材料性能及检测.ppt

1、材料性能与检测,Company Logo,内 容,3,力学性能：弹性、塑性、硬度、韧度、强度,耐环境性能：耐腐蚀性、老化、抗辐照性,性能划分,物理性能：热学、磁学、电学、光学,四、材料性能的划分,4,力学性能：材料在外加载荷作用下或载荷与环境联合作用下所表现的行为变形和断裂。即材料抵抗外载引起变形和断裂的能力。,力学性能,力学性能表征,材料软硬程度,变形能力,弹性、塑性,材料脆性,硬度,韧性,材料抵抗外力能力,强度,5,6,五、材料性能的四个方面,宏观表征：表征材料性能的参数，如强度、硬度,微观本质：材料的性能是材料内部结构因素在一定 外界作用下的综合反映,影响因素：内因（材料结构），外因（温

2、度等）,性能测试：测试原理、设备、方法,第一节 金属材料的机械性能,定义：金属材料的机械性能又称为力学性能，表示材料承受外力作用的能力。,金属材料的机械性能实验有：拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切、硬度、疲劳和冲击等，通过这些实验可以测出相应的机械性能指标，最常见的是拉伸实验、硬度实验和冲击实验。,机械性能指标包括四大项：强度、硬度、塑性和韧性。性能指标：定义、符号、单位、数值含义。,一、强度,力学拉伸试验：图中d0和l0分别为试样在拉伸前的计算直径和计算长度，d和l分别为试样在拉断后的断口直径和计算长度。,图1-1 标准拉伸试样示意图,k,b,b 极限载荷点,力学拉伸试验,F,e,e 弹性极限点

3、,s,S 屈服点,K 断裂点,拉伸曲线,缩颈,o,F,F,L,3、屈服强度（屈服极限）,概念：材料抵抗应力作用下，开始发生明显塑性变形，拉力不增加，应力增加，产生屈服现象的最小应力值称为屈服强度。单位：MPa（N/mm2）;表示符号：s,当材料单位面积上所受的应力es时，材料将产生明显的塑性变形。,它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。,屈服强度 是塑性材料选材和评定的依据。,*条件屈服强度概念：实际上，某些材料（铸铁、铸铝等）在做拉伸曲线时和低碳钢不一样，并没有明显的屈服现象(低碳钢和铸铁的应力应变曲线比较)。为此人为的专门规定，把当试样产生的残余塑性变形量为标距长度的0.2%时所对应的应力值

4、(0.2)定为该材料的屈服强度（条件屈服强度）。单位：MPa(N/mm2);表示符号：0.2实际意义：一些工程零件(如紧固螺栓)在使用时是不允许发生塑性变形的，因此屈服强度是工程设计与选材的重要依据之一。,低碳钢和铸铁的应力应变曲线比较,疲劳极限获得方法：通过旋转弯曲试验方法,3、条件疲劳极限,对于钢铁材料，取N=107的循环周次所对应的最大应力为它的-1。对于大多数非铁金属及其合金的疲劳曲线上没有水平直线部分。如图曲线2所示 这种情况要根据零件的工作条件及使用寿命确定一个疲劳极限的循环周次，并以此所对应的应力N作为疲劳极限，亦称条件疲劳极限。一般规定：铸铁取N=107，非铁金属取N=108,

5、金属的疲劳曲线,二、塑性,（一）布什硬度如图所示：布氏硬度测试原理图,三、硬度,概念：硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或 划痕的能力，是衡量金属软硬的判据。常用方法：通常用布氏硬度、洛氏硬度、李氏硬度、肖氏硬 度、维氏硬度等来表示材料的硬度。,布 氏 硬 度 计,布什硬度的表示方法,硬度值的标注方法如下：硬度值 硬度代号 压头直径D/载荷P/保荷时间T如：150HBS10/3000/30 表示用直径10mm的淬火钢球压头，在3000kgf载荷作用下保荷时间为30秒所测得的布氏硬度值为150。,（二）洛氏硬度,如图所示为洛氏硬度测试原理图。HR=K-e/0.002 式中：HR为洛氏

