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今天日記有點長，我們直入主題。 先上圖，說說這張表里的13個材料性能。 其中部分性能我們會頻繁使用到，比如剛度，強度，硬度等。 9 Q+ Z! a+ M* C4 K+ \4 x2 `0 N
（由于上傳圖片限制，大量的圖無法上傳，如果需要看帶圖的全文，可以去我公眾號：羅羅日記） % v! H& L- p/ n) m
應力和應變： 我想，在說這13大性能之前，還是有必要說一下最基本的，也就是應力應變曲線。 低碳鋼是典型的可延展材料，做拉伸試驗時，會有如下的變形和拉力關系曲線。 應力應變階段圖，從左到右依次經過比例極限，屈服點，抗拉強度，斷裂。從屈服點到抗拉強度之間的塑性變形又叫應力硬化，抗拉強度之后的變形因為是不均勻變形，所以叫縮頸。 應力應變區域及階段圖，藍色區域是彈性變形區域，黃色區域是塑性變形區域。變形過程依次經過：比例極限A（胡克定律適用于此點之前的變形），彈性極限B／屈服點，低屈服點C，抗拉強度D，斷裂點E。 從圖可以看到，隨著應變的增加，材料依次經過：比例極限，屈服點，抗拉強度，斷裂點。 比例極限點之前的變形，即線彈性變形階段，胡克定律適用，此后胡克定律不適用。 屈服點，也叫彈性極限，材料屈服點之前的變形，可以完全恢復，經過屈服點后，材料的變形不可恢復。 把可以恢復的變形稱為彈性變形，不能恢復的變形稱為塑性變形。 彈性變形，外力卸載后，變形可以恢復 塑性變形，外力卸載后，變形不能完全恢復 強度（Strength）： 強度是指材料抵抗永久變形和斷裂的能力，即材料破壞時所需要的應力。 它的大小與材料本身的性質及受力形式有關。 根據載荷形式的不同，強度可以分為屈服強度（Yield Strength），抗拉強度（Tensile Strength），抗壓強度，抗剪強度，疲勞強度，沖擊強度等。 對于可延展材料，抗拉強度也叫極限強度（Ultimate Strength＝US，或Ultimate Tensile Strength=UTS），對于脆性材料，抗拉強度就是材料的斷裂強度（關于脆性和可延展性，我們在后面聊）。 工程上使用最多的是屈服強度和抗拉強度。 不同載荷形式 壓應力及剪切應力 簡支梁的彎矩應力：中性層兩側分別受拉應力和壓應力 簡支梁的彎曲及剪切應力 不同載荷形式簡表 鋁合金的屈服強度，抗拉強度，延展性 不銹鋼的屈服強度，抗拉強度，延展性 無明顯屈服現象材料的屈服強度定義 屈服強度：是材料發生屈服時的應力，亦即開始產生明顯塑性變形時的最小應力，對于無明顯屈服的金屬材料，例如高碳鋼，規定以產生0.2%殘余變形的應力值為其屈服強度。 大多數金屬材料都可以通過加工硬化，合金化，熱處理等，來提高屈服強度，以適應不同的應用。 抗拉強度：是材料在拉斷前承受的最大應力。是金屬由均勻塑性變形，向局部集中塑性變形過渡的臨界值，也是金屬在靜拉伸條件下的最大承載能力。 對于塑性材料，它表征材料最大均勻塑性變形的抗力，拉伸部件在承受最大拉應力之前，變形是均勻一致的，但超出之后，金屬開始出現縮頸現象，即產生集中變形。 對于沒有或只有很小塑性變形的脆性材料，它反映了材料的斷裂抗力。 剛度（Stiffness）： 剛度是指某構件或結構抵抗變形的能力，即引起單位變形時所需要的力，一般是針對構件或結構而言的。 它的大小不僅與材料本身的性質，比如彈性模量有關，而且與構件或結構的截面和形狀有關。 在應力－應變圖中，彈性模量指的是彈性變形階段線段的斜率，即引起單位彈性變形所需要的應力，它用來表征材料的剛性。 