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金属材料力学性能

金属材料力学性能第一章金属材料力学性能金属材料的使用性能包括物理性能、化学性能、工艺性能和力学性能,对于工程材料来说,其中最重要的是力学性能。金属材料的力学性能是指金属在外加载荷(外力或能量)作用下或载荷与环境因素(温度、介质和加载速率)联合作用下所表现的行为。由于载荷施加的方式多种多样,而环境、介质的变化又十分复杂,所以金属在这些条件下所表现的行为就会大不相同,致使金属材料力学性能所研究的内容非常广泛,它已发展成为介于金属学和材料力学之间的一门边缘学科。金属材料的力学性能包括强度、硬度、塑性和韧性等性能。因为金属构件的承载条件一般用各种力学参量(如应力、应变和冲击能量等)来表示,因此,人们便将表征金属材料力学行为的力学参量的临界值或规定值称为金属材料力学性能指标,如强度指标、塑性指标、韧性指标等等。本章将在介绍金属材料力学性能基本知识的基础上着重介绍这些性能指标的物理概念及实用意义。第一节拉伸曲线和应力应变曲线拉伸试验是工业上最广泛使用的力学性能试验方法之一。试验时在拉伸机上对圆柱试样或板状试样两端缓慢地施加载荷,使试样受轴向拉力沿轴向伸长,一般进行到拉断为止。一般试验机都带有自动汜录装置,可把作用在试样上的力和所引起的试样伸长自动记录下来,绘出载荷—伸长曲线,称拉伸曲线或拉伸图。图1—1为退火低碳钢拉伸曲线示意图。曲线的纵坐标为载荷(P),横坐标是绝对伸长(△L),由图可见,载荷比较小时,试样伸长随载荷增加成正比例增加,保持直线关系。载荷超过户。后,拉伸曲线开始偏离直线。载荷在Pe以下阶段,试样在加载时发生变形,卸载后变形能完全恢复,该阶段为弹性变形阶段。当载荷超过户。后,试样在继续产生弹性变形的同时,将产生塑性变形,进入弹塑性变形阶段。此时,若在载荷P第3页作用下试样的变形为dc,则弹性变形和塑性变形分别为ab和bc(如图1—2所示)。若卸载,弹性变形ab将恢复,塑性变形6c被保留,使试样的伸长只能部分地恢复,而保留一部分残余变形OD。当载荷达到尸。时,在拉伸曲线上出现锯齿或平台。即载荷虽然保持不变或发生波动,而试样继续伸长(变形量继续增加),这种现象称为屈服。由于在弹塑性变形阶段有塑性变形的产生,因此试样要继续变形,就必须不断增加载荷。随着塑性变形增大,载荷升高。当到最大载荷户b时,试样的某一部位横截面开始缩小,出现了颈缩。随着伸长量的增加,试样的变形主要集中在颈缩处而使试样的颈缩越来越明显。由于颈缩处试样截面急剧缩小,继续变形所需的载荷下降。载荷达尸k时,试样产生断裂。由此可知,金属材料在外加载荷作用下的变形过程一般可分为三个阶段,即弹性变形、弹塑性变形和断裂。用试样原始横截面积(F0)去除载荷得到应力(ζ),即,ζ=P/F0。以试样的原始标距长度(L。)去除绝对伸长,得到相对伸长(应变c),即ε=△L/L。,单位为百分数(%)。故可由金属材料的拉伸曲线得到材料的应力应变曲线,并且由于原始横截面积和原始标距长度均系常数,因而两曲线形状相同。金属材料的拉伸曲线除了低碳钢这种类型以外,还有其他不同类型的拉伸曲线(图1—3)。图1—3(a)为塑性材料的拉伸曲线,它由弹性变形过渡到弹塑性变形是逐渐发生的,没有屈服现象,而存在有颈缩现象。图1—3(L)为脆性材料的拉伸曲线,它不仅没有屈服现象,而且也没有颈缩现象,最大载荷就是断裂载荷。第二节金属的弹性与塑性一、金属的弹性前面已经提到,金属材料在外加载荷作用下最先产生弹性变形。弹性变形的特点是:变形是可逆的;不论是加载或卸载期内,应力与应变之间都保持单值线性关系;变形量比较小,一般不超过0,5%~1%。(一)弹性模量在弹性变形阶段,金属材料的应力与应变成正比关系,如拉伸时ζ=Eε,E表示应第二章金属晶体结构与塑性变形不同的金属材料具有不同的性能,除了和它们的化学成分有关之外,还与它们内部的组织结构有关,因此认识金属中各种晶体结构的特点和彼此之间的差异,对于正确使用金属材料,提高其性能和开发新的金属材料都是十分重要的。第一节金属晶体结构一、晶体学基础知识(一)晶体与非晶体固态物质按其内部原子的排列方式可以分为两大类:晶体和非晶体。