工程材料学1章 材料的性能.ppt

第1章 材料的性能 使用性能: 材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。 工艺性能： 材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。 外力去除后能够恢复的变形称为，弹性变形。 外力去除后不能恢复的变形称为，塑性变形。 一、弹性和刚度 弹性：指标为弹性极限?e，即材料承受最大弹性变形时的应力。 刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量E= ? /ε=tgα。 小 结 零构件发生过弹性变形的原因： 刚度不足 抗力指标： 弹性模量E或者切变模量G 强 调！ 金属和合金的弹性模量不能通过合金化和热处理、冷变形等方法改变 二、强度与塑性 强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。 屈服强度?s： 材料发生微量塑性变形时的应力值。 条件屈服强度?0.2： 残余变形量为0.2%时的应力值。 抗拉强度?b： 材料断裂前所承受的最大应力值。 塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。指标为： 伸长率： 说明： ① 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。 ② 直径d0 相同时，l0?，??。只有当l0/d0 为常数时，塑性值才有可比性。 当l0=10d0 时，伸长率用? 表示； 当l0=5d0 时，伸长率用?5 表示。显然?5 ? ③ ? ? 时，无颈缩，为脆性材料表征 ? ? 时，有颈缩，为塑性材料表征 三、硬度 材料抵抗表面局部塑性变形的能力。 1、布氏硬度HB =常数*试验力/压痕表面积 用符号HBS表示布氏硬度，压头为钢球，适用于布氏硬度值在450以下的材料。 用符号HBW表示，压头为硬质合金球，适用于布氏硬度在650以下的材料。 布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。 适于测量退火、正火、调质钢, 铸铁及有色金属的硬度。 材料的?b与HB之间的经验关系： 对于低碳钢: ?b(MPa)≈3.6HB 对于高碳钢：?b(MPa)≈3.4HB 对于铸铁： ?b(MPa)≈1HB或 ?b(MPa)≈ 0.6(HB-40) 2、洛氏硬度 洛氏硬度用符号HR表示，测量残余压痕深度。 定义：每0.002mm相当于洛氏1度 HR=N-h/S=N-(h1-h0)/0.002 其中：N---给定标尺的硬度数，常数； h---压痕深度，mm； S----给定标尺的硬度单位，mm。 根据压头类型和主载荷不同，分为11个标尺，常用的标尺为A、B、C，见表达1-1。 符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。 维氏硬度 标注： 维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。 如：640HV30/20表示，维氏硬度640，实验力294N下保持20S。 优点：维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。 缺点：要在显微镜下测压痕，不如洛氏硬度方便。 四、冲击韧性 是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。 韧脆转变温度 材料的冲击韧性随温度下降而下降。 在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。 材料的使用温度应高于韧脆转变温度。 TITANIC Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果 五、疲劳 材料在低于?s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。 材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用?-1表示。 钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。 疲劳断口 六、断裂韧性 断裂韧性K1 (单位为J/m) 在实际生产中，有的大型传动零件、高压容器、船舶、桥梁等，常在其工作应力远低于σS的情况下，突然发生低应力脆断。 这种破坏与制件本身存在裂纹和裂纹扩展有关。  实际使用的材料，不可避免地存在一定的冶金和加工缺陷，如气孔、夹杂物、机械缺陷等，它们破坏了材料的连续性，实际上成为材料内部的微裂纹。 在服役过程中，裂纹扩展的结果，造成零件在较低应力状态下，即低于材料的屈服强度，而材料本身的塑性和冲击韧性又不低于传统的经验值的情况下，发生低应力脆断。 材料中存在的微裂纹，在外加应力的作用下，裂纹尖端处存在有较大的应力集中和应力场。 断裂力学分析指出，这一应力场的强弱程度可用应力强度因子K1来描述。 应力强度因子K1 临界应力强度因子KIC（平面应变断裂韧性） 材料的断裂韧性K1C与裂纹的形状、大小无关，也和外加应力无关，只决定于材料本身的特性（成