彈性模量：比例變形階段E=σ/ε 剛度在數值上等于使該點產生單位位移所需的力。 比如，結構上某處剛度為100N/mm，則使該處產生1mm位移就需要100N的力。 剛度在工程實踐中，是經常用到的概念，它和精度，結構的動態性能等息息相關。 例如，機床主軸要有足夠的剛度，以便在切削、加工時，徑向受力變形極小，從而保證加工尺寸精度、形狀精度等。 再比如，懸臂機械手臂，也要求有較好的剛度，這樣才能保證末端執行機構在取放物料時，不會引入過大的誤差，包括靜態和動態誤差。 提高剛度的措施有：提高截面尺寸面積，合理的支撐和跨度。截面形狀的優化，材料調質熱處理等。 強度和剛性的區別： ' d' e$ _! W* \: Y2 O/ {# u; |% c
強度和剛性的區別 為了形象地理解強度和剛性的區別，舉個玻璃和彈簧的例子，如上圖。 玻璃在外力作用下，不容易變形，但是容易碎掉，所以它剛性大，但強度低。 彈簧在外力作用下，容易變形，但是不容易破壞，所以它強度高，但是剛性差。 彈性（Elasticity）： 材料受外力之后，會發生變形。 其變形可分為彈性變形和塑性變形。 彈性變形的含義是，雖然在外力作用下材料發生形變，但是當外力除去后，形變可以恢復。 塑性變形則恰恰相反：在外力作用下材料發生形變，即使當外力除去后，形變也無法恢復。 藍色區域是彈性變形區域，粉色區域是塑性變形區域 彈性變形示意圖，變形可以完全恢復 塑性變形示意圖，變形不可以完全恢復 在外力作用下，材料首先發生彈性變形，但是當外力超過一定限度后，就會發生塑性變形。 這個外力限度，對應著應力－應變圖中的屈服極限，當載荷所引起的應力超過屈服強度，材料就會發生塑性變形。 材料彈性好，這個限度值就大，彈性不好這個限度值就很小。 材料在外力作用下，不發生塑性變形的能力就是彈性。 可塑性（Plasticity）： 可塑性定義為，材料在外載荷作用下，經受一定程度的永久變形，而不會破裂或破壞的能力。 當材料受力超過彈性范圍時，就會出現塑性變形。 對于金屬材料，僅在小于約0.005的應變下發生彈性變形，此后就會發生塑性變形，即不可恢復原來形狀的變形，此時應力－應變的胡克定律不再有效。 在原子水平上，塑性變形是由滑移引起的，其中位錯運動破壞了原子鍵，并形成了新的鍵。 塑性變形示意圖 材料的這種特性，在成型，擠壓以及許多其他熱加工，或冷加工過程中很重要。 可塑性通常用伸長率，或者斷面收縮率來表示。 該性質通常隨著材料溫度的升高而增加。 比如粘土，鉛等材料在室溫下具有可塑性，而鋼在鍛造溫度下才有可塑性。 低碳鋼可塑性好，一般通過沖壓、拉拔、搓滾加工。 提高塑性能力一般是退火熱處理。 硬度（Hardness）：硬度是材料抵抗局部塑性變形的能力。 在大多數情況下，局部變形是由于機械壓痕或磨損引起的。 所以，這個性質通常包括很多含義，比如材料抵抗刮擦，切割，磨損，壓痕，滲透等的能力。 直觀地理解，硬度就是一種金屬去切割另一種金屬的能力。 更硬的金屬，通常可以切更軟的金屬，或者可以在更軟的金屬表面做壓痕。 例如，刀具硬度高，才能切削金屬材料。 如果材料非常硬（淬火后），就需要磨削加工了，因為砂輪的磨料（磨粒）硬度更高。 提高金屬材料的硬度，可以用淬火，低碳鋼需要滲碳淬火（表面硬），中碳鋼、高碳鋼可以直接淬火。 常見的硬度測試方法有四種： （1）布氏硬度測試 在設定的時間內，以恒定的作用力，將硬質合金球壓入測試材料的表面，測量壓痕直徑，換算得到壓痕表面積，然后用力除以壓痕面積，得到布氏硬度值。此法是第一個廣泛應用于金屬硬度測試的方法，但會留下較大壓痕，且測試時間長，實用于粗糙表面測量。 