在晶体中原子、离子等质点是按照一定的规则在空间作周期性地重复排列,而非晶体中原子等质点在空间是无规则地堆积在一起的,这是两者的本质区别所在。金属与合金是晶体,玻璃、木材、棉花等都是非晶体。晶体和非晶体在原子排列方式上的不同,决定了两者在物理性质方面存在许多不同。首先晶体有固定的熔点(或凝固点),而非晶体则没有。其次沿晶体的不同方向测得的性能是不同的(如导电性、导热率、热膨胀性、弹性、强度、光学性质等等),这种各个方向性能的差异称为晶体的各向异性,而非晶体在任何方向测得的性能都是一样的,不因方向而异,称为各向同性。虽然晶体和非晶体之间存在着本质的差别,但在一定的条件下两者可以互相转化。例如非晶态玻璃在高温下长时间加热退火能够转变成晶态玻璃,采用特殊的设备使液体金属以极高的速度(>10的7次方℃/s)冷却下来也能制得非晶态金属(金属玻璃)。(二)空间点阵为了便于研究晶体中原子的排列方式,不考虑原子属性和类别,把它们抽象成一个个纯粹的几何点。这些几何点可以是原子或离子的中心,也可以是彼此等同的原子群或离子群的中心。每个几何点周围的环境都一样,即任一几何点周围的几何点数目、几何点排列方式、点间距等参数都相同。那么由这样的几何点在空间周期性地规则排列组成的阵列就称为空间点阵,简称点阵,这些几何点就叫阵点或结点。在表达空间点阵的几何图像时,为观察方便,可以作许多平行的直线把阵点连接起来构成一个三维的几何构架,如图2—1所示。很显然,在某一空间点阵中,各阵点在空间的位置是一定的,而通过这些阵点所作的几何构架则因直线的取向不同可有多种形式,因此必须强调指出:第21页阵点是构成空间点阵的基本要素。在空间点阵中选取一个有代表性的基本单元,将它在空间沿三维方向重复堆砌就能得到空间点阵,这个最能表达空间点阵排列形式的基本的几何单元称为晶胞。在同一个空间点阵中可以选出许多具有这种性质的形状不同的晶胞,图2-2表示在一个二维点阵中选取的不同晶胞。为避免混乱,人们规定了选取晶胞的原则:(1)它是一个体积最小的平行六面体;(2)六面体每个顶角上都要有一个阵点;(3)它能反映出点阵的对称性。按这样的原则选出的晶胞称作初级晶胞或简单晶胞。不过有时为了更好地反映出空间点阵的对称性,也可在晶胞中心或面中心保留有阵点,形成体心晶胞、以晶胞某一角上的阵点为原点,沿其三个棱边作坐标轴(称为晶轴)建立坐标系,那么这个晶胞就可以用三个棱边的长度a,b,c和三个棱边相互间的夹角a,β,γ六个参数来定量描述,其中o,6,c称为晶格常数。根据晶胞的六个参数的差异可将所有晶体结构归为七大晶系14种空间点阵,其中立方晶系a=b=c,a=β=γ=90°;六方晶系a1=a2=a≠c;a=β=90°,γ=120°。(三)晶向指数和晶面指数在研究晶体生长、相变和塑性变形时,常常要涉及到晶体中的某些方向(称为晶向)和某些平面(称为晶面)。为了区分不同的晶向和晶面,需要有一个统一的标识符号来表示它们,这种标识符号分别叫做晶向指数和晶面指数,国际上通用的是密勒(Miller)指数。1.晶向指数标定晶向指数标定步骤如下:(1)以晶胞的某一阵点为原点,三个棱边为坐标轴X,Y,Z,以晶格常数分别作为三个坐标轴的量度单位,如图2—3(a)所示。(2)过原点O引一定向直线使其平行于待定晶向AB。(3)在所引直线上任取一点(为分析方便起见,可取距原点最近的那个阵点B'),求出该点在X,Y,Z轴上的三个坐标值。第三章金属结晶及合金相图金属与合金自液态冷却转变为固态的过程,就是原子由不规则排列的液体状态逐步过渡到规则排列的晶体状态的过程,这一过程称为结晶过程。金属材料结晶时形成的组织(铸态组织)不仅影响其铸态性能,而且也影响随后经过一系列加工后材料的性能。因此,研究并控制金属材料的结晶过程,对改善金属材料的组织和性能具有重要的意义。绝大多数工业用的金属材料都是合金。合金和纯金属都遵循着相同的结晶基本规律,但合金的结晶过程比纯金属复杂得多。合金相图是研究合金结晶的重要工具。在生产和科研实践中,合金相图不仅是分析和研制合金材料的理论基础,而且还是制订合金熔炼、铸造、焊接、锻造及热处理工艺的重要依据。