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文檔簡介

1、第一章 材料的性能及應(yīng)用意義,1.1 材料性能依據(jù) 1.2 材料的使用性能 1.3 材料的工藝性能,引言,材料是人類社會經(jīng)濟(jì)地制造有用器件的物質(zhì)。,1. 所謂有用 使用性能,2. 所謂制造工藝性能 (原材料變成產(chǎn)品),它們之間有聯(lián)系、有區(qū)別,有統(tǒng)一、有矛盾,應(yīng)合理應(yīng)用。,力學(xué)性能,物理性能,化學(xué)性能,鑄造性能(熱加工),焊接性能(熱加工),熱處理性能(熱加工),塑性加工性能(熱、冷加工),切削加工性能(冷加工),引言,1.1 材料性能依據(jù),材料的性能是用于表征材料在給定的外界條件下所表現(xiàn)出來的行為。 材料的化學(xué)成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)是其內(nèi)部依據(jù),材料成分和結(jié)構(gòu)確定后就表現(xiàn)出一定的性能。此時的“結(jié)構(gòu)”包

2、含四個層次: 1. 原子結(jié)構(gòu) 2. 結(jié)合鍵 3. 原子排列方式 4. 組織 注意:(1)結(jié)構(gòu)不敏感性能:E、Tm等。 (2)結(jié)構(gòu)敏感性能:強(qiáng)度、塑性、韌性等。,1.2 材料的使用性能,一、力學(xué)性能,二、物理性能,三、化學(xué)性能,一、力學(xué)性能,(一)強(qiáng)度 (二)剛度 (三)彈性 (四)塑性 (五)硬度 (六)韌性 (七)疲勞性能 (八)耐磨性,1.2 材料的使用性能,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,(a)拉伸 (b)壓縮 (c)彎曲 (d)剪切 (e)扭轉(zhuǎn),(一)強(qiáng)度 - 材料在外力作用下對變形與斷裂的抵抗能力。,1. 比例極限 p 2. 彈性極限 e 3. 屈服強(qiáng)度 s 4. 抗拉強(qiáng)度 b

3、(新國標(biāo)中用Rm表示),一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,低碳鋼拉伸flash演示1,低碳鋼拉伸flash演示2,拉伸實驗視頻,屈強(qiáng)比( s /b ),其值一般在0.650.75之間。屈強(qiáng)比愈小,工程構(gòu)件的可靠性越高,萬一超載也不會馬上斷裂;屈強(qiáng)比愈大,材料的強(qiáng)度利用率愈高,但可靠性降低。,比強(qiáng)度材料的強(qiáng)度與密度之比。,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象,(二)剛度材料對彈性變形的抵抗能力。,E = /,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,如果說強(qiáng)度保證了材料不發(fā)生過量塑性變形甚至斷裂的話,剛度則保 證了材料不發(fā)生過量彈性變形。

4、 實際工件的剛度首先取決于其材料的彈性模量,即E,注意: 1.對于金屬材料而言,其彈性模量E主要取決于基體金屬的性質(zhì)。當(dāng)基體金屬確定時, 難以通過合金化、熱處理、冷加工等方法使之改變,即 E 是結(jié)構(gòu)不敏感性參數(shù)。 2.陶瓷材料、 高分子材料、 復(fù)合材料的彈性模量對其成分和組織結(jié)構(gòu)是敏感的, 可以通過不同的方法使其改變。,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,(三)彈性在外力作用下材料發(fā)生彈性行為的綜合性能指標(biāo)。,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,滯彈性(彈性滯后):加載時應(yīng)變不立即達(dá)到平衡值,卸載時變形也不立即恢復(fù)。 對于易受振動且要求消振的零件,如機(jī)床床身和汽輪機(jī)葉片,要求材料具有良好的

5、消振性。機(jī)床床身可用灰鑄鐵制造,汽輪機(jī)葉片則采用Cr13型鋼制造。 對于儀表上的傳感元件和音響上的音叉、簧片等,則不希望有滯彈性出現(xiàn),選材時應(yīng)予注意。,(四)塑性在外力作用下材料產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力, 即材料斷裂前的塑性變形能力。,1. 伸長率,以表示,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,2. 斷面收縮率,以表示 (新國標(biāo)中用Z表示),(五)硬度材料表面局部區(qū)域內(nèi)抵抗變形或破裂的能力。,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,硬度試驗的優(yōu)點: 1. 硬度試驗設(shè)備簡單,操作迅速方便。 2. 一般不破壞成品零件,無需加工專門的試樣,試驗對象可以是各類工程材料和各種尺寸的零件。 3. 硬度與強(qiáng)