布氏硬度測試方法 布氏硬度表示方法 （2）洛氏硬度測試 用錐角為120度的金剛石壓頭，或球形壓頭，以不同的力，分階段性壓入被測表面，測量壓入深度，并以此來表示硬度的大小，壓入越深，表示硬度越小。 洛氏硬度測試方法 洛氏硬度測試壓頭和讀數表 洛氏硬度表示方法 （3）維氏硬度測試 和布氏硬度測試方法雷同，只不過維氏測試壓頭，是夾角為136°的金剛石正四棱錐。通過測量壓痕對角線的長度，計算壓痕表面積，再用力除以表面積，得到硬度值。用于較小或較薄的材料測試。 維氏硬度測試方法 維氏硬度表示方法 （4）努氏硬度測試 該過程與維氏硬度測試相同，但使用菱形壓頭和顯微鏡測量系統測量壓痕長，寬，深等信息。努氏硬度測試，適用于載荷小于或等于1kgf的小而薄的零件。 幾種硬度測試方法對比： 常用的幾種硬度測試 不同的硬度測試歸納 幾種硬度測試的優缺點 強度和硬度的關系： 對于金屬，硬度和強度通常彼此相關，硬度越高，強度越大，有研究結果顯示，對于合金鋼，抗拉強度和布氏硬度之間有如下的關系：TS(MPa) = 3.45 × HB。 硬度和抗拉強度的關系 但是它們確實是材料的不同屬性。例如，玻璃具有高硬度，但是強度和韌性非常低，所以容易破裂。 另外，硬度并不能表征材料對沖擊力的反應。比如，即使鉆石是最堅硬的材料之一，但用大錘砸鉆石，還是很容易將其砸碎。 延展性： 延展性包含延性（Ductility）和展性（Malleability）。 延性（Ductility）： 指的是金屬在拉伸應力作用下，可以改變形狀，發生塑性變形，而不發生斷裂的能力。 簡單來說，拉伸延展，是指金屬可以拉成細線，例如銅線。 伸長率超過5%的材料稱為延性材料，小于5％的材料稱為脆性材料。 在工程實踐中，通常使用的延性材料包括：低碳鋼，銅，鋁，鎳，鋅，錫等。 延性和晶胞結構的關系：面心立方>體心立方>密排六方 展性（Malleability）： 指的是金屬在壓縮應力作用下，可以改變形狀，發生塑性變形而不破壞的能力。 壓簡單理解，延展是材料在施加壓力的情況下，被壓成薄片，而不會因熱或冷加工手段破裂的能力。 這種性質，允許將材料軋制或錘打成薄片。 在工程實踐中，通常使用的展性材料是鉛，軟鋼，鍛鐵，銅和鋁。 延展性影響因素：延性取決于材料的晶粒尺寸，展性取決于晶體結構。 較小的晶粒尺寸，因為阻力大，而使晶粒位錯運動更困難，所以，延性降低，反之亦然，晶粒較大時，延性變高。 面心立方晶胞：有4個滑移面，3個滑移方向 體心立方晶胞：有6個滑移面，2個滑移方向 密排六方晶胞：有1個滑移面，3個滑移方向 體心和面心立方晶胞滑移示意圖 晶胞結構和延展性的關系 大多數延性金屬，也具有展性。 例如金和銀，是延性和展性最好的兩種金屬。 但是，并不是所有金屬，都展示出兩種延展性。 例如，金有很好的延展性，這也是為什么，金在珠寶中很流行，可以做成各種形狀。但是鉛和鑄鐵，展性很好，但是延性很差。 其他有很好延性的金屬，比如金，銀，鐵，銅，鋁，錫和鋰。但是，銻和鉍展性就差，因為施加壓力時，它們的原子不會排列在一起，因此，材料更硬，更脆。 純度也會影響延展性，因為成分不純，所以合金有很高的延展性。 大多數金屬，隨著溫度的增加， 延展性也增加，但是鉛和錫則剛剛相反，隨溫度的增加延展性降低。 延性和展性對比 脆性（Brittleness）： 材料在外力作用下（如拉伸、沖擊等），僅產生很小的變形即斷裂破壞的性質。 脆性是和延展性相反的特性。 脆性材料在承受拉伸載荷時，會突然斷裂而不會產生任何明顯的伸長率。 負載行為下，伸長率小于5％的材料被稱為脆性材料，例如玻璃，鑄鐵，黃銅和陶瓷等。 