工程材料学—工程材料的性能

第一章工程材料的性能性能工艺性能：铸造性能、可锻性、可焊性、切削加工性和热处理工艺性等使用性能机械性能：强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等化学性能：抗氧化性和耐腐蚀性物理性能：密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性和磁性等1.1强度与塑性1.1.1强度MPa((MN/m2)在外力作用下材料抵抗塑性变形和断裂的能力。DdoaoL0bo(a)园试样(b)板材试样测定方法：拉伸试验标准试样lo力学性能拉伸试验设备及标准试样拉伸三个阶段﹡弹性变形阶段0-p-e﹡弹塑性变形阶段屈服-强化-缩颈）e-ss-s′s′-bb-k﹡断裂koPsNbkss’pemmDlPb拉伸曲线oσsMPase=DL/Lbks’peεσb﹡应力：试样单位面积上所承受的力﹡应变：试样单位长度上的伸长量σ%1.屈服强度oσsMPabkss’pee=Dl/Lσb屈服强度(σs)：指材料产生屈服时的最小应力。σb条件屈服强度(σ0.2)：残余应变量为0.2％时的应力值(国标规定)。0.2σ0.2%允许的残余应变量可因构件的服役条件而定。如高压容器，为保持严格的气密性，要采用σ0.01，甚至σ0.001。而对于桥梁、建筑物等大型工程结构的构件则可以容许更大的残余变形量如σ0.5.2.抗拉强度(σb)指材料所能承受的最大应力。（σp表示比例极限；σe表示弹性极限）oσsMPabkss’pee=Dl/Lσb1.1.2刚度与弹性模量(E)★刚度是指零件或构件抵抗弹性变形的能力。（取决于材质与结构形状；材质方面取决于它的弹性模量）o1弹簧钢2低碳钢★弹性模量是指在比例极限(σp)范围内，应力与应变之比。E=s/e3铝εσ（1、2）钢：2×105MPa（3）铝：0.7×105MPa弹性变形失效：过量的弹性变形失效（如轴类零件的弯曲变形…）失去弹性功能的弹性变形失效（弹簧秤、安全阀…）不同E值的材料，不能只从E值大小判断其弹性好坏，要依据发生塑性变形前最大弹性变形量的大小而定。要有好的弹性，应从提高材料的弹性极限及降低弹性模量入手。弹性变形失效的预防 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ：选择合适的材料或构件结构（E值高的、承载截面积大的…）确定适当的构件匹配尺寸或变形的约束条件采用减少变形影响的连接件弹性变形失效的原因：过载、超温或材料变质。（原 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 考虑不周、计算错误或选材不当）1.1.3塑性在外力作用下材料产生永久变形而不被破坏的能力。★断面收缩率(Ψ)A0-A1y=———×100％A0 ★伸长率(δ)L1-L0δ=———×100％L0lodol1d1注：＊试样分长短两种，同一材料δ5>δ10。＊Ψ与试样的尺寸无关，能更准确地表达材料的性能。＊δ、Ψ值越大，表示金属的塑性越好。塑性变形失效的原因及预防措施：原因—过载、偏载、加工及热处理产生残余应力、材料微观不均匀等因素。预防措施—合理选材（σs、材料质量）、准确确定构件的工作载荷（正确计算、合理设计）、严格工艺 规程 煤矿测量规程下载煤矿测量规程下载配电网检修规程下载地籍调查规程pdf稳定性研究规程下载 、严禁构件超载运行、监测腐蚀环境。金属塑性变形的特点：不可逆性、变形量不恒定、慢速变形及伴随材料性能的变化。塑性变形失效：金属构件产生的塑性变形量超过允许的数值称为塑性变形失效拉延翻边冲孔、落料板料强度和塑性的主要指标名称符号物理意义工程意义屈服强度σs材料对开始塑性变形的抗力塑性材料零件设计的主要依据抗拉强度σb材料对最大均匀塑性变形的抗力脆性材料零件设计的主要依据延伸率δ材料断裂前产生塑性变形的能力，即材料的塑性为避免零件脆断，材料应具有一定的塑性断面收缩率ψ1.2硬度是指材料的软硬程度；表征了材料抵抗表面局部塑性变形及破坏的能力。