6、硬度代号；K为常数，当采用金刚石圆锥压头时K=100，用淬钢球压头时K=130。,洛 氏 硬 度 计,洛氏硬度的表示方法,硬度值 硬度代号如：60HRC 金刚石圆锥压头 载荷为150 kgf 所测得的硬度值为60。洛氏硬度值没有单位，硬度值越大材料硬度越高，材料的耐磨性越好。,（三）布氏硬度与洛氏硬度的比较与选用,共同点与不同点,布什硬度和洛氏硬度特点比较：,1、测定准确性 布什大于洛氏2、测量范围 洛什大于布氏3、测量效率 洛什大于布氏4、应用对象布什硬度：主要用于原材料、毛坯和半成品的硬度的单件、小批测量。不适合于测量厚度太小和成品零件的硬度。洛氏硬度：不仅可以用于测量原材料、毛坯和半成品

7、的硬度，也可以用于测量成品的硬度，不仅可以用于单件、小批测量，也可以用于大批量测量。,四、冲击韧度,概念：冲击韧度表示材料抵抗冲击载荷作用的能力，并以冲断试样每单位面积所消耗的功来表示。冲击韧度值k愈大，材料韧性愈好，抵抗冲击载荷作用的能力愈强。k=Ak/F=G(H-h)/F(J/m)式中：k冲击韧度值；Ak冲击吸收功；G实验机摆锤质量；H摆锤原始高度；h冲断试样后摆锤的终止摆动高度F试样断口处的横截面积。,一、物理性能 金属材料的物理性能主要是指其密度、熔点、导电性、导热性及热胀冷缩性等。1、导热性 金属的导热性常用导热系数（W/(m*K)）来评价，值愈大，导热性愈好。材料的导热性对加工和使

8、用都有很大的影响。2、热胀冷缩性 材料的热胀冷缩性用线膨胀系数（1/）或体积膨胀系数来评价。线膨胀系数或体积膨胀系数愈大，材料的尺寸或体积随温度升高而增大愈多，随温度降低而减少愈多，不仅对零件的使用有很大影响，而且影响零件的加工。,第二节 金属的物理性能和化学性能,二、化学性能 化学性能是指金属在室温或者高温抵抗各种介质化学作用的能力，即化学稳定性。主要化学性能有抗氧化性和抗腐蚀性。1.抗氧化性 材料在使用过程中，尤其是在高温下使用要考虑材料的抗氧化性。2.抗腐蚀性 腐蚀也是零件失效的一个主要原因，根据零件的工作环境的不同，要考虑材料耐不同介质腐蚀的能力。,无机非金属材料,Company Lo

9、go,Company Logo,Company Logo,Company Logo,Company Logo,Company Logo,Company Logo,Company Logo,Company Logo,Company Logo,Company Logo,Company Logo,Company Logo,Company Logo,Company Logo,Company Logo,Company Logo,Company Logo,Company Logo,Company Logo,Company Logo,Company Logo,Company Logo,Company Log

10、o,Company Logo,Company Logo,62,高分子材料,1.1 力学性能的基本指标1.1.1 应力与应变,当材料受到外力作用，它所处的条件又不能产生惯性移动时，其几何形状和尺寸会发生变化，这种变化就称为应变，亦可称为形变。,定义单位面积上的附加内力为应力。,63,1.1.2 弹性模量,单位应变所需应力的大小，是材料刚性的表征。模量的倒数称为柔量，是材料容易形变程度的一种表征。,拉伸模量（杨氏模量）E：,剪切模量（刚性模量）G：,压缩模量（本体模量）K：,64,泊松比,材料在拉伸时，不仅有轴向伸长，同时有横向收缩。横向应变对轴向应变之比称为泊松比，以 表示,可以证明没有体积变化