本章主要阐述纯金属结晶的基本理论和合金相图的基本知识。第一节纯金属的结晶一、结晶曲线用热分析法可获得如图3—1所示的纯金属冷却曲线(亦称结晶曲线)。图巾。点以左线段代表液态金属的降温过程,6点以朽线段代表固态金属的降温过程,ab水平线段则代表金属的结晶过程。由图町见,纯金属的结晶过程是在恒温下进行的。温度高于Τn时,由于系统不断向外界散热,金属液体的温度随时间的增加而下降;当温度达到丁。时,金属开始结晶,结晶过程中要放出结晶潜热,当放出的潜热等于系统向外散失的热量时,体系的温度不再发出变化,结晶过程便在恒温下进行;直到结晶过程结束后,再没有潜热放出,体系的温度继续下降。如果改变金属液体的冷却速度,实际结晶温度(丁。)将发生变化,冷却速度增大,丁”温度降低;冷却速度减小,则Τn温度升高。纯金属液体在无限缓慢的冷却条件下(即平衡条件下)结晶的温度,称为理论结晶温度(即熔化温度),用Τm表示。在实际生产中,金属结晶时的冷却速度都比较快,因而液态金属的第40页结晶在Τm以下才能发生。金属的实际结晶温度Τn低于理论结晶温度Τm的现象,称为过冷现象。理论结晶温度与实际结晶温度之差△Τ称为过冷度,即△Τ=Τm-Τn。可见,过冷度是金属结晶的必要条件。过冷度不是定值,它与金属的性质、纯度及液态金属的冷却速度有关。冷却速度愈大,过二、结晶过程图3—2表示出了纯金属的结晶过程。当液态金属以一定的冷却速度降温至熔点以下某一温度开始结晶时,液体中首先形成一些微小的结晶核心,称为晶核,每个晶核晶轴在空间的位向是随机的。随后,这些晶核按金属本身固有的原子排列方式不断长大。与此同时,新的晶核又在液体中不断形成。于是,液态金属便在晶核的不断形成与不断长大过程中被固态金属所取代而逐渐减少。最终,当位向不同的各晶体彼此完全接触时,液态金属耗尽,结晶过程结束。所以,一般纯金属是由许多大小、外形、位向均不相同的小晶体(称为晶粒)所组成的多晶体,晶粒之间的交界面就是晶界。(一)晶核的形成金属结晶时有两种形核方式,即均匀形核和非均匀形核。1.均匀形核在液态金属中,总是存在有大量尺寸不同的短程有序原子集团。在理论结晶温度以上,它们是不稳定的,时聚时散,此起彼伏;但是当温度降到理论结晶温度以下,并且过冷度达到一定值后,液体中那些超过一定大小(大于临界晶核尺寸)的短程有序原子集团开始变得稳定,不再消失,从而成为结晶核心。这种从液体结构内部自发形成晶核的过程叫做均匀形核或自发形核。温度愈低,即过冷度愈大时,金属由液态向固态转变的动力愈大,能稳定存在的短程有序原子集团的尺寸可以愈小,所以生成的自发晶核愈多。但是过冷度过大或温度过低时,由于形核所需要的原子扩散受阻,单位时间内、单位体积中所生成的晶核数目,即形核率,反而减小。形核率N与过冷度△Τ成图3—3所示的关系。2.非均匀形核工业生产中使用的金属往往是不纯净的,总有杂质存在。金属熔化后,那些高熔点第四章钢的热处理第一节钢加热时奥氏体转变一、金属固态相变热力学条件金属固态相变是指固态组织与结构的改变,比如纯金属由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的同素异构转变,固溶体合金中各组元原子的有序化转变以及一个固相同时分解为两个不同固相的共析转变等。根据合金相图,可以确定不同温度区间存在的稳态相。金属固态相变时,由于新相结构与母相结构不同,其比容差必然引起体积的变化,新相的自由变形受到母相约束的限制,从而使新相与母相之间产生弹性应变,其量值大小与新相形状密切相关。新相形成的总能量变化包括表面能和由于体积变化所引起的应变能。固态相变过程应满足从高自由能状态向低自由能状态自发进行的热力学条件。随着温度的变化,各相自由能变化程度不同。图4-1表示A相与B相自由能随温度变化规律曲线。在两条曲线交点处,A相与月相自由能相等,所对应的温度为平衡温度(Τo)。当Τ<Τo时,B相自由能低,处于稳定状态;当Τ>Τo时,A相自由能低,处于稳定状态。在平衡温度(Τ=Τo)时,A相与B相自由能相等,二者共存。当由低温加热超过平衡温度(Τo)后,B相向A相转变,使系统自由能降低,可以自发进行;反之,当由高温冷却到平衡温度以下时,A相转变成B相使系统自由能降低,也可自发进行。