2%的永久形变）时的应力。通常用作固体材料力学机械性质的评价指标，是材料的实际使用极限。因为在应力超过材料屈服极限后产生颈缩，应变增大，使材料破坏，不能正常使用。当应力超过弹性极限后，进入屈服阶段后，变形增加较快，此时除了产生弹性变形外，还产生部分塑