今天日记有点长,我们直入主题。
先上图,说说这张表里的13个材料性能。
其中部分性能我们会频繁使用到,比如刚度,强度,硬度等。
应力和应变:
我想,在说这13大性能之前,还是有必要说一下最基本的,也就是应力应变曲线。
低碳钢是典型的可延展材料,做拉伸试验时,会有如下的变形和拉力关系曲线。
从图1可以看到,伸长量和拉力的关系,跟材料的截面和初始长度有关。
但是换算到应力和应变的关系后(图2),曲线就变得和几何尺寸没有关系了。
应力=力/截面积,应变=变形量/原长。
从图4和图5可以看出,随着应变的增加,材料依次经过:比例极限,屈服点,抗拉强度,断裂点。
比例极限点之前的变形,即线弹性变形阶段,胡克定律适用,此后胡克定律不适用。
屈服点,也叫弹性极限,材料屈服点之前的变形,可以完全恢复,经过屈服点后,材料的变形不可恢复。
把可以恢复的变形称为弹性变形,不能恢复的变形称为塑性变形。
强度(Strength):
强度是指材料抵抗永久变形和断裂的能力,即材料破坏时所需要的应力。
它的大小与材料本身的性质及受力形式有关。
根据载荷形式的不同,强度可以分为屈服强度(Yield Strength),抗拉强度(Tensile Strength),抗压强度,抗剪强度,疲劳强度,冲击强度等。
对于可延展材料,抗拉强度也叫极限强度(Ultimate Strength=US,或Ultimate Tensile Strength=UTS),对于脆性材料,抗拉强度就是材料的断裂强度(关于脆性和可延展性,我们在后面聊)。
工程上使用最多的是屈服强度和抗拉强度。
屈服强度:是材料发生屈服时的应力,亦即开始产生明显塑性变形时的最小应力,对于无明显屈服的金属材料,例如高碳钢,规定以产生0.2%残余变形的应力值为其屈服强度。
大多数金属材料都可以通过加工硬化,合金化,热处理等,来提高屈服强度,以适应不同的应用。
抗拉强度:是材料在拉断前承受的最大应力。是金属由均匀塑性变形,向局部集中塑性变形过渡的临界值,也是金属在静拉伸条件下的最大承载能力。
对于塑性材料,它表征材料最大均匀塑性变形的抗力,拉伸部件在承受最大拉应力之前,变形是均匀一致的,但超出之后,金属开始出现缩颈现象,即产生集中变形。
对于没有或只有很小塑性变形的脆性材料,它反映了材料的断裂抗力。
刚度(Stiffness):
刚度是指某构件或结构抵抗变形的能力,即引起单位变形时所需要的力,一般是针对构件或结构而言的。
它的大小不仅与材料本身的性质,比如弹性模量有关,而且与构件或结构的截面和形状有关。
在应力-应变图中,弹性模量指的是弹性变形阶段线段的斜率,即引起单位弹性变形所需要的应力,它用来表征材料的刚性。
刚度在数值上等于使该点产生单位位移所需的力。
比如,结构上某处刚度为100N/mm,则使该处产生1mm位移就需要100N的力。
刚度在工程实践中,是经常用到的概念,它和精度,结构的动态性能等息息相关。
例如,机床主轴要有足够的刚度,以便在切削、加工时,径向受力变形极小,从而保证加工尺寸精度、形状精度等。
再比如,悬臂机械手臂,也要求有较好的刚度,这样才能保证末端执行机构在取放物料时,不会引入过大的误差,包括静态和动态误差。
提高刚度的措施有:提高截面尺寸面积,合理的支撑和跨度。截面形状的优化,材料调质热处理等。
强度和刚性的区别:
为了形象地理解强度和刚性的区别,举个玻璃和弹簧的例子,如上图。
玻璃在外力作用下,不容易变形,但是容易碎掉,所以它刚性大,但强度低。
弹簧在外力作用下,容易变形,但是不容易破坏,所以它强度高,但是刚性差。
弹性(Elasticity):