延性材料和脆性材料應力應變圖 金屬材料在低溫下容易致脆，即所謂的“冷脆”現象，如碳鋼，電影中常見使用液氮冷卻金屬后開鎖，就是應用的這個原理。 另一個很流行的例子，是對泰坦尼克號沉沒原因的猜測：有許多推測沉船的原因，其中有一個原因是冷水對船體的影響，天氣太冷，達到了金屬由延性向脆性過渡的溫度Ductile-to-Brittle Transition Temperature (DBTT)，從而增加了金屬的脆性，并使其更易于損壞。 脆性和延性斷裂對比 延性和脆性失效對比 延性和脆性轉變溫度曲線 泰坦尼克號沉沒及自由號輪船斷裂 延展性是用于建造反應堆部件（例如反應堆容器）的鋼的基本要求。因此，DBTT在這些容器的操作中具有重要意義，在這種情況下，晶粒的尺寸決定了金屬的性能。 例如，較小的晶粒尺寸會提高抗拉強度，但這往往會增加延展性并導致DBTT降低。晶粒大小在反應堆容器的規格和制造中通過熱處理來控制。還可以通過在低碳鋼中少量添加某些合金元素（如鎳和錳）來降低DBTT。 韌性（Toughness）： 韌性的含義是，材料在實際斷裂或破壞發生之前，可以吸收的能量的多少，它是材料承受彈性變形和塑性變形的能力。 在應力應變曲線圖中，是曲線在斷裂點以下與橫軸圍成的面積，面積越大，韌性越強。 韌性用面積表示＝σε＝(F/S0)*(ΔL/L0)=(F*ΔL)/(S0*L0)=W/V=能量／體積 韌性對比：金屬>陶瓷>增強聚合物 韌性測試方法：K=mg(H-h) 韌性測試試樣 延性試樣斷裂 脆性試樣斷裂 金屬材料在沖擊力的作用下，抵抗破壞的能力叫沖擊韌性，也叫沖擊強度。 例如，如果將負載突然施加到一塊低碳鋼板和一塊玻璃上，那么在發生故障之前，低碳鋼將吸收更多的能量，所以低碳鋼比玻璃更有韌性。 韌性的測試方法是用擺錘法，把擺錘放在初始高度H，然后放下讓擺錘敲擊試樣，最后能夠到達的高度為h，由擺錘的能量損失可以計算出材料的韌性K＝mg(H-h)。 一般地，強度高，伴隨著硬度高，即材料“發脆”，容易發生脆性斷裂，不耐沖擊。提高韌性的熱處理方法，中碳鋼可以調質處理。低碳鋼滲碳淬火。 彈性能／彈性比功（Resilience）： 為了了解彈性能，我們以彈簧為例。 在彈簧上施加一些載荷，使其變形并在其中存儲一些能量，如果我們移除了該載荷，彈簧就恢復了其原始形狀。 所以，彈性能是材料在發生彈性變形時吸收能量，并在卸載時返回能量的能力。 材料的這種特性在制造減震器，以及彈簧時很重要。 在應力－應變曲線圖中，材料的彈性能，用彈性區域下方的面積表示。 彈性能/彈性比功 如果用E表示材料的彈性模量，S0表示材料的彈性極限（胡克定律的極限應力）， Ur表示彈性能。 那么，有如下的彈性能計算公式：Ur＝S0^2/(2E)。 通過此式可見，要想提高彈性能，需要提高材料的彈性極限S0，這也是為什么，在制造彈簧的時候，熱處理非常重要，因為它可以提高彈性極限，進而提高應變能。 下表列出了一些材料的彈性模量，彈性極限，以及彈性能。 幾種材料的彈性能 強度，彈性變形，塑性變形，延展性，彈性能，韌性的關系： 材料抵抗外力不斷裂的能力叫強度，強度越高抗力越大，例如鋼，陶瓷。 材料在外力作用下，會發生變形，先發生彈性變形，再發生塑性變形，最后斷裂。 彈性變形就是去掉外力后，還能恢復到原來形態，塑性變形就是去掉外力后，不能恢復到原來狀態。 如果是受拉力作用，尺寸會增大，受壓，尺寸會變小，整個塑性變形階段增大的尺寸，與原來尺寸的比值就是延展性，而塑性變形階段消耗的能量就是韌性。 塑性好，延性也好，他們表達的是一個意思，都表示材料塑性變形能力。 塑性好，就能承受很大的變形而不斷裂，如銅，橡皮泥，但強度不一定高。 