演示文稿 2工程材料的性能.ppt

工程材料与成形工艺基础工程材料与成形工艺基础 -王纪王纪安安焊接方法与设备焊接方法与设备第第2 2章章 工程材料的性能工程材料的性能启发思考：启发思考：v如果选择能够做铁锤的材料，您可能选择较硬的金属，而如果选择绑扎物件的一般铁丝，您就可能选择较软的金属v材料性能是选择材料的基本依据v那么如何科学地评价材料性能呢？本章学习目标：本章学习目标：v重点了解工程材料的常用力学性能；v了解工程材料的物理、化学及工艺性能并建立材料性能的技术经济概念v工程技术人员选用材料时首先要掌握材料的使用性能，同时要考虑材料的工艺性能和经济性v使用性能是材料在使用过程中表现出来的性能，主要有力学性能、物理性能与化学性能v工艺性能是指材料在各种加工过程中表现出来的性能，比如铸造、锻造、焊接、热处理和切削加工等性能v经济性能，力求材料选用的总成本为最低PAGE-6本章主要内容本章主要内容12.1 材料的力学性能22.2 材料的物理性能32.3 材料的化学性能42.4 材料的工艺性能52.5 材料的经济性能本节主要内容本节主要内容一、强度和塑性一、强度和塑性二、硬度二、硬度三、冲击韧度三、冲击韧度四、疲劳强度四、疲劳强度2.1 2.1 材料的力学性能材料的力学性能v材料常用的力学性能指标有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳极限等。

2.1.1 2.1.1 强度和塑性强度和塑性 v 拉伸试验: 用静拉伸力对标准拉伸试样进行缓慢的轴向拉伸，直至拉断的一种试验方法在拉伸试验中和拉伸试验后可测量力的变化与相应的伸长，从而测出材料的强度与塑性v试验过程：将试样装夹在拉伸试验机上，缓慢增加试验力，试样标距的长度将逐渐增加，直至拉断若将试样从开始加载直到断裂前所受的拉力，与其所对应的试样标距长度的伸长量绘成曲线,便得到拉伸曲线曲线v应力(Stress)R=F/S0，应变(Strain)=L/L0，工程应力应变(R-)曲线 v应力不超过Re 时，应力与应变呈正比关系Oe段近乎一条直线，表示受力不大时试样处于弹性变形阶段，即在若卸除试验力,试样能完全恢复到原来的形状和尺寸这种能够完全恢复的变形叫弹性变形(Elasticity)v应力继续增加超过Re 后，试样将产生不能完全恢复的永久变形，即塑性变形(Plasticity)，并且在H点后曲线上出现平台或锯齿状线段,这时应力不增加而试样却继续伸长，称为屈服(Yield)屈服后试样产生均匀的塑性变形v应力继续增加，曲线又呈上升趋势，表示试样恢复了抵抗拉伸力的能力m点表示试样抵抗拉伸力的最大能力,试样产生不均匀的塑性变形，这时试样上的某处截面积开始减小，形成缩颈。

v 其后，试样承受拉伸力的能力迅速减小，至k点时，试样在缩颈处断裂1.1.强度强度(Strength) (Strength) v 强度是材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力v工程上常用的静拉伸强度指标有弹性极限、屈服强度和抗拉强度等1 1）弹性极限）弹性极限(Elastic limit)(Elastic limit)v在弹性阶段内，卸力后而不产生塑性变形的最大应力为材料的弹性伸长应力，通常称为弹性极限，以Re表示显然，这是汽车板簧、仪表弹簧等弹性元件的重要性能指标vRe=Fe/S0v应力的单位通常用MPa表示，1MPa=1N/mm2v材料在弹性范围内应力与应变成正比，其比值E=R/称为弹性模量(Elastic modulus)，其标志着材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度其值越大，表明材料不容易产生弹性变形，即材料的刚度大锻模、镗床的镗杆等零件和构件就要求有足够的刚度2 2）屈服强度）屈服强度(Yield strength) (Yield strength) v在拉伸过程中力不增加(保持恒定)，试样仍能继续伸长时的应力称为材料的屈服强度,上屈服强度ReH是试样产生屈服而力首次下降前的最高应力；下屈服强度ReL是指屈服期间的最低应力。