常用硬度测定方法:硬物压入法1.2.1布氏硬度(HB)硬物：球形压头(D=10、5、2.5、2、1mm)载荷：P(kgf) FDhdHBS:普通淬火钢球硬度值在450以下HBW:硬质合金球硬度值在450～650HBS(HBW)=———FA特点（HB）：压痕面积大，较好地反映综合性能；且数值准确，特别适合粗大晶粒。不宜用于 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 成品、小件、薄件的硬度。1.2.2洛氏硬度(HR)载荷：▲初载荷10kg并压入深度h1▲主载荷(50kg或90kg或140kg)使压入深度达h2；▲卸除主载荷、保留初载荷，压入深度减小为h3。洛氏硬度的计算深度值△h=h3-h1HR=———01230123h1h3h2K=0.2压头被测材料硬物：顶角120°金钢石圆锥(或Φ1.588mm淬火钢球)K-△h0.002洛氏压头主载荷/N测量范围刻度颜色应用材料HRA金刚石58870～85黑表面硬化层、硬质合金等HRB淬火钢球98025～100红有色金属，退火、正火钢等HRC金刚石147020～67黑淬火钢、调质钢等特点（HR）：测量简便迅速，直接读数，表面压痕小，对表面粗糙度要求低。但误差稍大，需多点测量取平均值。1.2.3维氏硬度(HV)压头：顶角为136°的金刚石正四棱锥体HV=———载荷P：分为六级(5,10,20,30,50,100Kg)根据材料硬度和厚度选择，且维氏硬度不随载荷变化。ddF136FA特点（HV）：测量精度高，测量范围宽，应用广。不同载荷下维氏硬度可以相互比较。特别适用于测定工件表面硬化层、金属镀层及薄片金属的硬度。硬度的应用:◆对于工具、模具和有耐磨性要求的零件的使用性能指标，◆零件强度的估算，如对于低碳钢，也可采用硬度与强度换算表(见附录)。1.3冲击韧性（动态力学性能指标）韧性：材料抵抗裂纹萌生扩展的能力。包括：冲击韧性和断裂韧性。冲击韧性：表征材料抵抗冲击载荷的能力，是材料在断裂前所能吸收能量大小的度量，是一种能量参数（力与速度）。 (1)大能量一次冲击试验55108551082403022横梁式悬梁式缺口的作用?Ak=G(H-h)ak=——(J/cm2)冲击h试样摆锤H注：金属材料的ak不能直接应用于零件的设计计算冲击吸收功（AK）：冲断试样所消耗的功(J)冲击韧性（aK）：冲断试样横截面单位面积上所消耗的功(J/cm2)AkF力学性能(2)小能量多次冲击试验(多冲抗力）▲一定冲击能量下将试件冲断,所用的周次用N表示，▲满足所要求的冲击工作寿命,冲断试件的能量用A表示。 锤头试样总结：实验证明大能量一次冲击抗力主要取决于材料的塑性，而小能量多次冲击抗力则主要取决于材料的强度。两者之间没有等价关系，不能互相替代。aK值的大小除取决于材料本身外，还受环境温度、试样大小、缺口形状等因素的影响。aK的应用：评定原材料的冶金质量及热加工后的产品质量；评定材料在不同温度下的脆性转化趋势；作为评定某些构件寿命与可靠性的结构性能指标。总之，aK值对组织缺陷非常敏感，它能灵敏地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小变化。这个指标仅为定性指标，是保证构件安全性的指标之一，但不能直接用于零件的设计计算。例：第二次世界大战期间，美国2500艘全焊接结构“自由轮”发生了一千多次破坏事故，其中238艘完全报废，19艘沉没。据统计，有24艘船舶甲板完全断裂。事故大多发生在美国-冰岛-英国这条北大西洋航线上，这里气温多在零度以下。原因：碳钢和低合金钢有一个脆性转变温度，尽管这些钢材在常温下有良好的韧性，但在低于室温的某一温度就会变脆（对缺口极为敏感）。使钢材变脆的温度称为脆性转变温度。Titanic沉没原因Titanic——含磷高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果一项新的科学研究回答了80年未解之谜例：19世纪中期，铁路运输的出现给工作和生活带来了方便，但不久后频繁出现车轴的断裂，当时都无法解释。通过对大量断轴失效分析和试验研究工作，找到了原因：金属构件在交变应力的作用下，即使该应力远远低于金属材料的拉伸强度，经过一定的循环积累，也会发生断裂，这就是“疲劳”1.4疲劳断裂和疲劳强度疲劳断裂：机械零件在交变载荷作用下，其工作应力远小于σb，甚至小于σs时，在长时间工作后发生突然断裂的现象。