材料受外力之后,会发生变形。
其变形可分为弹性变形和塑性变形。
弹性变形的含义是,虽然在外力作用下材料发生形变,但是当外力除去后,形变可以恢复。
塑性变形则恰恰相反:在外力作用下材料发生形变,即使当外力除去后,形变也无法恢复。
在外力作用下,材料首先发生弹性变形,但是当外力超过一定限度后,就会发生塑性变形。
这个外力限度,对应着应力-应变图中的屈服极限,当载荷所引起的应力超过屈服强度,材料就会发生塑性变形。
材料弹性好,这个限度值就大,弹性不好这个限度值就很小。
材料在外力作用下,不发生塑性变形的能力就是弹性。
可塑性(Plasticity):
可塑性定义为,材料在外载荷作用下,经受一定程度的永久变形,而不会破裂或破坏的能力。
当材料受力超过弹性范围时,就会出现塑性变形。
对于金属材料,仅在小于约0.005的应变下发生弹性变形,此后就会发生塑性变形,即不可恢复原来形状的变形,此时应力-应变的胡克定律不再有效。
在原子水平上,塑性变形是由滑移引起的,其中位错运动破坏了原子键,并形成了新的键。
材料的这种特性,在成型,挤压以及许多其他热加工,或冷加工过程中很重要。
可塑性通常用伸长率,或者断面收缩率来表示。
该性质通常随着材料温度的升高而增加。
比如粘土,铅等材料在室温下具有可塑性,而钢在锻造温度下才有可塑性。
低碳钢可塑性好,一般通过冲压、拉拔、搓滚加工。
提高塑性能力一般是退火热处理。
硬度(Hardness):
硬度是材料抵抗局部塑性变形的能力。
在大多数情况下,局部变形是由于机械压痕或磨损引起的。
所以,这个性质通常包括很多含义,比如材料抵抗刮擦,切割,磨损,压痕,渗透等的能力。
直观地理解,硬度就是一种金属去切割另一种金属的能力。
更硬的金属,通常可以切更软的金属,或者可以在更软的金属表面做压痕。
例如,刀具硬度高,才能切削金属材料。
如果材料非常硬(淬火后),就需要磨削加工了,因为砂轮的磨料(磨粒)硬度更高。
提高金属材料的硬度,可以用淬火,低碳钢需要渗碳淬火(表面硬),中碳钢、高碳钢可以直接淬火。
常见的硬度测试方法有四种:
(1)布氏硬度测试
在设定的时间内,以恒定的作用力,将硬质合金球压入测试材料的表面,测量压痕直径,换算得到压痕表面积,然后用力除以压痕面积,得到布氏硬度值。此法是第一个广泛应用于金属硬度测试的方法,但会留下较大压痕,且测试时间长,实用于粗糙表面测量。
(2)洛氏硬度测试
用锥角为120度的金刚石压头,或球形压头,以不同的力,分阶段性压入被测表面,测量压入深度,并以此来表示硬度的大小,压入越深,表示硬度越小。
(3)维氏硬度测试
和布氏硬度测试方法雷同,只不过维氏测试压头,是夹角为136°的金刚石正四棱锥。通过测量压痕对角线的长度,计算压痕表面积,再用力除以表面积,得到硬度值。用于较小或较薄的材料测试。
(4)努氏硬度测试
该过程与维氏硬度测试相同,但使用菱形压头和显微镜测量系统测量压痕长,宽,深等信息。努氏硬度测试,适用于载荷小于或等于1kgf的小而薄的零件。
几种硬度测试方法对比:
强度和硬度的关系:
对于金属,硬度和强度通常彼此相关,硬度越高,强度越大,有研究结果显示,对于合金钢,抗拉强度和布氏硬度之间有如下的关系:TS(MPa) = 3.45 × HB。
但是它们确实是材料的不同属性。例如,玻璃具有高硬度,但是强度和韧性非常低,所以容易破裂。
另外,硬度并不能表征材料对冲击力的反应。比如,即使钻石是最坚硬的材料之一,但用大锤砸钻石,还是很容易将其砸碎。
延展性:
延展性包含延性(Ductility)和展性(Malleability)。