v这是工程上最重要的力学性能指标之一，绝大多数零件，如紧固螺栓、汽车连杆等，在工作时都不允许产生明显的塑性变形，否则将丧失其自身精度或影响配合v ReH=FeH/S0 ReL=FeL/S0v对于无明显屈服现象的材料，则规定以试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余应变量达到0.2%时的应力值作为条件屈服强度Rr0.2（国标中称为规定残余延伸强度）3 3）抗拉强度）抗拉强度(Tensile strength) (Tensile strength) v拉伸过程中最大力Fm所对应的应力称为抗拉强度,用Rm表示无论何种材料，Rm均是标志其承受拉伸载荷时的实际承载能力v Rm=Fm/S0v抗拉强度表征材料对最大均匀变形的抗力，是材料在拉伸条件下所能承受最大力的应力值，它是设计和选材的主要依据之一2.2.塑性塑性(Plasticity)(Plasticity)v塑性是指材料在外力作用下能够产生永久变形而不破坏的能力v常用的塑性指标有断后伸长率和断面收缩率1 1）断后伸长率）断后伸长率(Percentage elongation after fracture)(Percentage elongation after fracture)v试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为断后伸长率，以A表示。

Lu 试样拉断后的标距,mm; L0试样原始标距,mm2 2）断面收缩率）断面收缩率(Percentage reduction of area)(Percentage reduction of area) v试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率，以Z表示其数值按下式计算： Su 试样断裂后缩颈处的最小横截面积,mm2； S0 试样原始截面积，mm2表表2.1.1 2.1.1 新旧标准性能名称对照新旧标准性能名称对照vGB/T228-2002 GB/228-1987v性能名称 符 号 性能名称 符 号v弹性极限 Re 弹性极限 ev上屈服强度 ReH 屈服点 sv下屈服强度 ReL v规定残余延伸强度 Rr0.2 规定残余伸长应力 r0.2v抗拉强度 Rm 抗拉强度 bv断后伸长率 A 断后伸长率 v断面收缩率 Z 断面收缩率 2.1.2 2.1.2 硬度硬度(Hardness) (Hardness) v硬度：是指金属表面一个小的或很小的体积内抵抗弹性变形、塑性变形或抵抗破裂的一种能力抵抗压入的能力v分类：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度1.1.布氏硬度布氏硬度( (BrinellBrinell hardness) hardness)v布氏硬度试验过程：它是用一定大小的试验力F(N),把直径为D(mm)的硬质合金球压入被测金属的表面,保持规定时间后卸除试验力,测出压痕平均直径d(mm),然后按公式求出布氏硬度HB值,或者根据从已备好的布氏硬度表中查出HB值 vHBW=0.102F/Dhv注意事项注意事项: : 由于金属材料有硬有软,被测工件有厚有薄,有大有小,如果只采用一种标准的试验力和压头直径,就会出现对某些材料和工件不适应的现象。

对同一种材料采用不同的和进行试验时,能否得到同一的布氏硬度值,关键在于压痕几何形状压痕几何形状的相似性,即应建立和的某种选配关系,以保证布氏硬度的不变性v布氏硬度试验规范布氏硬度试验规范: : 国家标准规定布氏硬度试验时,常用比例F/D2为30、10、5等七种,根据金属材料种类、试样硬度范围和厚度的不同，应选用不同的比例值v布氏硬度表示布氏硬度表示: : 符号HBW之前的数字为硬度值,符号后面依次用相应数值注明压头球体直径(mm)、试验力(0.102N)、试验力保持时间(S)(1015S不标注).v示例示例: : 500HBW5/750表示用直径5mm硬质合金球在7355N试验力作用下保持1015S测得的布氏硬度值为500v主要应用主要应用: : 主要用于铸铁、非铁金属以及经退火、正火和调质处理的钢材的硬度测定2.2.洛氏硬度洛氏硬度( (RockweelRockweel hardness) hardness) v洛氏硬度试验过程：用顶角为120 的金刚石圆锥体或直径为1.588mm(1/16英寸)的淬火钢球作压头v先施加初试验力F1 (98N)v再加上主试验力F2 v经规定的保持时间，卸除主试验力F2 ,仍保留初试验力F1,v试样弹性变形的恢复后测量主试验力F2压入的深度为,即1-1位置至3-3位置。