是金属材料的主要失效形式之一。机理：缺陷处首先产生疲劳裂纹，并随应力循环不断扩展，直至突然断裂。疲劳强度（σ-1）：是指材料经无限多次应力循环仍不断裂时的最大应力。它表征了材料抵抗疲劳断裂的能力。机理：缺陷处首先产生疲劳裂纹，并随应力循环不断扩展，直至突然断裂。疲劳断口图  疲劳源裂纹扩展最终破断区力学性能疲劳实验：一般钢铁的循环基数N取107次，有色金属的循环基数N取108次。材料承受对称循环交变应力时的疲劳强度用σ-1表示。钢材的σ-1只有σb的50％左右。试样负荷计数器电机轴承支座疲劳曲线107σ力应σ-1强度和硬度都反映材料抵抗塑性变形的能力。一般来说，强度和硬度高，表示材料的承载能力大。塑性和韧性都反映材料的应力集中倾向。塑性和韧性高，表示材料的应力集中倾向小，裂纹难以形成和扩展，故可延缓断裂的发生。1.5高温力学性能当约比温度T/Tm大于0.5时为高温，反之为低温。蠕变:就是金属材料长时间的在一定温度、一定应力作用下，即使应力小于σ0.2，也会缓慢地发生塑性变形的现象。典型的蠕变曲线，曲线分为三个阶段。★蠕变减速阶段。★稳态蠕变阶段。★蠕变加速阶段，直至断裂。 aabcdo变形第二阶段第三阶段第一阶段时间温度压力恒定1.5.1蠕变强度蠕变强度:是指材料在高温长时载荷作用下抵抗塑性变形的能力。(1)在规定时间内达到规定变形量的蠕变强度，记为σδ/t，（MPa）。例如σ0.2/1000=60MPa,(2)稳态蠕变速度达到规定值时的蠕变强度，记为σv，（MPa）。例如σ1×10-5=60MPa,800TT6001.5.2持久强度—不发生蠕变断裂的最大应力持久强度是指材料在高温长时载荷作用下抵抗断裂的能力。（σt）例如σ1000=30MPa。650T700高温疲劳:材料在高温测得的疲劳强度（σT-1）例如σ-1=40MPa。1.5.3高温疲劳1.6断裂韧性1.6.1断裂韧性的概念低应力脆断现象：σw＜＜[σ]＝σ0.2/n时的脆性断裂(n被称为安全系数，一般取n=1.5-2.0)。机理：宏观裂纹失稳扩展引起的。1.6.2裂纹扩展的基本形式(1)张开型(Ⅰ型)裂纹(2)滑开型(Ⅱ型)裂纹(3)撕开型(Ⅲ型)裂纹(b)(a)(c)应力强度因子:KI=Yσ√a 断裂韧性:导致裂纹失稳扩展的KI临界值，用KIC表示。KIC=Yσc√aC sys2as1.6.3断裂韧性1.6.4断裂K判据KI≥KIC。裂纹体在受力时会发生脆性断裂。KI 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ：(1)根据零件的工作应力σ及可能产生的裂纹尺寸a，确定材料的KI与断裂韧性KIC比较判断安全。(2)可以用材料的断裂韧性KIC及零、构件的平均工作应力σ去估算所允许的最大裂纹尺寸a(3)根据由（2）求出的材料临界裂纹长度，及实际裂纹长度、扩展速度求寿命。断裂韧性的实用意义1.7.3高分子材料的物理、化学性能耐蚀性绝缘性（化学键为共价键）耐热性（较低，一般在100℃以下。）老化：分子链的结构发生了降解和交联。改进措施：表面防护、改进高聚物结构、加入防老化剂1.7.4陶瓷的物理、化学性能热膨胀性能：（低于金属和高聚物）导热性热稳定性化学稳定性导电性：变化范围很广固体材料小结附表1几种零件的失效形式及要求的机械性能其他载荷性质应力种类高温强度，抗热疲劳性，足够的韧性与热比性热疲劳，脆断，磨损高温，摩擦，金属液腐蚀循环，冲压复杂应力压铸模硬度，足够的强度，韧性磨损，脆断强烈摩擦循环，冲压复杂应力冷作模具强度，抗压强度磨损摩擦、油的腐蚀循环，冲压压应力油泵柱塞副弹性极限，屈强比，疲劳极限弹性丧失，疲劳破坏振动循环，冲压扭应力（螺旋簧），弯应力（板簧）弹簧表面高硬度及疲劳极限，心部强度，韧性磨损，疲劳、麻点，齿折断强烈摩擦、振动循环，冲压压，弯应力传动齿轮综合机械性能疲劳破坏，过量变形，轴颈处磨损轴颈处摩擦、振动循环，冲压弯，扭应力传动轴强度，塑性过量变形，断裂——静拉，剪应力普通紧固螺栓要求的主要机械性能常见的失效形式工作条件零件（工具）