延性(Ductility):
指的是金属在拉伸应力作用下,可以改变形状,发生塑性变形,而不发生断裂的能力。
简单来说,拉伸延展,是指金属可以拉成细线,例如铜线。
伸长率超过5%的材料称为延性材料,小于5%的材料称为脆性材料。
在工程实践中,通常使用的延性材料包括:低碳钢,铜,铝,镍,锌,锡等。
展性(Malleability):
指的是金属在压缩应力作用下,可以改变形状,发生塑性变形而不破坏的能力。
压简单理解,延展是材料在施加压力的情况下,被压成薄片,而不会因热或冷加工手段破裂的能力。
这种性质,允许将材料轧制或锤打成薄片。
在工程实践中,通常使用的展性材料是铅,软钢,锻铁,铜和铝。
延展性影响因素:延性取决于材料的晶粒尺寸,展性取决于晶体结构。
较小的晶粒尺寸,因为阻力大,而使晶粒位错运动更困难,所以,延性降低,反之亦然,晶粒较大时,延性变高。
大多数延性金属,也具有展性。
例如金和银,是延性和展性最好的两种金属。
但是,并不是所有金属,都展示出两种延展性。
例如,金有很好的延展性,这也是为什么,金在珠宝中很流行,可以做成各种形状。但是铅和铸铁,展性很好,但是延性很差。
其他有很好延性的金属,比如金,银,铁,铜,铝,锡和锂。但是,锑和铋展性就差,因为施加压力时,它们的原子不会排列在一起,因此,材料更硬,更脆。
纯度也会影响延展性,因为成分不纯,所以合金有很高的延展性。
大多数金属,随着温度的增加, 延展性也增加,但是铅和锡则刚刚相反,随温度的增加延展性降低。
脆性(Brittleness):
材料在外力作用下(如拉伸、冲击等),仅产生很小的变形即断裂破坏的性质。
脆性是和延展性相反的特性。
脆性材料在承受拉伸载荷时,会突然断裂而不会产生任何明显的伸长率。
负载行为下,伸长率小于5%的材料被称为脆性材料,例如玻璃,铸铁,黄铜和陶瓷等。
金属材料在低温下容易致脆,即所谓的“冷脆”现象,如碳钢,电影中常见使用液氮冷却金属后开锁,就是应用的这个原理。
另一个很流行的例子,是对泰坦尼克号沉没原因的猜测:有许多推测沉船的原因,其中有一个原因是冷水对船体的影响,天气太冷,达到了金属由延性向脆性过渡的温度Ductile-to-Brittle Transition Temperature (DBTT),从而增加了金属的脆性,并使其更易于损坏。
延展性是用于建造反应堆部件(例如反应堆容器)的钢的基本要求。因此,DBTT在这些容器的操作中具有重要意义,在这种情况下,晶粒的尺寸决定了金属的性能。
例如,较小的晶粒尺寸会提高抗拉强度,但这往往会增加延展性并导致DBTT降低。晶粒大小在反应堆容器的规格和制造中通过热处理来控制。还可以通过在低碳钢中少量添加某些合金元素(如镍和锰)来降低DBTT。
韧性(Toughness):
韧性的含义是,材料在实际断裂或破坏发生之前,可以吸收的能量的多少,它是材料承受弹性变形和塑性变形的能力。
在应力应变曲线图中,是曲线在断裂点以下与横轴围成的面积,面积越大,韧性越强。
金属材料在冲击力的作用下,抵抗破坏的能力叫冲击韧性,也叫冲击强度。
例如,如果将负载突然施加到一块低碳钢板和一块玻璃上,那么在发生故障之前,低碳钢将吸收更多的能量,所以低碳钢比玻璃更有韧性。
韧性的测试方法是用摆锤法,把摆锤放在初始高度H,然后放下让摆锤敲击试样,最后能够到达的高度为h,由摆锤的能量损失可以计算出材料的韧性K=mg(H-h)。
一般地,强度高,伴随着硬度高,即材料“发脆”,容易发生脆性断裂,不耐冲击。提高韧性的热处理方法,中碳钢可以调质处理。低碳钢渗碳淬火。
弹性能/弹性比功(Resilience):