二、加热保温时钢的奥氏体形成过程(一)共析钢奥氏体形成由Fe-Fe3C相图可知:低于共析温度时,珠光体是平衡相;高于共析温度时,奥氏体是平衡相;当缓慢加热到临界温度(共析温度)时,母相珠光体与奥氏体共存。加热到临界温度以上时,奥氏体自由能比珠光体低,奥氏体处于稳定状态。从高自由能状态的珠光体向低自由能状态的奥氏体转变,使系统自由能降低,满足热力学条件,可以自发进行。但只有当加热到临界温度以上某一温度时,这种转变才能进行。实际转变温度与临界温度之差称为过热度。因此,加热时奥氏体的实际转变温度高于平衡转变临界点。第75页加热速度越快,过热度越大,奥氏体转变的实际温度越高,奥氏体转变的驱动力越大,转变速度越快。奥氏体形成的基本过程符合形核与核长大的相变规律。奥氏体形成过程包括核心的形成与长大,渗碳体的溶解和奥氏体的均匀化四个基本阶段。1.奥氏体晶核的形成共析钢加热到共析温度以上时,发生珠光体向奥氏体的转变,可表示为,P(F+Fe3C)→A其中,具有体心立方结构的铁索体(F)含碳量很低(0.021 8%C),具有复杂立方结构的间隙化合物——渗碳体(Fe3C)含碳量很高(6.69%C),而具有面心立方结构的奥氏体含碳量居中(o.77%C)。铁素体和渗碳体在成分上和结构上与奥氏体均有很大差异。奥氏体的形成过程需要有碳原子与铁原子的扩散。在铁素体和渗碳体相界处原子排列混乱,存在结构缺陷,原子处于高能状态,以及成分起伏等均有利于新相的形核。因此,母相珠光体中铁素体与渗碳体的相界面是奥氏体晶核优先形成的地点,通过碳原子扩散,局部区域的碳浓度发生起伏,当碳含量达到形成奥氏体所需的碳量时,可以形成奥氏体的核心[图4-2(a)]。奥氏体形成时,除了碳扩散以外,还应发生Fe原子由体心立方或复杂间隙化合物结构向面心立方结构的转变,这种转变要通过铁原子的重组来实现。2.奥氏体晶核的长大刚刚形成的奥氏体晶核的两侧分别与渗碳体和铁索体相接触,奥氏体晶核内碳的分布极不均匀,出现了碳浓度梯度。这种碳分布的不均匀性可由Fe—Fe3C相图来表示(图4-3)。与铁素体相接处含碳量低(Cy-a),而与渗碳体相接处含碳量高(Cy-c),因此,奥氏体内的碳浓度差可表示为ΔC=Cy-c-Cy-a奥氏体中碳浓度差促使奥氏体中碳从高浓度向低浓度扩散,从而破坏了相界面碳浓度的平衡关系,第五章钢铁材料及其应用第一节钢的分类与编号钢的品种很多,为便于管理和使用,通常按着一定的方法将其分类。一、钢的分类钢的常见分类方法有以下几种:(一)按冶金质量分类按钢中含硫、磷量的多少可将其分为普通钢、优质钢和高级优质钢。普通钢:s≤0.055%、P≤0.045%;优质钢:S≤0.04%、P≤0.04%;高级优质钢:S≤0.035%、P≤0.03%。(二)按化学成分分类按钢的化学成分可将其分为碳素钢、低合金高强度钢和合金钢。碳素钢根据其含碳量的不同可分为低碳钢(低于0.25%C)、中碳钢(0.25%~0.6%C)、高碳钢(高于0.6%C)。低合金高强度钢是在碳素结构钢的基础上,加入总量不超过3%的合金元素获得的低合金钢。合金钢根据其中含合金元素总量的不同又可分为:低合金钢(低于5%)、中合金钢(5%~10%)和高合金钢(高于10%)。(三)按用途分类按钢用途的不同可将其分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。结构钢根据用途的不同又可分为两类:一类是建筑、工程及构件用钢,其中绝大部分被加工成板材和型材,在热轧和正火状态下经过焊接用于车辆、船舶、桥梁、锅炉、钢轨等,这类钢包括碳素结构钢和低合金高强度钢;另一类是机械制造用钢,用作各种机械零件,这类钢包括常见的优质碳素结构钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢和滚动轴承钢等。工具钢可分为碳素工具钢和合金工具钢。按具体用途的不同还可细分为刃具钢、模具钢和量具钢等。特殊性能钢分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢和电工合金等。