v用压入深度h表征硬度v金属越硬, 值越小一般洛氏硬度机不需直接测量压痕深度，硬度值可由刻度盘上的指针指示出来为了能用一种硬度计测定从软到硬的材料硬度,采用了不同的压头和总负荷组成几种不同的洛氏硬度标度，即HRA、HRB、HRC三种，标注为52HRC、70HRA等v 洛氏硬度HRC优缺点： 1）可以用于硬度很高的材料； 2）操作简便迅速； 3）压痕小,几乎不损伤工件表面； 4）硬度值代表性差故需在试样不同部位测定三点，取其算术平均值3.3.维氏硬度和显微硬度维氏硬度和显微硬度(Vickers hardness, Microscopic (Vickers hardness, Microscopic hardness) hardness) v维氏硬度试验：根据压痕单位面积所承受的载荷来计算硬度值，采用两相对面夹角为136o的金刚石四棱锥体，压痕为四方锥形.v如，640HV30/20表示在试验力294.3N(30kgf) 作用下，持续20s测得的维氏硬度为640v显微硬度试验：小载荷维氏硬度试验，是试验载荷在1000g以下，压痕对角线长度以m计时得到的硬度值，同样用符号HV表示，用于材料微区硬度（如材料某种组成相、夹杂物等）的硬度测定。

2.1.3 2.1.3 冲击韧度冲击韧度(Impact toughness)(Impact toughness)v锻锤、冲床、铆钉枪等承受冲击载荷作用，设计和制造时要考虑冲击韧度 v摆锤冲断试样所做的功,称为冲击吸收功（冲击吸收能量）,以Ak 表示.vAk =FH1FH2,v用试样的断口处截面积SN 去除Ak 即得到冲击韧度,用表示,单位为J/cm2;vaK= Ak/ SNv对一般常用钢材来说,所测冲击吸收功越大,材料的韧性越好实验还表明，冲击韧度值随温度的降低而减小,在某一温度范围时,材料的值急剧下降材料由韧性状态向脆性状态转变的温度称为韧脆转变温度2.1.4 2.1.4 疲劳极限疲劳极限(Fatigue limit)(Fatigue limit) v轴、齿轮、弹簧等在循环或交变应力下工作的，它们工作时所承受的应力通常都低于材料的屈服强度v材料的疲劳: 材料在循环应力和应变作用下,在一处或几处产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程 v在交变载荷下，金属材料承受的交变应力（）和断裂时应力循环次数（）之间的关系，用疲劳曲线描述 ;v材料承受的最大交变应力越小，则断裂时应力交变的次数越大。

当应力低于某值时，应力循环到无数次也不会发生疲劳断裂，此应力值称为材料的疲劳极限v大多数金属材料规定某一循环次数N0断裂时所对应的应力作为疲劳极限用-1表示v各种条件下的疲劳问题,如腐蚀疲劳、接触疲劳、高温疲劳、热疲劳等值得高度重视v由于疲劳断裂通常是从机件最薄弱的部位或缺陷所造成的应力集中处发生，为了提高机件的疲劳抗力，防止疲劳断裂事故的发生，在进行机件设计和成形加工时，应选择合理的结构形状，防止表面损伤，避免应力集中PAGE-38本章主要内容本章主要内容12.1 材料的力学性能22.2 材料的物理性能32.3 材料的化学性能42.4 材料的工艺性能52.5 材料的经济性能本节主要内容本节主要内容一、密度一、密度二、熔点二、熔点三、三、热膨胀性热膨胀性四、磁性四、磁性五、导热性五、导热性六、导电性六、导电性2.2 2.2 材料的物理性能材料的物理性能v材料的物理性能：v密度、熔点、热膨胀性、磁性、导电性与。