为了了解弹性能,我们以弹簧为例。
在弹簧上施加一些载荷,使其变形并在其中存储一些能量,如果我们移除了该载荷,弹簧就恢复了其原始形状。
所以,弹性能是材料在发生弹性变形时吸收能量,并在卸载时返回能量的能力。
材料的这种特性在制造减震器,以及弹簧时很重要。
在应力-应变曲线图中,材料的弹性能,用弹性区域下方的面积表示。
如果用E表示材料的弹性模量,S0表示材料的弹性极限(胡克定律的极限应力),Ur表示弹性能。
那么,有如下的弹性能计算公式:Ur=S0^2/(2E)。
通过此式可见,要想提高弹性能,需要提高材料的弹性极限S0,这也是为什么,在制造弹簧的时候,热处理非常重要,因为它可以提高弹性极限,进而提高应变能。
下表列出了一些材料的弹性模量,弹性极限,以及弹性能。
强度,弹性变形,塑性变形,延展性,弹性能,韧性的关系:
材料抵抗外力不断裂的能力叫强度,强度越高抗力越大,例如钢,陶瓷。
材料在外力作用下,会发生变形,先发生弹性变形,再发生塑性变形,最后断裂。
弹性变形就是去掉外力后,还能恢复到原来形态,塑性变形就是去掉外力后,不能恢复到原来状态。
如果是受拉力作用,尺寸会增大,受压,尺寸会变小,整个塑性变形阶段增大的尺寸,与原来尺寸的比值就是延展性,而塑性变形阶段消耗的能量就是韧性。
塑性好,延性也好,他们表达的是一个意思,都表示材料塑性变形能力。
塑性好,就能承受很大的变形而不断裂,如铜,橡皮泥,但强度不一定高。
弹性好,就是弹性变形能力强,例如橡胶,橡皮筋等。
同样是描述材料变形能力的,但是弹性好,强度也不一定高,即承受的外力不一定很大,比如橡胶很容易在局部压坏。
材料从抵抗外力到断裂过程中,消耗掉的能量就是韧性,该定义的重点应放在断裂前吸收能量的能力上,包括了弹性变形阶段和塑性变形阶段的共同消耗的能量,韧性越好,从外力作用到断裂过程消耗的能量越多。
回想一下,延展性是衡量某些部件在断裂之前发生塑性变形的量度,但是仅仅因为材料具有延展性并不能使其坚韧。
所以,韧性是体现材料强度与塑性的一个综合指标,韧性好的材料,有着较高的强度和较好的的塑性,可以认为是有着较高的屈服强度,同时又有较高的延展性。
所以,韧性的关键是强度和延展性的良好结合。
从应力-应变曲线上说,纵坐标和横坐标都大的情况下,韧性最好,纵坐标(应力)要想增大,就是要强度高,横坐标增大就是塑性好,因此,可以说如果一个材料的强度和塑性都好,那么它的韧性肯定非常好。
但是从材料微结构上来讲,同时增加材料的强度和塑性是一个矛盾体,要想提高强度,希望原子间的结合力越大越好,但是要想增加塑性,反而不希望原子力太大,因此,如何同时提高材料的强度和韧性,是材料界始终面临的最大挑战。
蠕变(Creep):
当金属零件在高温下,长时间承受恒定应力时,它将经历缓慢且永久的变形,称为蠕变。
因此,蠕变是金属在恒定应力下的缓慢塑性变形,在静应力下会发生蠕变并导致破坏,此应力远小于通过快速加载而使样品失效的应力。
也就是说,即使初期应力很小,但是在高温下,经过长时间的暴露,材料抵抗破坏的能力下降。
在设计内燃机,锅炉和涡轮机时会考虑此属性。
蠕变分为三个阶段。
第一阶段,材料迅速伸长,但伸长速度降低。
第二阶段,伸长率是恒定的。
第三阶段,伸长率迅速增加,直到材料断裂。
蠕变速率是材料应力值、温度和暴露时间的函数。
在高温下会发生相当大的蠕变变形,从而导致机器和结构损坏。
因此,在高温下工作的热交换器,蒸汽锅炉和加压高温管道,喷气发动机和其他负载设备的设计和操作中,应考虑到这种现象。
软金属(铅,锡)在室温下可能会蠕变。