(四)按冶炼方法分类钢按其冶炼方法可分为平炉钢、转炉钢和电炉钢。平炉钢包括碳素钢和低合金高强度钢,根据炉衬材料的不同分为碱性和酸性平炉钢;转炉钢也包括碳素钢和低合金高第107页强度钢,分为侧吹转炉钢、底吹转炉钢和氧气顶吹转炉钢;电炉钢主要是合金钢,分为感应电炉、电弧炉、电渣炉和真空感应电炉钢等,其中生产量最多的是电弧炉钢。根据钢脱氧方法和脱氧程度的不同碳钢又可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。合金钢均为镇静钢。上述分类方法在实际生产中都较为常见,而且经常重叠使用。二、钢的编号我国现行钢的编号根据国标GB 221-79采用汉语拼音字母、阿拉伯数字和化学元素符号并用的方法来表示。(一)碳素结构钢碳素结构钢是工程结构用量最大的钢种,按国标GB 700-88,它分为5类20个品种。碳素结构钢的牌号是以钢的屈服点数值(试样直径或厚度小T16illnl)划分的,每个强度等级根据其硫、磷杂质含量分为A,B,c,D四个质量等级,A级最低,D级最高。每个强度等级和质量等级又按脱氧方法的不同分为沸腾钢、镇静纲、半镇静钢,并分别标以F,Z,b。例如Q235AF,其中Q代表屈服点的“屈”,235表示该牌号普通碳素钢的屈服强度不低于235N/mm2,A表示质量等级,F代表沸腾钢。(二)优质碳素钢优质碳素钢包括结构钢和工具钢两种。优质碳素结构钢的牌号是用两位数字表示,它代表钢平均含碳量的万分之几。例如15、20F分别表示平均含碳量为0.15%的优质碳素结构钢和0.2%的沸腾钢。碳素工具钢的牌号是用汉语拼音“T”代表“碳”加数字表示,数字代表钢平均含碳量的千分之几,如T8,T10,T12分别表示平均含碳量为0.8%、1.0%和1.2%的碳素工具钢。(三)合金钢合金结构钢的牌号是用两位数字加化学元素符号再加数字的方法表示。最前面的两位数字代表钢平均含碳量的万分之几,元素符号代表所含的合金元素,元素符号后面的数字表示该元素的平均重量百分比含量。若合金元素的平均重量百分比含量低于1.5%则不予标出,大于1.5%则标为2,大于2.5%则标为3等,若牌号最后的元素为V,Ti,Nb等,则为细化晶粒元素,含量较少,一般不超过1%。如60Si2Mn表示该合金结构钢各元素的平均含量为:0.6%C、2%S1和1%Mn;20CrMnTi表示该钢含:0.2%C、1%Cr、1%Mn和少量Ti。合金工具钢用一位数字加化学元素符号再加数字的方法表示。最前面的一位数字代表钢平均含碳量的千分之几,若平均含碳量大于1%则不予标出,合金元素的表示方法与合金结构钢相同。例如9SiCr表示该合金工具钢各元素的平均含量为:0.9%C、1%Si和1%Cr;CrWMn表示该钢含:大于1%C、1%Cr、1%W、1%Mn。第六章有色金属及应用铁基合金以外的金属统称为有色金属,与钢铁相比,它具有优异的物理、化学性能,如比强度高,导电、导热性好,耐高温、抗蚀性好,某些合金还具有优异的减摩性等。随着近代航空、航海、汽车、石油化工、电力和原子能以及空间技术等新工业的发展,许多零部件在高温、低温、高压、高速和强烈腐蚀介质中工作,有色金属的应用也日益广泛。第一节铝及铝合金一、纯铝(一)纯铝的性质特点铝的熔点为660℃,比重为2.7g/cm3,广泛用于交通运输、航空航天等工业中,以减轻运输工具的自重。铝的导电、导热性仅次于铜,约为铜的60%,适用于导电(如电线、电缆等)、导热(如汽车散热器、冰箱蒸发器等)材料及蒸煮器皿等。铝的化学性质很活泼,它的标准电极电位很低(-1.67V),在大气中极易和氧作用生成一层致密的厚约10nm的AI203膜,使它在大气和淡水中有良好的抗蚀性,常用于制造日用小五金和装饰品。但A1203具有酸、碱两性氧化物的性质,在酸性和碱性介质中都易被溶解,使铝进一步腐蚀,因此铝在海水中的抗蚀性很差。铝具有面心立方晶体结构,其塑性优异,可加工成各种板、棒、线、管及箔材等,铝在低温甚至超低温下具有良好的塑性和韧性,在-253~0℃之间塑性和冲击韧性不降低。但纯铝的强度和硬度很低(ab=50~100MPa,HBS20),不易作承力的结构材料。