彈性好，就是彈性變形能力強，例如橡膠，橡皮筋等。 同樣是描述材料變形能力的，但是彈性好，強度也不一定高，即承受的外力不一定很大，比如橡膠很容易在局部壓壞。 材料從抵抗外力到斷裂過程中，消耗掉的能量就是韌性，該定義的重點應放在斷裂前吸收能量的能力上，包括了彈性變形階段和塑性變形階段的共同消耗的能量，韌性越好，從外力作用到斷裂過程消耗的能量越多。 回想一下，延展性是衡量某些部件在斷裂之前發生塑性變形的量度，但是僅僅因為材料具有延展性并不能使其堅韌。 所以，韌性是體現材料強度與塑性的一個綜合指標，韌性好的材料，有著較高的強度和較好的的塑性，可以認為是有著較高的屈服強度，同時又有較高的延展性。 所以，韌性的關鍵是強度和延展性的良好結合。 強壯（強度），脆性，延展性，塑性材料的對比 塑料：強度，脆性，延展性，塑性材料的對比 高中低碳鋼：強度，韌性，延展性對比 剛度，強度，韌性之間的區別 彈性能和韌性的含義對比 彈性能和韌性的對比 延性和脆性對比 彈性和可塑性的對比 幾種材料的彈性能及韌性 幾種材料的參數對比：屈服強度，抗拉強度，彈性模量及價格 從應力-應變曲線上說，縱坐標和橫坐標都大的情況下，韌性最好，縱坐標（應力）要想增大，就是要強度高，橫坐標增大就是塑性好，因此，可以說如果一個材料的強度和塑性都好，那么它的韌性肯定非常好。 但是從材料微結構上來講，同時增加材料的強度和塑性是一個矛盾體，要想提高強度，希望原子間的結合力越大越好，但是要想增加塑性，反而不希望原子力太大，因此，如何同時提高材料的強度和韌性，是材料界始終面臨的最大挑戰。 蠕變（Creep）： 當金屬零件在高溫下，長時間承受恒定應力時，它將經歷緩慢且永久的變形，稱為蠕變。 因此，蠕變是金屬在恒定應力下的緩慢塑性變形，在靜應力下會發生蠕變并導致破壞，此應力遠小于通過快速加載而使樣品失效的應力。 也就是說，即使初期應力很小，但是在高溫下，經過長時間的暴露，材料抵抗破壞的能力下降。 在設計內燃機，鍋爐和渦輪機時會考慮此屬性。 蠕變分為三個階段。 第一階段，材料迅速伸長，但伸長速度降低。 第二階段，伸長率是恒定的。 第三階段，伸長率迅速增加，直到材料斷裂。 蠕變的三個階段 蠕變應力應變曲線 溫度對蠕變的影響 蠕變圖：Rp1/10,000h/400°C＝170 N/mm2表示材料在170 N /mm2的應力，和400°C的溫度下，承受10000小時，塑性伸長1％。Rm/10,000h/500°C＝74 N /mm2意味著該材料在破裂之前，可以在500°C的溫度下，承受74 N /mm2的應力共10000小時。 蠕變速率是材料應力值、溫度和暴露時間的函數。 在高溫下會發生相當大的蠕變變形，從而導致機器和結構損壞。 因此，在高溫下工作的熱交換器，蒸汽鍋爐和加壓高溫管道，噴氣發動機和其他負載設備的設計和操作中，應考慮到這種現象。 軟金屬（鉛，錫）在室溫下可能會蠕變。 在室溫下，在低于屈服點的任何應力下，蠕變都可以忽略不計。 但在高溫下，機器和結構設計中，需要考慮蠕變強度。 使用具有大晶粒的金屬可以減少蠕變，因為發生的晶界滑動較少，另外添加特定合金元素的合金，比如基于鈷、鎳和鐵的合金，可以消除微結構空位，從而避免蠕變。 疲勞（Fatigue）： 承受交變載荷的零件，工作時的應力小于屈服極限，但是經過一定的周期次數后發生斷裂，這種現象稱為疲勞斷裂。 當應力小于某值時，材料在無限多次交變載荷作用下，也不會產生破壞，稱這時的壓力為疲勞強度或疲勞極限。 疲勞破壞是機械零件失效的主要原因之一。 據統計，在機械零件失效中，大約有80%以上屬于疲勞破壞，而且疲勞破壞前沒有明顯的變形，所以疲勞破壞經常造成重大事故。 