11、时，0.5，橡胶拉伸时就是这种情况。其他材料拉伸时，0.5.,65,与E和G之间有如下关系式：E=2G(1+)因为0G，即拉伸比剪切困难.这是因为在拉伸时高分子链要断键，需要较大的力；剪切时是层间错动，较容易实现。,66,1.3 高分子材料的拉伸行为,哑铃状试件,L0=5.65A01/2或11.3A0 1/2,67,y-屈服点,e-弹性极限点,冷拉,应变软化,应变硬化,e,b,y,e,b,y,p-比例极限,p,p,b-断裂点,p-比例极限,1.3.1 线型非晶态高聚物的应力-应变曲线,68,拉伸过程高分子链的三种运动情况：弹性形变（开始e点）强迫高弹形变塑性变形,e,y（屈服点）,69,动画引

12、自九江学院杜大明材料科学基础ppt,弹性变形与塑性变形,70,弹性变形,材料产生弹性变形的本质是构成材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反映。橡胶类材料则是呈卷曲状的分子链在力的作用下通过链段运动沿受力方向产生的伸展。,材料在等温、等容条件下发生弹性回复的驱动力由内能变化和熵变两部分组成。,71,弹性变形的特点,1)可逆性：去掉外力后变形消失 弹性变形都是可逆变形2).金属、陶瓷或结晶态高聚物：应力-应变线性关系，弹性变形量都较小3).橡胶态的高聚物：应力-应变不呈线性关系，且变形量较大,72,弹性变形的力学性能指标,（1）弹性模量：是单位应变所需应力的大小，物理意义是产生100%

13、弹性变形所需的应力。,（2）比例极限p：是保持应力与应变成正比关系的最大应力，即在应力-应变曲线上刚开始偏离直线时的应力,（3）弹性极限e：是材料发生可逆的弹性变形的上限应力值，应力超过此值，则材料发生塑性变形。,73,（4）弹性比功：是材料开始塑性变形前单位体积所能吸收的弹性变形功，又称弹性比能或应变比能，用e表示，它在数值上等于应力-应变曲线弹性段以下所包围的面积,e,o,提高弹性比功的方法：提高e 降低E（提高弹性极限应变e）,橡胶低E和高弹性应变高弹性比功,74,非理想弹性,理想弹性行为：,（1）.应变-应力线性（2）.应力和应变同相位（3）.应变是应力的单值函数,高分子材料的非理想弹

14、性行为：,滞弹性、粘弹性、内耗,75,（1）滞弹性 材料在快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能，又称弹性后效。,弹簧薄膜传感器,动画引自九江学院杜大明材料科学基础ppt,非理想弹性变形,76,滞弹性示意图,A,B,a,b,c,e,d,O,H,正弹性后效加载时应变落后于应力,反弹性后效卸载时应变落后于应力,77,定义：材料在外力作用下弹性和粘性两种变形机理同时存在的一种力学行为,粘性：液体或溶体内质点间或流层间因相对运动而产生的内摩擦力以反抗相对运动的性质。,（2）粘弹性,特征：应变对应力的响应不是瞬时完成的，需要通过一个驰豫过程，卸载不留残余变形；应力和应变的关系与时间有关

15、。,78,（3）内耗,理想弹性行为,79,0,A,C,D,B,E,橡胶拉伸和回缩的应力-应变曲线,内耗也称为材料循环韧性，表示材料在交变载荷下吸收不可逆变形供的能力，又称消振性,80,塑性变形,是微观结构的相邻部分产生永久性位移，而不引起材料断裂的现象。塑性变形是一种不可逆变形.,塑性变形主要是由于切应力引起的。材料塑性变形过程中仍然保留着弹性变形，所以整个变形过程是弹性加塑性变形过程，可称为弹塑性变形。,81,高分子材料的塑性变形,结晶态高分子材料:塑变机制：塑性变形是由薄晶转变为沿应力方向排列的微纤维束的过程,82,非晶态高分子材料：塑变机制：在正应力作用下形成银纹和切应力作用下无取向分子