(二)纯铝的分类及牌号通常的纯铝中含有铁、硅、铜、锌等杂质元素,使性能略微降低。纯铝按材料纯度可分为三类:1.高纯铝纯度为99.93%~99.99%,牌号有L01,L02,L03,L04,编号越大,纯度越高。它具有优异的电性能,主要用于电力电容器制作及科学研究等。2.工业高纯铝纯度为99.85%~99.9%,牌号有LO,L00。其加工塑性好,主要用于铝箔及冶炼铝合金原料。3.工业纯铝纯度为99.0%~99.7%,牌号有L1,L2,L3,L4,L5,编号越大,纯度越低。塑性好,广泛用于制作电线、电缆、器皿等。第155页二、铝的合金化及其强化铝中加入铜、镁、硅等合金元素后所组成的铝合金有较高的强度,并保持良好的加工性能。(一)铝合金分类铝合金一般具有图6-1类型的相图。根据铝合金工艺特点,可分为形变铝合金和铸造铝合金两大类。图6-1中的D点即是二类合金的理论分界线,合金成分小于D点的合金,其平衡组织以固溶体为主,在加热至固相线以上温度时,可得到均匀的单相。固溶体,其塑性很好,适于锻造、轧制和挤压,属于形变铝合金。合金成分大于D点的合金,含有低熔点的共晶组织,流动性好,适于铸造,属于铸造铝合金。(二)铝合金强化铝合金的强度远高于纯铝,可达400~700MPa,其强化方式主要有以下几种:l。固溶强化固溶强化是铝合金强化的基本方法。铝中加入合金元素后晶格畸变,受力时变形比较困难,从而使强度提高。尤其对图6-1中F点以左成分的形变铝合金,其固溶体成分不随温度改变而变化,属于不能通过热处理强化的铝合金,固溶强化尤为重要。2.时效强化成分位于F-D之间的合金加热到。相区,经保温得到单相。固溶体后迅速水冷(淬火、固溶处理),在室温得到过饱和。固溶体,该组织不稳定,在室温下放置或低温加热时会析出强化相(时效),使强度和硬度升高,此现象为时效强化。在室温下进行的为自然时效,在加热条件下进行的为人工时效。该成分的合金属于可热处理强化的合金。时效过程是过饱和固溶体分解的过程,主要包括形成溶质原子富集区(G.P.区)、形成过渡相及析出稳定相阶段。以A1-4%Cu二元合金为例,其时效过程(见图6-2)为:(1)形成铜原子富集区(G.P.[I]区) 经固溶处理获得的过饱和。固溶体经过一段时间的孕育期后发生分解,铜原子在铝基固溶体的{100}晶面上偏聚,形成薄片状铜原子富集区,称为G.P.[I]区,其晶体结构与基体。相同并与基体保持共格。由于铜原子偏聚引起点阵严重畸变,阻碍位错运动,使合金强度、硬度升高。(2)形成G.P.[Ⅱ]区铜原子进一步偏聚,G.P.[I]区扩大并有序化,形成有序的富铜区,即正方点阵的G.P.[Ⅱ]区,a=b=0.404nm,c=0.78nm,它仍与基体保持共格,共格畸变区更大,时效强化作用更大。第七章非金属材料除金属材料以外的所有工程材料,通称为非金属材料。近几十年来,以高分子材料、工程陶瓷和复合材料为主的非金属材料有了迅速的发展,在机械工程材料中占据重要地位,它的应用遍及国民经济的各个领域,受到人们的青睐。第一节高分子材料一、概述(一)高分子材料的基本知识高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料,在非金属材料中具有其他材料所不能替代的作用。高分子化合物可以是天然的,也可以是人工合成的。其中天然高分子物质有蚕丝、羊毛、纤维素、橡胶以及存在于生物组织中的淀粉、蛋白质等,工程上的高分子物质主要是人工合成的各种有机材料,如塑料、合成橡胶及合成纤维等。1.高分子化合物的含义高分子化合物是由一种或几种简单的低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物,简称高聚物。高分子化合物的分子所含原子数可达数万,甚至数十万,而低分子化合物分子的原子数不过几个,最多数百个。习惯上将相对分子质量小于500的物质称为低分子化合物,相对分子质量大于1 000的物质称为高分子化合物,但二者并无严格的界线,不能单纯以分子质量的大小来评定,而应以能否显示高分子化合物的特性来判定,一般来说,高分子化合物具有一定的强度和弹性。2.