在室温下,在低于屈服点的任何应力下,蠕变都可以忽略不计。
但在高温下,机器和结构设计中,需要考虑蠕变强度。
使用具有大晶粒的金属可以减少蠕变,因为发生的晶界滑动较少,另外添加特定合金元素的合金,比如基于钴、镍和铁的合金,可以消除微结构空位,从而避免蠕变。
疲劳(Fatigue):
承受交变载荷的零件,工作时的应力小于屈服极限,但是经过一定的周期次数后发生断裂,这种现象称为疲劳断裂。
当应力小于某值时,材料在无限多次交变载荷作用下,也不会产生破坏,称这时的压力为疲劳强度或疲劳极限。
疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。
据统计,在机械零件失效中,大约有80%以上属于疲劳破坏,而且疲劳破坏前没有明显的变形,所以疲劳破坏经常造成重大事故。
所以对于轴、齿轮、叶片、弹簧等承受交变载荷的零件,要选择疲劳强度较好的材料来制造。
可加工性(Machinability):
可加工性是指金属等材料,易于切割,钻孔,研磨,成形等。
具有良好可加工性的材料,可以用相对较小的功率和低成本进行切割,不会过多地消耗刀具。
通常硬度,抗拉强度,微观结构,化学成分,刀具参数(刀具几何参数,材料,寿命等),切削参数(切削速度,进给量,切削液等),固定方式等都会影响加工性。
比如常用的铝材AL6061-T6,比较软,容易切削和钻孔。
再比如304不锈钢,加工时粘刀具,它的加工性就不如303不锈钢(与AISI304相比,AISI303添加了硫和磷)。
合金元素的存在,对可切削性的影响,远大于硬度对可切削性的影响。
比如,少量的硫和铅合金元素(小于0.2%),可以改善可切削性,而机械性能没有明显变化。虽然从历史上看,硫和铅一直是最常见的添加剂,但是由于环境原因,铋和锡越来越受欢迎。
这些添加剂,可以通过润滑刀具的切削界面,降低材料的剪切强度或增加切削的脆性来起作用。
另外,粗晶粒钢比细晶粒钢具有更好的切削加工性,因为细晶粒将具有更好的强度和硬度。
耐热钢和高温合金通常显示出差的可加工性,因为导热系数低,会在切削区域积聚热量,最终会降低刀具寿命。
下面是一些常用材料的可加工性:
(1) 钢材
钢中的碳含量极大地影响了其机械加工性。
高碳钢很难加工,因为它们坚韧并且可能包含碳化物,钢中存在的硬质合金会磨损切削刀具。
另一方面,低碳钢太麻烦了,因为它们太软了,低碳钢会“粘”在切削刀具上,导致废削堆积,缩短了刀具寿命。因此,中碳钢(碳含量约为0.3%)是最佳切削性能的选择。
铬,钼和其他合金元素通常添加到钢中以提高强度。但是,大多数这些元素会降低可加工性。如果存在夹杂物(氧化物),则会降低其切削性。
(2)不锈钢
与普通碳钢相比,不锈钢的可加工性较差,因为它们更坚硬,更粘刀具,并且往往会非常快速地硬化。
稍微硬化钢可以降低其胶粘性,使其更容易切割。
由于添加了硫和磷,AISI303和AISI416更易于加工。
(3)铝
虽然较软的材料往往会形成废屑的堆积,从而导致较差的表面光洁度,但是软材料,比如铝,通常也更容易加工。
为了获得适当的切削性,可以使用高切削速度,高前角和高后角。
铝合金2007、2011和6020具有特别好的切削性。
(4)热塑性塑料
热塑性塑料难于加工,因为它们的导热系数很差。
这会在切削区域中积聚热量,从而降低刀具寿命,并局部熔化塑料。
(5)复合材料
复合材料通常具有最差的可加工性,因为它们结合了塑料树脂的差导热性和陶瓷的坚硬耐磨性。
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