16、链局部转变为排列的纤维束,银纹的产生,83,（1）屈服极限：材料的屈服极限定义为应力-应变曲线上屈服平台的应力,（2）抗拉强度b：是试样拉断前所承受的最大应力，即试样所能承受的最大载荷Fb与其原始截面积的比值,塑性变形的力学性能指标,84,（3）伸长率和断面收缩率,85,硬而脆酚醛塑料,硬而强硬PVC,强而韧PC,软而韧HPPE,软而弱天然橡胶,1.3.2 几种典型的高聚物应力-应变曲线,弱而脆低聚物,86,1.3.3 晶态高聚物的应力-应变曲线,第一阶段OY段：出现“细颈”。第二阶段，细颈的发展阶段。第三阶段（DB）：成颈变细的试样重新被均匀拉伸，直到断裂点B。,87,1.3.4 特殊的应力

17、应变曲线,图1-16 SBS的应力-应变曲线 图1-17 硬弹性聚丙烯的应力-应变曲线,88,1.3.5 影响拉伸行为的外部因素,1、温度的影响,1,2,3,4,5,6,7,8,9,非晶态高聚物不同温度下的应力-应变曲线,1，2-温度低于脆性温度，材料处于硬玻璃态，无强迫高弹性,3，4，5-温度处于脆性温度与玻璃化温度之间，为软玻璃态,6，7，8-温度处于玻璃化温度与黏流温度之间，为高弹态,9-温度处于黏流温度以上，为黏流态,89,1,2,3,4,5,6,7,晶态高聚物不同温度下的应力-应变曲线,1，2-温度低于脆性温度，拉伸行为类似弹性固体,3，4，5-温度介于脆性温度与玻璃温度之间，为软玻

18、璃态,7-温度介于Tb与Tg之间，为软玻璃态，行为类似强迫高弹性,6-温度较高，低于熔点，拉伸行为类似非晶态橡胶,90,1.5 其他静载荷下的力学试验及性能,1.5.1 应力状态软性系数,正应力导致脆性断裂；max切应力导致塑性变形和韧性断裂；max,91,表示材料塑性变形的难易程度大，max大，易塑性变形小，应力状态硬，易脆性断裂,单向拉伸，2=3=0，=0.5,应力状态软性系数,92,不同加载条件下的应力状态软性系数,93,三、压缩及其性能指标,试样通常为圆柱形,长径比一般为1.0 2.0之间,塑性材料,脆性材料,94,95,规定非比例压缩应力,抗压强度,相对压缩率,相对断面扩展率,1-塑

19、性材料；2-脆性材料,96,压缩试验的特点及应用,（1）单向压缩用于脆性材料，显示其在静拉伸所不能反映的韧性状态下的性能（2）塑性材料一般不采用压缩（3）多向不等压缩适用于脆性更大的材料，反映材料的微小塑性差异。,97,二、弯曲及其性能指标,加载方式：三点弯曲加载和四点弯曲加载。,(1)弯曲试验：圆柱试样或方形试祥；万能试验机；,98,三点弯曲,四点弯曲,99,(2)载荷P与试样最大挠度fmax弯曲图,受拉一侧表面的最大正应力：max=Mmax/W,抗弯强度：bb=Mb/W,（a）高塑性；（b）中等塑性；（c）脆性,100,(1)常用于测定那些由于太硬难于加工成拉伸试样的脆性材料的断裂强度，并

20、能显示出它们的塑性差别。(2)用来比较和评定材料表面处理层的质量(3)弯曲不能使塑性材料断裂,弯曲试验的特点及应用,101,1、扭转试验测定的力学性能指标(1)试验过程：圆柱形试样；,三、扭转及其性能指标,102,试样扭转变形示意图,103,104,试样表面的应力状态,与轴线呈45 方向上承受max与轴线平行或垂直方向上承受max弹性变形：切应力和切应变沿半径方向线性分布弹塑性变形：切应变线性关系；切应力非线性变化,105,(2)扭转图：,M,规定非比例扭转应力P，P=MP/W,扭转屈服强度s为：s=Ms/W,扭转强度极限b为：b=Mb/W,N,106,真实扭转强度极限f,完全理想塑性条件下,

