材料科学基础 教学课件 ppt 作者 王章忠 第一章　材料的使用性能

1、第一章 材料的使用性能,第一节 力 学 性 能 第二节 物 理 性 能 第三节 化 学 性 能,第一节 力 学 性 能,一、强度 二、刚度 三、弹性 四、塑性 五、硬度 六、韧性 七、疲劳性能 八、耐磨性,一、强度,1.比例极限(p) 在弹性变形阶段，应力与应变关系完全符合胡克定律的极限应力，即为比例极限p。 2.弹性极限(e) 弹性极限是指在完全卸载后不出现任何明显的微量塑性变形的极限应力值，当应力e时，应变与应力之间可能已丧失了严格的正比关系，但变形基本上可恢复而微量残余变形极不明显。 3.屈服点和屈服强度(s、02) 在外力作用下，材料产生屈服现象的极限应力值即为屈服点s。 4.抗拉强度(b) 材料在受力过程中，所能承受的最大载荷Fb时所对应的应力值，即为抗拉强度。,一、强度,图1-1 拉伸试验曲线 a)典型力-伸长曲线 b)应力-应变曲线,二、刚度,1.概念 绝大多数机器零件在工作时基本上都是处于弹性变形阶段，即均会发生一定量的弹性变形。 2.影响因素 表1-1列举了各类主要材料的室温弹性模量E值(即材料刚度)。,表1-1 各类主要材料的室温弹性模量E(单位：1MPa),三、弹

2、性,1.最大弹性应变量e e是材料在外力作用下所能发生的最大可恢复应变量，即弹性变形能力。 2.弹性比功 弹性比功是材料吸收变形功而不发生永久变形的能力，即弹性变形时吸收的最大弹性功。 3.滞弹性(弹性滞后) 理想的弹性材料在加载时立即产生弹性变形，卸载后立即恢复变形，两者是完全同步的。,图1-2 应力-应变曲线 a)弹性比功 b)滞弹性行为,四、塑性,1.概念 塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力，即材料断裂前发生不可逆永久变形的能力，如在拉压、扭转、弯曲等外力作用下所产生的伸缩、扭曲、弯曲等都可用来表示材料的塑性。,四、塑性,2.塑性指标的应用意义 虽然材料的塑性指标一般不直接用于机械设计计算，但设计师往往要对所用材料提出一定的塑性要求，这是因为：由于零件不可避免地存在截面过渡、沟槽、油孔及表面粗糙不平滑的现象，受到载荷作用时这些部位往往出现应力集中，故材料的塑性有保证通过此部位的局部塑性变形来起到削减应力峰、缓和应力集中的作用，从而防止零件出现未能预测的早期破坏；大多数材料(主要是金属材料)均具有形变强化能力，故而在遭受不可避免的偶然过载时，发生塑性变形和随之而引起

3、的形变强化可保证零件的安全以避免断裂，即具有抵抗过载的能力；,四、塑性,若零件遭受意外过载或冲击时，零件可以发生塑性变形过渡而不至于发生突然断裂，即便最终要断裂，但在此之前也要吸收大量的能量(即塑性变形功)，这一切对避免灾难性事故的发生至为重要；材料具有一定的塑性可保证某些成形工艺(如冷轧、冷弯、校直、冷铆)和修复工艺(如汽车外壳受碰撞而凹陷)的顺利进行；塑性指标还能反映材料的冶金质量的好坏，故是材料生产与加工质量的标志之一。,五、硬度,1.布氏硬度 依据国家标准(如GB 231/T2002金属布氏硬度试验)，用一定直径D的钢球或硬质合金球(即压头)，以相应的试验力F压入试样表面，经规定保持时间，卸载后测量试样表面的压痕直径d，计算出压痕球冠形表面积，进而得到所承受的平均应力值，即为布氏硬度值，记作HB。 2.洛氏硬度 洛氏硬度的测试原理、方法与条件见相关标准。 3.其他硬度 布氏硬度和洛氏硬度是两种主要的硬度指标，其中又以洛氏硬度应用最广。,表1-2 常用洛氏硬度标尺的试验条件与应用范围,六、韧性,(一)冲击韧度 (二)断裂韧度,(一)冲击韧度,图1-3 三类不同冷脆 倾向的材料 1

