工程材料01材料的种类与性能课件.ppt

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主编：齐乐华工程材料与机械制造基础 本课程主要内容：本课程包括工程材料、金属热加工、冷加工三部分。工程材料部分包括常用工程材料的成分、组织、性能与应用的基本知识；热加工部分包括铸造、塑性加工、焊接等内容；冷加工部分包括切削加工原理及加工方法等内容 第一篇工程材料篇 第一章材料的种类与性能本章重点：1.材料的种类2.几大性能指标的物理意义3.硬度试验原理、规范和应用 §1-1材料的种类工程材料主要指用于机械工程和建筑工程等领域的材料。按组成进行如下分类: （1）使用性能是指在服役条件下能保证安全可靠工作所必备的性能，其中包括材料的力学性能(机械性能)、物理性能、化学性能等。工程材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围和寿命。对绝大多数工程材料来说，力学性能是最重要的使用性能。（2）工艺性能是指材料的可加工性。其中包括锻造性能、铸造性能、焊接性能、热处理及切削加工性等。§1-2材料的性能工程材料的性能分为使用性能和工艺性能。 一、强度是金属材料在力的作用下，抵抗变形和断裂的能力。1.2.1静载时材料的力学性能材料的主要力学性能有：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。 1）弹性极限σe和弹性模量E在拉伸图上，e点以前产生的变形是可以恢复的变形叫弹性变形，e点对应了弹性变形阶段的极限值，称为弹性极限，以σe=Fe/S0单位MPa。对一些弹性零件如精密弹簧等，σe是主要的性能指标。弹性模量E:材料在弹性变形阶段内，应力与应变的比值为定值，这表征了材料抵抗弹性变形的能力，其值大小反映材料弹性变形的难易程度，称为弹性模量，以E表示，即:E =σ/ε单位GPa在工程上，零件或构件抵抗弹性变形的能力称为刚度。显然，在零件的结构、尺寸已确定的前提下，其刚度取决于材料的弹性模量。 2）屈服极限拉伸图中，在S点出现一水平线段，这时若卸去载荷，则试样的变形不能全部恢复，将保留一部分残余变形。这种不能恢复的残余变形叫塑性变形。所以S点就是材料从弹性状态过渡到塑性状态的临界点。它所对应的应力为材料在外力作用下开始发生塑性变形的最低应力值，称为屈服极限或屈服强度，用σs表示，单位MPa。:试样发生屈服时所承受的最大载荷，N；:试样原始截面积，屈服强度的意义在于工厂中大多数的零件都是在弹性范围内工作，如果产生塑性变形就使零件失效，所以σs、σ0.2是我们设计零件的依据。 3）拉伸强度σb试样拉断前最大载荷所决定的条件临界应力，即试样所能承受的最大载荷除以原始截面积，以σb表示，单位MPa。：试样在拉断前所承受的最大载荷，N：试样原始截面积，它的物理意义是表征材料对最大均匀变形的抗力，表征材料在拉伸条件下，所能承受的最大载荷的应力值，它是设计和选材的主要依据之一。 二、塑性：是指断裂前材料产生塑性变形而不被破坏的能力。塑性以材料断裂后塑性变形的大小来表示。拉伸时用伸长率(δ)和断面收缩率()表示伸长率断面收缩率:试样原始标距长度，mm:试样拉断后，断口处截面积，:试样的原始截面积，:试样拉断后的标距长度，mm 三、硬度硬度—金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕的能力。硬度直接影响到材料的耐磨性和切削加工性。常用的硬度有：1.布氏硬度HB**见图1-3布氏硬度法**用钢球为压头：HBS,常用范围HBS﹤450布氏硬度压痕大，硬度值较稳定，测试数据重复性好，但较费时，不宜成品检验。**用硬质合金为压头：HBW表示，较少用。 2.洛氏硬度HR**见图1-4洛氏硬度的测量。**HRC应用最广，范围是20～67，还有HRA、HRB见表1-1洛氏硬度测定操作迅速简便，压痕面积小，适用于成品检验，硬度范围广。