高分子化合物的组成高分子化合物通常由C,H,O,N,S等元素构成,其中以碳氢化合物及衍生物为主。组成高分子化合物的每一个大分子链都是由一种或几种低分子化合物的成千上万个原子以共价键形式重复连接而成。这里的低分子化合物称为“单体”,是组成大分子的合成原料,而由低分子化合物转化为高分子化合物的过程称为聚合。例如,由数量足够多的乙烯(CH2--CH2)作单体,通过聚合反应打开它们的双键便可生成聚乙烯,其结构式可简写为[CH2-CH2]n。这里“-CH2-CH2-”结构单元称为“链节”,是组成大分子的基本结构单元。3.高分子化合物的合成第178页人工合成高分子化合物的基本方式可分为加聚反应和缩聚反应。(1)加聚反应加聚反应是指一种或多种单体聚合成为高分子化合物的反应。加聚反应的单体必须具有不饱和键,并能形成两个或两个以上的新键。它们在光、热或引发剂的作用下,打开不饱和键,使单体通过单键一个个地连接起来,成为一条很长的大分子。例如前述单体(CH2=CH2)在1 000个大气压及200℃条件下,打开双键,经聚合而生成聚乙烯([CH2-CH2]n)的反应,即为加聚反应。其反应为在加聚反应中,链节的化学结构与低分子单体相同,反应后无低分子副产物出现,并且反应速度快,能持续进行到底。一般来说,凡是带有双键的有机化合物,原则上都发生加聚反应。因此加聚反应是目前有机高分子工业的基础,如聚乙烯、聚氯乙烯和合成橡胶等,约有80%的高分子材料是由加聚反应得到的。(2)缩聚反应缩聚反应是指由两种或多种具有活泼官能团(如-OH,-NH,=CO等)的单体相聚合,在生成聚合物的同时有小分子物(如H20,HCI,NH3等)放出的反应。例如氨基酸缩聚成聚酰胺的反应为缩聚反应由若干步缩合反应构成,其反应是逐步进行并停留在某阶段上,因此可得到中间产物,在反应过程中伴有分子副产物析出,且每一步反应均是一个可逆的平衡过程,其链节的化学结构和单体的化学结构不同,因而缩聚反应要比加聚反应复杂得多,它同样具有很大的实用价值。例如,酚醛塑料、环氧树脂、聚酰胺(尼龙)、有机硅等重要的高分子材料都是由缩聚反应得到的。缩聚反应因其特有的反应规律和产物结构的多样性,为进一步改善高分子材料的性能和发展新产品开拓了广阔的前景。(二)高分子化合物的结构与性能1.高分子化合物的结构高分子化合物的结构要比金属复杂得多,主要包括两个微观层次:一个是大分子链的结构,分近程结构和远程结构,其中近程结构为大分子结构单元的化学组成、键接方式、空间构型,远程结构为大分子的形态;另一个是高分子的聚集态结构,指的是高分子化合物的分子间结构形式。高分子化合物的结构类型如下:第八章材料选择基础第一节零件失效每种机器零件都具有一定的功能——或完成规定的运动,或传递力、力矩或能量。当零部件丧失预定的功能时,即发生了零部件的失效。下述任何一种情况的发生,都可以认为零件已经失效:零件完全破坏,不能继续工作;零件严重损伤,不能保证工作安全;零件虽能安全工作,但工作低效。零件失效所导致的经济损失是十分惊人的,零件失效还往往会导致重大事故的发生。因此对零件的失效进行分析,找出失效的原因,提出防止或延迟失效的措施,具有十分重要的意义。选材过程在很大程度上依赖于对以往使用经验的分析,特别是对失效原因和失效机制的分析,这些分析为零件设计、选材、制造和使用提供了实践经验和基础。一、零件失效的基本形式零件的失效是比较复杂的,根据零件破坏的特点、所受载荷的类型以及外在条件,零件失效的形式可归纳为变形失效、断裂失效和表面损伤失效三大类型。这三大类失效按失效的不同机理又可进一步分类(如图8—1所示),下面是零件最常见的失效形式。1.弹性失稳细长件或薄壁筒受轴向压缩时,如发生过大的侧向弹性弯曲变形,即产生弹性失稳,从而丧失工作能力,甚至引起大的塑性变形或断裂。第页2.f塑性变形承受静载的零件由于过量的塑性(屈服)变形,与其他零件的相对位置发生变化,致使整个机器运转不良,导致失效。3.蠕变断裂零件在高温承受长时载荷,由于蠕变量超出规定范围,致使零件工作处于不安全状态甚至发生断裂。4.快速断裂承受单调载荷的零件可发生韧性断裂或脆性断裂。