4、面心立方金属 2中低强度体心立方金属 3高强度材料,(一)冲击韧度,图1-4 不同材料多冲抗力 1高强度低韧性材料 2低强度高韧性材料,(二)断裂韧度,表1-3 常见工程材料的断裂韧度值(单位：MN),七、疲劳性能,1.疲劳基本概念 许多零件如弹簧、齿轮、曲轴、连杆等都是在交变载荷(应力)作用下工作的。 2.疲劳基本过程 从疲劳断口上一般均能发现三个典型区域，即裂纹萌生区(裂纹源)、裂纹扩展区和最后断裂区，如图1-5所示。 3.疲劳抗力指标 为了防止疲劳断裂，必须正确理解和确定疲劳抗力指标，而疲劳类型不同则其疲劳抗力指标也不一样。 4.影响疲劳极限的因素 疲劳极限是一个组织结构(内因)极敏感的参数，并受到各种使用条件的影响。,图1-5 疲劳断口示意图 1裂纹源 2裂纹扩展区 3最后断裂区,表1-4 部分工程材料疲劳极限(MPa),八、耐磨性,1.磨损的主要类型与机理 依照分类标准的不同，磨损的类型很多，最常用的是按磨损机理不同进行分类，即粘着磨损、磨粒磨损和接触疲劳磨损等。 .提高材料耐磨性的途径 材料抵抗磨损的能力称为耐磨性，可用磨损量或相对磨损性来表示，可通过磨损试验来测定(如GB

5、/T 124441990金属磨损试验方法)。,第二节 物 理 性 能,一、密度 二、热学性能 三、电学性能 四、磁学性能,一、密度,二、热学性能,.熔点 熔点Tm反映了材料由固态变为液态的特征温度，材料的熔点与其结合键类型及强弱有关。 .热容 材料热容定义为温度每升高1K所需的能量，记作C，单位J/K；比热容记作c，则是指单位质量物质的热容。 .热膨胀性 因温度变化而引起材料体积膨胀或收缩的现象称之为热胀冷缩，绝大多数固体材料都有此特性。 .导热性 热能由高温区向低温区传输的能力即称为材料的导热性。,三、电学性能,.电阻率 电阻率用于衡量材料的导电能力(也可用电导率表示)。 2.电阻温度系数 材料的导电能力随温度的变化而变化。 .介电性 能把带电导体分开并能长期经受电场作用的绝缘材料称为介电材料。,四、磁学性能,1.磁导率 磁导率(单位：H/m)表示材料在单位磁场强度的外磁场作用下材料内部的磁通量密度。 .饱和磁化强度Ms和磁矫顽力c 铁磁性材料所能达到的最大磁化强度叫做饱和磁化强度，记作Ms。,第三节 化 学 性 能,一、化学腐蚀 二、电化学腐蚀 三、提高零件耐蚀性的主要措施,第三节 化 学 性 能,表1-5 某些化学腐蚀示例,一、化学腐蚀,二、电化学腐蚀,表1-6 主要金属的标准电极电位,三、提高零件耐蚀性的主要措施,()提高零件耐化学腐蚀性(主要指抗氧化性)的措施有：选择抗氧化材料如耐热钢、耐热铸铁、耐热合金、陶瓷材料等，如发动机排气阀采用4Cr9Si2耐热钢制造；表面处理如表面镀层、表面涂层(热喷涂铝、陶瓷等)，如工业加热炉的炉底辊采用喷涂ZrO2陶瓷涂层，可耐900以上的高温氧化。 (2)提高耐电化学腐蚀的措施有：选择耐蚀材料如不锈钢、铜合金、陶瓷材料、高分子材料等；表面处理如镀层(Ni、Cr)、热喷涂陶瓷、喷涂塑料与涂料等，典型的如自行车零件镀Cr；电化学保护如采用牺牲阳极保护法，可在轮船体外挂Zn块；加缓蚀剂以降低电解质的电解能力，如在含氧水中加入少量重铬酸钾等。,

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