所以對于軸、齒輪、葉片、彈簧等承受交變載荷的零件，要選擇疲勞強度較好的材料來制造。 疲勞測試試驗臺 應力周期：σm表示平均應力，σa表示應力幅，σmin表示最小應力，σmax表示最大應力 加載條件：應力比R=σmin/σmax 疲勞周期曲線，Nf表示疲勞壽命，σf表示疲勞極限 疲勞曲線 平均應力對疲勞壽命的影響：平均應力越大，壽命越小 體心立方材料有耐疲勞性能，面心立方材料沒有耐疲勞性能 疲勞斷裂應力機理 可加工性（Machinability）： 可加工性是指金屬等材料，易于切割，鉆孔，研磨，成形等。 具有良好可加工性的材料，可以用相對較小的功率和低成本進行切割，不會過多地消耗刀具。 通常硬度，抗拉強度，微觀結構，化學成分，刀具參數（刀具幾何參數，材料，壽命等），切削參數（切削速度，進給量，切削液等），固定方式等都會影響加工性。 比如常用的鋁材AL6061-T6，比較軟，容易切削和鉆孔。 再比如304不銹鋼，加工時粘刀具，它的加工性就不如303不銹鋼（與AISI304相比，AISI303添加了硫和磷）。 提高可加工性的一些添加元素 合金元素的存在，對可切削性的影響，遠大于硬度對可切削性的影響。 比如，少量的硫和鉛合金元素（小于0.2％），可以改善可切削性，而機械性能沒有明顯變化。雖然從歷史上看，硫和鉛一直是最常見的添加劑，但是由于環境原因，鉍和錫越來越受歡迎。 這些添加劑，可以通過潤滑刀具的切削界面，降低材料的剪切強度或增加切削的脆性來起作用。 另外，粗晶粒鋼比細晶粒鋼具有更好的切削加工性，因為細晶粒將具有更好的強度和硬度。 耐熱鋼和高溫合金通常顯示出差的可加工性，因為導熱系數低，會在切削區域積聚熱量，最終會降低刀具壽命。 下面是一些常用材料的可加工性： （1） 鋼材 鋼中的碳含量極大地影響了其機械加工性。 高碳鋼很難加工，因為它們堅韌并且可能包含碳化物，鋼中存在的硬質合金會磨損切削刀具。 另一方面，低碳鋼太麻煩了，因為它們太軟了，低碳鋼會“粘”在切削刀具上，導致廢削堆積，縮短了刀具壽命。因此，中碳鋼（碳含量約為0.3％）是最佳切削性能的選擇。 鉻，鉬和其他合金元素通常添加到鋼中以提高強度。但是，大多數這些元素會降低可加工性。如果存在夾雜物（氧化物），則會降低其切削性。 （2）不銹鋼 與普通碳鋼相比，不銹鋼的可加工性較差，因為它們更堅硬，更粘刀具，并且往往會非常快速地硬化。 稍微硬化鋼可以降低其膠粘性，使其更容易切割。 由于添加了硫和磷，AISI303和AISI416更易于加工。 （3）鋁 雖然較軟的材料往往會形成廢屑的堆積，從而導致較差的表面光潔度，但是軟材料，比如鋁，通常也更容易加工。 為了獲得適當的切削性，可以使用高切削速度，高前角和高后角。 鋁合金2007、2011和6020具有特別好的切削性。 （4）熱塑性塑料 熱塑性塑料難于加工，因為它們的導熱系數很差。 這會在切削區域中積聚熱量，從而降低刀具壽命，并局部熔化塑料。 （5）復合材料 復合材料通常具有最差的可加工性，因為它們結合了塑料樹脂的差導熱性和陶瓷的堅硬耐磨性。 不銹鋼，工具鋼及鋁合金的可加工性：分數越大越容易加工 碳鋼和合金鋼的可加工性 塑料的可加工性 如果本文對你有用，記得給我點贊，你的支持是我幸福的源泉，謝謝。 : x) `& F: k6 _
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發表于 2020-10-19 23:56:33
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