21、107,剪切弹性模量G,扭转相对残余切应变,108,3.扭转试验特点及应用,(1)测定在拉伸时呈现脆性的材料的强度和塑性。(2)对各种表面强化工艺进行研究和对机件的热处理 表面质量进行检验。(3)精确评定拉伸时出现颈缩的高塑性材料 的形变能力和形变抗力。(4)测定材料的切断强度的最可靠方法。,109,(5)根据断口特征区分断裂方式是正断还是切断。,（a）切断断口；（b）正断断口；（c）木纹状断口,110,2.4 硬 度,一、硬度试验的意义,硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能,特点：,(1)2，maxmax。几乎所有材料都会产生塑性变形。(2)设备简单，操作方便快捷，故被广泛应用。(3)可视为

22、无损检测。,111,112,二、硬度试验方法,1布氏硬度,淬火钢球或硬质合金球D(mm)压入试样表面,测量圆形压痕d,圆形压痕表面积S,Brinell,1900年,113,(1)布氏硬度HB：,淬火钢球：HBS450 硬质合金球：HBW=450650。,114,(2)HB表示方法：数字+硬度符号+数字/数字/数字 硬度值(HBW或HBS)钢球直径 载荷 定时 280 HBS10/3000/30；50 HBW5/750。,115,(3)压痕几何相似原理,两个条件：1.为常数；2.F/D2为常数,=2874od=（0.240.6）D,116,优点：压痕面积大 反映较大区域内各组成相的平均性能；适合

23、灰铸铁、轴承合金等测量。压痕面积较大 试验数据稳定，重复性高。缺点：压痕直径大 不宜在成品件上直接进行检验；硬度不同 更换压头直径D和载荷F；压痕直径的测量也比较麻烦。,(4)布氏硬度的优缺点：,117,2洛氏硬度,（1）测量原理测量压痕深度值的大小,金刚石压头k=0.2淬火钢球k=0.26,Rockwell,1919年,118,洛氏硬度计,HRAHRBHRC,119,适用于：测定极薄工件；经各种表面处理后工件的表面层硬度。,(2)表面洛氏硬度：,与洛氏硬度区别：,预加载荷为30N，总载荷比较小取残余压痕深度为0.1mm时的洛氏硬度为零，深度每增加0.001mm，表面洛氏硬度减小一单位,120

24、,（3）洛氏硬度的优缺点,优点简便迅速，效率高对试样表面造成损伤小，可用于成品零件检测有预加载荷，可消除表面轻微的不平度对试验 结果的影响,缺点不同标尺的硬度值无法相互比较压痕小，对材料组织不均匀性很敏感，重复性差,121,3维氏硬度与显微硬度,（1）测量原理：单位压痕表面积上所承受的压力,1925年由R.Smith和G.Sandland提出的，在Vickers厂最早使用而得名,122,(2)表示方法：数字+硬度符号+数字/数字 硬度值(HV)载荷 定时 640HV30/20；50 HV5。,123,（3）显微硬度,维氏显微硬度和努氏显微硬度,测定各种组成相的硬度以及研究金属化学成分、组织状态

25、与性能的关系,124,(4)优缺点：,优点：采用对角线长度计量，精确可靠 可以任意选择载荷 比洛氏硬度所测试件更薄，测表面硬化层和仪表零件的硬度,缺点：测定方法较麻烦，工作效率低，压痕面积小，代表性差，不宜用于成批生产的常规检验。,125,5.努氏硬度试验：,一种显微硬度试验方法,与维氏显微硬度区别：1.压头形状不同2.硬度值为试验力除以压痕投影面积,Knoop,126,压痕细长，且只测量长对角线长度，精确度较高。适于测定表面渗层、镀层及淬硬层的硬度，可以测定渗层截面上的硬度分布等。,127,一定质量的带有金刚石或合金钢球的重锤从一定高度落向试样表面，根据重锤回跳的高度来表征材料硬度值大小。（KS）,6.肖氏硬度试验,优缺点：一般为手提式，使用方便，便于携带可测现场大型工件的硬度 其缺点是试验结果的准确性受人为因素影响较大，测量精度较低,Shore,128,7.莫氏硬度,129,1.6.6 常用高分子材料的硬度,