6、度、塑性、耐磨性之間的關(guān)系密切,可按硬度估算強(qiáng)度而免做復(fù)雜的拉伸實驗。 4. 硬度與工藝性能之間有聯(lián)系,可作為評定材料工藝性能的參考。 5. 硬度能較敏感地反映材料的成分與組織結(jié)構(gòu)的變化,可用來檢驗原材料和控制冷熱加工質(zhì)量。,一、力學(xué)性能,1. 布氏硬度 GB231-1984 2. 洛氏硬度 GB230-1991 3. 維氏硬度 GB4342-1984,1.2 材料的使用性能,硬度測試方法:,1.載荷大小 2.壓頭尺寸 3.加載及保壓時間,硬度測試三要素:,1. 布氏硬度(HB) GB231-1984,HB = F/S,HBS 淬火鋼球 (450HB) (新國標(biāo)中HBS已取消) HBW 硬質(zhì)合

7、金球(650HB),1)誤差小,重復(fù)性好。 2)壓痕面積大,不適合成品檢驗。 3)與強(qiáng)度b之間存在近似的換算: b 0.36HB,一、力學(xué)性能,布氏硬度計,1.2 材料的使用性能,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,2. 洛氏硬度(HR) GB230 -1991,一、力學(xué)性能,洛氏硬度計,1.2 材料的使用性能,HR = (0.2 - h) / 0.002 (mm), 其中 h = h1 - h0,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,洛氏硬度的種類及應(yīng)用: (1)HRA(金剛石圓錐) 高硬度表面、硬質(zhì)合金 (2)HRB(淬火鋼球) 未淬火鋼、灰鑄鐵、有

8、色金屬 (3)HRC(金剛石圓錐) 淬硬鋼、調(diào)質(zhì)鋼 洛氏硬度共15種標(biāo)尺,每一種標(biāo)尺硬度適用范圍不同。,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,洛氏硬度計,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,3. 維氏硬度(HV) GB4342 -1984,(1)金剛石正四棱錐壓頭,精確操作復(fù)雜,適用于科學(xué)研究。 (2)壓力可選5120Kg間的特定值,適用各種硬度值的測量。 (3)壓痕小,可測表面硬化層。,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,4. 銼刀法,一組硬度差為5HRC的銼刀。例如:10HRC、 15HRC、 20HRC等。,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,

9、(六)韌性材料在塑性變形和斷裂的全過程中吸收能量的能 力,它是材料強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)。,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,韌性不足可用脆性來表達(dá)。 韌性高低決定是韌性斷裂,還是脆性斷裂。,1. 沖擊韌度 Ak 材料抵抗沖擊載荷的能力,三種不同冷脆傾向的材料 1面心立方晶格的金屬 2中、低強(qiáng)度體心立方晶格的金屬 3高強(qiáng)度材料,1,2,3,溫度T,TK,沖擊吸收功AK,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,沖擊吸收功的測定,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,K,沖擊能量A,沖擊破斷次數(shù) lgN,1,2,1高強(qiáng)度低韌性材料 2低強(qiáng)度高韌性材料,A,A,

10、N,N,交點K以左:在較高沖擊能量A下,多沖抗力取決于韌性。 交點K以右:在較低沖擊能量A”下,多沖抗力取決于強(qiáng)度。 (即小能量多沖),不同材料的沖擊抗力:, 小能量多沖時以強(qiáng)度為主,塑性、韌性為輔,強(qiáng)韌性配合處于最佳狀態(tài)時,多沖抗力最高。 在低中強(qiáng)度范圍,沖擊韌度的提高對多沖抗力影響不大(因其韌性已足夠)。 在高強(qiáng)度范圍時(如b1300MPa),改善韌性有利于提高多沖抗力。,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,2. 斷裂韌度 KIC材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,傳統(tǒng)設(shè)計思想: 0.2 / n,n為安全系數(shù),依此思想反而導(dǎo)致經(jīng)常的低應(yīng)力脆斷( s),此時偏

