材料的性能及测试方法

材料的性能及测试方法
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➢ 使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。 包括力学性能、物理性能和化学性能。
➢ 工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。 包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性
能等。
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铸造性能评价
铸造性主要包括流动性、收缩、疏松、成分偏析、 吸气性、铸造应力及冷裂纹倾向。
➢ 流动性是指液态金属充满铸模的能力； ➢ 收缩性是指铸件凝固时，体积收缩的程度； ➢ 偏析是指金属在冷却凝固过程中，因结晶先
疲劳应力示意图
疲劳曲线示意2图6
疲劳断口
轴的疲劳断口
疲劳辉纹（扫描电镜照片）
通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面
光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。
疲劳性能测试27
五 其它金属力学性能测试方法
金属的扭转试验
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扭转试验
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金属的剪切试验
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思考
焊管界面结合强度 复合管界面结合强度
KIC=Yσca1/2
Y-与裂纹形状及加载方式有关的量 σc - 裂纹失稳扩展的应力，即断裂应力 a-材料内部裂纹长度的一半
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夏比（Ｃｈａｒｐｙ ）冲击试验
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影响因素显微组织和冶金质量有关外，还 受试样尺寸、缺口形状、加工粗糙度和实验环 境等影响。
体心立方金属具有韧脆转 变温度，而大多数面心立 方金属没有。
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Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图） 的冲击试验结果
Titanic
近代船用钢板
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（g）
脆性断口与韧性断口
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TITANIC
建造中的Titanic 号
TITANIC的沉没 与船体材料的质量
直接有关
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断裂韧性
材料内部的裂纹往往会导致材料发生低应力脆 断 评，定针。对这种情况，通常采用断裂韧度KIC来 映KI了C是材材料料抵抵抗抗低裂应纹力失脆稳断扩的展能能力力。的度量，反
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三、 韧性
定义：韧性是指材料在塑性变形和断裂的全 过程中吸收能量的能力，是材料强度和塑性 的综合表现。
衡量材料韧性的力学性能指标称之为韧度。 我们考察较多的是材料的冲击韧性和断裂韧 性，与之对应的力学性能指标为冲击韧度
（αk）和断裂韧度（KIC）。
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工程上有时会出现材料在远低于抗拉强度的情况下发生断裂现象。
< 时，有颈缩，为塑性材料表征
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讨论
材料的高温力学性能测试？
➢ 加热方式：电阻、感应、红外… ➢ 测温方式：热敏电阻、热电偶、非接触… ➢ 试样温度分布：热像仪… ➢ 应变测量：应变片、高温引伸计、激光测
径、图像采集… ➢ 载荷测量：试验机的选择（精度、引用误差） ➢ 氧化问题：气体保护、真空、涂层…
➢ 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。 ➢ 外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。 ➢ 外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。
五万吨水压机
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低碳钢的应力-应变曲线
应力 = P/F0 应变 = (l-l0)/l0
拉 伸 试 验 机
拉伸试样
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一、弹性和刚度
弹性：指标为弹性极限e，
二、强度与塑性
强度：材料在外力作用下 抵抗变形和破坏的能力。 屈服强度s：材料发生微量 塑性变形时的应力值。 条件屈服强度0.2：残余变 形量为0.2%时的应力值。 抗拉强度b：材料断裂前所 承受的最大应力值。
s
0.2
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塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。 指标为：
伸长率：
l1 l0 100%
即材料承受最大弹性变形时
e
的应力。
刚度：材料受力时抵抗弹性
变形的能力。指标为弹性模 量E。
E tg （MPa）
弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升
高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷
热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过
增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。9
材料的断裂韧度与材料本身的性质有关， 与材料的成分、成型工艺有关；而与裂纹的形 状、尺寸及外应力的大小无关。
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四、疲劳
材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。 材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力
称为疲劳极限。用-1表示。 钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。
1943年1月美国一艘T-2油船停泊在装货码头时断成两半，计 算的甲板应力为68.6MPa远低于抗拉强度（300～400MPa）。
美国北极星导弹固体燃料发动机壳体在实验时发生爆炸，经 过研究，发现破坏的原因是材料中存在0.1～1mm的裂纹并扩展 所致。
北
1943年美国T-2油轮发生断
极
裂
星
导
弹
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断裂力学认为，材料中存在缺陷是绝对的，常见的缺陷是裂 纹。在应力作用下，这些裂纹将发生扩展，一旦扩展失稳，便 会发生低应力脆性断裂。 材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力称为断裂韧性。
后差异而造成金属内部化学成分和组织的不 均匀性。
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锻造性能
可锻性：金属经受压力加工时，获得优质锻件 难易程度的工艺性能。 常用金属的塑性和变形抗力来综合衡量金 属的可锻性。 可锻性与金属的本质及变形条件有关。
应力状态的影响
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切削性能评价
硅含量对Cu-Zn-Se-Bi-Sn合金切削性能的影响 6 硅含量（wt%）分别为0.3、0.5、0.7、1.0
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运用声发射检测技术、切向 力检测技术及微机自控技术， 通过自动加载机构将负荷连续 加至划针（金刚石压头）上， 同时移动试样，使划针划过涂 层表面。
l0
断面收缩率： F0 F1 100%
F0
拉 伸
试
样
的
颈
缩
现
象
断裂后
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说明： ① 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真
实变形。
② 直径d0 相同时，l0，。只有当l0/d0
为常数时，塑性值才有可比性。
当l0=10d0 时，伸长率用 表示； 当l0=5d0 时，伸长率用5 表示。显然5> ③ > 时，无颈缩，为脆性材料表征
裂纹扩展的基本形式
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冲击韧性
是指材料抵抗冲击载荷作 用而不破坏的能力。
指标为冲击 韧性值ak(通 过冲击实验 测得)。
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冲击韧性测试
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韧脆转变温度
材料的冲击韧性随温度 下降而下降。
在某一温度范围内冲击
韧性值急剧下降的现象
韧
称韧脆转变。
发生韧脆转变的温度范 围称韧脆转变温度。
材料的使用温度应高于 韧脆转变温度。