3.维氏硬度HV正四棱锥体的金刚石压头压入试样表面，测量压痕对角线长度。维氏硬度测量准确，硬度测量范围大，尤其能测较薄试样的硬度。 1.2.2其他载荷作用下的力学性能一、韧性韧性—金属材料断裂前吸收的变形能量称作韧性。:冲击韧度（冲击值）:冲断试样所消耗的冲击功，J:试样缺口处的截面积， 二、断裂韧性   工程上实际使用的材料，常常存在一定的缺陷，如夹杂物、气孔、微裂纹等。这些缺陷都可看作裂纹，它们的存在，容易导致材料局部的应力集中，造成裂纹尖端在外加应力远低于屈服点时，其尖端的应力可能已远超过屈服点，引起裂纹快速扩展而使材料断裂，因此用应力强度因子KI表示材料中裂纹各点应力随外加应力变化的比例关系。实际断裂应力与原始裂纹尖度、裂纹的形状、加载方式及材料抵抗裂纹扩展的能力有关，三、疲劳强度疲劳强度—机械零件在周期性或非周期性动载荷（称为疲劳载荷）的作用下工作发生断裂时的应力，用表示。 1.高温性能   材料在长时间的恒温、恒应力作用下，发生缓慢塑性变形的现象称为蠕变。   金属材料在高于一定温度下，承受的应力即使小于屈服点，也会出现蠕变断裂现象。   蠕变的另一种表现形式是应力松驰。是指承受弹性变形的零件，在工作过程中总变形量应保持不变，但随时间的延长发生蠕变，从而导致工作应力自行逐渐衰减的现象。如高温紧固件，若出现应力松驰，将会使紧固失效。   在高温下，材料的强度是用蠕变强度和持久强度来表示的。2.低温性能   随着温度的下降，多数材料会出现脆性增加的现象，严重时甚至发生脆断。通过材料的冲击功与温度的变化关系来确定材料的韧、脆状态转化，当温度降到某一值时，冲击功Ak值会急剧减小使材料呈脆性状态。材料由韧性状态变为脆性状态的温度Tk称冷脆转化温度。材料的Tk低，表明其低温韧性好。§1.2.3材料的高温及低温性能 物理性能金属材料的物理性能主要有密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。化学性能金属材料的化学性能主要是指在常温或高温时，抵抗各种介质侵蚀的能力，如耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。§1.2.4金属材料的物理、化学及工艺性能 工艺性能工艺性能是指材料在制造机械零件和工具的过程中，采用某种加工方法制成成品的难易程度，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能及切削加工性能等。材料工艺性能的好坏，会直接影响制造零件的工艺方法、质量以及制造成本。铸造性能指浇注铸件时，金属及合金易于成形并获得优质铸件的性能。流动性好、收缩率小、偏析倾向小是表示铸造性能好的指标。在金属材料中，铸铁与青铜的铸造性较好。工程塑料在一些成型工艺方法中也要求有好的流动性和小的收缩率。锻造性能一般用材料的可锻性来衡量。可锻性是指材料是否易于进行压力加工的性能。可锻性好坏主要以材料的塑性及变形抗力来衡量。一般钢的可锻性良好，而铸铁则不能进行压力加工。热塑性塑料可经挤压和压塑成型。§1.2.5材料的工艺性能 焊接性能一般用材料的可焊性来衡量。可焊性是指材料是否易于焊接在一起并能保证焊缝质量的性能。可焊性好坏一般用焊接处出现各种缺陷的倾向来衡量。低碳钢具有优良的可焊性，而铸铁和铝合金的可焊性就很差。某些工程塑料也有良好的可焊性，但与金属的焊接机制及工艺方法有所不同。切削加工性能是指材料在切削加工时的难易程度。它与材料的种类、成分、硬度、韧性、导热性及内部组织状态等许多因素有关。切削加工性好的材料切削容易，对刀具的磨损小，加工出的表面也比较光洁。从材料种类而言，铸铁、铜合金、铝合金及一般碳钢的切削加工性能较好。非金属材料与金属材料的切削加工工艺要求不同。热处理工艺性能：这对于钢是非常重要的性能，将在第3章讨论。§1.2.5材料的工艺性能