11、低而尺寸、重量偏高。,n 加大尺寸 依此思想反而導(dǎo)致經(jīng)常的低應(yīng)力脆斷 。,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,KI KIC KI = Ya1/2,KIC:金屬材料的最高, 復(fù)合材料次之, 高分子材料、陶瓷材料最低。,先進(jìn)的設(shè)計思想:材料中存在著既存或后生的微小的宏觀裂紋,可能是冶金缺陷,也可能是加工裂紋(如熱處理、焊接等)或是使用中發(fā)生裂紋(如疲勞、應(yīng)力腐蝕)。,2. 斷裂韌度 KIC材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,總之,AK(K)和KIC 首先取決于內(nèi)因材料的成分、組織結(jié)構(gòu), 其次是受零件外部因素的影響,如工作溫度、環(huán)境介質(zhì)。,一、力學(xué)性能,1.2 材料的

12、使用性能,螺栓韌性斷裂與脆性斷裂的比較,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,(七)疲勞性能材料在交變應(yīng)力作用下,在遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限, 甚至小于屈服極限的應(yīng)力下發(fā)生斷裂。,疲勞極限:材料能承受的無數(shù)次循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力值。 用-1(新國標(biāo)D)表示。,疲勞曲線示意圖 a 一般鋼鐵材料 b 有色金屬、高強(qiáng)度鋼等,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,碳鋼-10.43b 合金鋼-10.35b+12MPa,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,(八)耐磨性,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,1. 磨損的主要類型 1)粘著

13、磨損:是指摩擦副接觸面局部發(fā)生金屬粘著,而這些粘著的強(qiáng)度往往大于金屬本身強(qiáng)度,在隨后的相對運(yùn)動時發(fā)生的破壞將出現(xiàn)在強(qiáng)度較低的地方,有金屬磨屑從表面被拉下來或零件表面被擦傷的磨損。 2)磨粒磨損:是指滑動摩擦?xí)r,在零件表面摩擦區(qū)內(nèi)存在硬質(zhì)磨粒,使磨面發(fā)生局部塑性變形、磨料嵌入和被磨料切割等過程,以致磨面材料逐步磨耗。,粘著磨損磨痕,粘著磨損示意圖,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,磨粒磨損磨痕,磨粒磨損示意圖,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,一、力學(xué)性能,1.2 材料的使用性能,2. 提高材料耐磨性的途徑 1)粘著磨損 減小表面摩擦系數(shù)或提高材料表面硬度; 減小接觸壓力; 合理選配摩擦

14、材料; 減小表面粗糙度值以增大實際接觸面積; 改善潤滑狀況。 2)磨粒磨損 提高材料硬度 ; 設(shè)計時合理采用減小接觸壓力的措施,工作時改進(jìn)潤滑油 過濾裝置以及時清除磨損。,二、物理性能,(一)密度,(二)熱學(xué)性能:熔點、熱容、熱膨脹、熱傳導(dǎo)等。,(三)電學(xué)性能:電阻率、電阻溫度系數(shù)、介電性。,(四)磁學(xué)性能:磁導(dǎo)率、飽和磁化強(qiáng)度和磁矯頑力。,1.2 材料的使用性能,三、化學(xué)性能,(一)化學(xué)腐蝕,(二)電化學(xué)腐蝕,1.2 材料的使用性能,1.3 材料的工藝性能,金屬材料零件的一般加工過程,1.3 材料的工藝性能,機(jī)械零件一般加工工藝,零件的毛坯:(1)鑄造毛坯,熔煉金屬,制造鑄型,并將熔融金屬澆入鑄型,凝固后獲得一定形狀和性能鑄件的成形方法,稱為鑄造。,1.3 材料的工藝性能,鍛壓是對坯料施加外力,使其產(chǎn)生塑性變形、改變尺寸、形狀及改善性能,用以制造機(jī)械零件、工件或毛坯的成形加工方法。它是鍛造與沖壓的總稱,屬于壓力加工的范疇。,1.3 材料的工藝性能,零件的毛坯:(2)鍛造毛坯,焊接的實質(zhì)是使兩個分離的物體通過加熱或加壓,或兩者并用,在用或不用填充材料的條件下借助于原子間或分子間的聯(lián)系與質(zhì)點的擴(kuò)散作用形成一個整體的過程。,1.3 材料的工藝性能

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