韧性断裂是一个缓慢的撕裂过程,应产生明显的宏观塑性变形;而脆性断裂常在低应力下突然发生,没有明显的塑性变形。脆断的诱因较复杂,无论是高温还是低温,静载还是冲击载荷,光滑还是缺口,构件均有可能发生,但最多的是有尖锐缺口或裂纹的构件在低温或受冲击时发生的低应力脆断。5.疲劳断裂零件在交变载荷作用下,工作应力远低于材料的抗拉强度,常在低于静载屈服强度时发生的突然断裂,由于疲劳断裂前无明显塑性变形,且对表面缺陷如划痕等很敏感,是一种危险的失效方式。6,应力腐蚀断裂零件在某些环境中承受载荷时,在应力和环境介质的联合作用下,发生的低应力脆性断裂。7,磨损当两个相互接触的机件表面相对运动时,由于发生磨损,使零件尺寸变化,精度降低,甚至发生咬合、剥落,而不能继续工作。在以上失效形式中,弹性失稳、塑性变形、蠕变和磨损失效的发生是一个渐变的过程,在失效前一般都有尺寸的变化,有较明显的前兆,所以失效可以预防,断裂可以避免;而低应力脆断、疲劳断裂和应力腐蚀断裂往往事前无明显征兆,因此特别危险,是当今工程断裂事故的三大重要缘由。同一种零件可能有几种不同的失效形式,不同的失效形式对应着不同的失效抗力。零件究竟以何种形式失效,取决于具体工作条件下零件的哪一种失效抗力最低。因此,一个零件的失效,总是由一种形式起主导作用,而多种因素的协同作用也可能组合成更复杂的失效形式,如腐蚀疲劳、磨蚀等(见表8—1)。对于零件的失效,就安全运行而言,设计是主导,合理选材是基础,工艺是保证,设计和选材的指导思想无疑是至关重要的。设计中应将产品的功能设计、结构设计与零第九章机械零件设计中的材料选择第一节考虑刚度的材料选择刚度是材料受力时抵抗弹性变形的能力,当构件的尺寸一定时,其大小用弹性变形范围内的应力与应变的比值(即弹性模量)表示。弹性模量反映的是材料弹性变形的难易程度,其本质是材料内部原子结合力的大小。各种工程材料的弹性模量数值有很大差别,主要是因为材料具有不同的结合键和键能,化学键越强材料的弹性模量越高。热处理、压力加工等因素,对其的影响很小。因此,弹性模量是材料最稳定的性质之一,是一个组织不敏感的力学性能指标。绝大多数材料是在弹性范围内使用的,因此学习根据刚度选材的准则,对合理选用材料有重要意义。一、梁的选材准则在弹性范围内,各种粱在外力作用下产生的挠度(δ)可以用材料力学知识求出。以悬臂梁(如图9—1所示)为例,其挠度δ为第233页对于给定的刚度,当[E1/2/ρ]最大时,梁的重量最小,结构效率最高。于是[E1/2/ρ]便是选材的准则。同样道理,对于承受单向压缩载荷的细长结构件(即压杆)和受压实心平板等构件可以利用材料力学的知识,推导它们的结构效率公式,从而可以导出基于刚度的选材准则。对于压杆其选材准则为[E1/2/ρ],而平板挠曲的选材准则为[E1/3/ρ]二、梁的选材分析从(9—5)式可见,对于最轻质量的梁而言,碳纤维复合材料是最佳的,但价格昂贵,这就限制了它的广泛使用,目前只用于飞行器或高级运动设备,但随着复合材料工业的发展,它的价格将逐渐降低,那时将可应用于高速列车和汽车制造,以减轻车体重量,并节约燃料,在很多场合下可能与金属材料竞争。木头虽然比碳纤维复合材料的质量大1倍左右,但由于其价格低廉,所以是理想的选用材料,这就是为什么木头广泛用于小型建筑物的梁、网球拍竿、撑竿跳高的竿,甚至可用于制造飞机的原因。如表9—1所示,在相同刚度下,水泥和木头是最便宜的材料。过去自行车曾用木头制造,现在已被金属(钢)所取代,这并不是由于钢的弹性性能优于木头,而是钢可以方便地加工成管材,管形梁在弯曲时的刚度要比相同重量的实心梁大得多。钢的价格虽然贵一些,但它能制成各种截面的钢材,有较高的刚度/质量比,这就补偿了钢的成本较高的缺点。尽管泡沫材料很轻,但用它作梁时,其质量竟接近于混凝土梁,所以泡沫材料是不理想的选用对象。桥梁设计中,钢、木头、混凝土都是可供选择的不相上下的材料。铝合金的弹性模量只有钢的1/3,因此要获得相同刚度,铝合金梁的截面应大一些;铝合金梁的质量仅为钢的1/2左右,但成本比钢高5倍,故应用较少。

金属材料力学性能

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