刚度,强度,韧性有什么区别?机械工程师须熟知的13大材料性能

刚度,强度,硬度,韧性有什么区别?机械工程师必须熟知的13大材料性能

公众号:罗罗日记

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。

图1:伸长量和拉力的关系,跟几何尺寸有关系

图2:应力和应变的关系,跟几何尺寸没有关系。 应力=力/截面积,应变=变形量/原长

图3:应力应变区域图,应变在Aut之前是均匀塑性变形,在Aut之后开始出现缩颈

图4:应力应变阶段图,从左到右依次经过比例极限,屈服点,抗拉强度,断裂。 从屈服点到抗拉强度之间的塑性变形又叫应力硬化,抗拉强度之后的变形因为是不均匀变形,所以叫缩颈。

图5:应力应变区域及阶段图,蓝色区域是弹性变形区域,黄色区域是塑性变形区域。 变形过程依次经过:比例极限A(胡克定律适用于此点之前的变形),弹性极限B/屈服点,低屈服点C,抗拉强度D,断裂点E。

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。

图6:弹性变形,外力卸载后,变形可以恢复

图7:塑性变形,外力卸载后,变形不能完全恢复

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。

不同载荷形式

压应力及剪切应力

简支梁的弯矩应力:中性层两侧分别受拉应力和压应力

简支梁的弯曲及剪切应力

不同载荷形式简表

铝合金的屈服强度,抗拉强度,延展性

不锈钢的屈服强度,抗拉强度,延展性

无明显屈服现象材料的屈服强度定义

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。

弹性模量:比例变形阶段E=σ/ε

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:

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。

蓝色区域是弹性变形区域,粉色区域是塑性变形区域

弹性变形示意图,变形可以完全恢复

塑性变形示意图,变形不可以完全恢复

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。

塑性变形示意图

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。

布氏硬度测试方法

布氏硬度表示方法

(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。

洛氏硬度测试方法

洛氏硬度测试压头和读数表

洛氏硬度表示方法

(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。

维氏硬度测试方法

维氏硬度表示方法

(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:

常用的几种硬度测试

不同的硬度测试归纳

几种硬度测试的优缺点

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。

硬度和抗拉强度的关系

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。

延性和晶胞结构的关系:面心立方>体心立方>密排六方

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。

面心立方晶胞:有4个滑移面,3个滑移方向

体心立方晶胞:有6个滑移面,2个滑移方向

密排六方晶胞:有1个滑移面,3个滑移方向

体心和面心立方晶胞滑移示意图

晶胞结构和延展性的关系

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。

延性和展性对比

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。

延性材料和脆性材料应力应变图

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。

脆性和延性断裂对比

延性和脆性失效对比

延性和脆性转变温度曲线

泰坦尼克号沉没及自由号轮船断裂

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。

韧性用面积表示=σε=(F/S0)*(ΔL/L0)=(F*ΔL)/(S0*L0)=W/V=能量/体积

韧性对比:金属>陶瓷>增强聚合物

韧性测试方法:K=mg(H-h)

韧性测试试样

延性试样断裂

脆性试样断裂

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。

弹性能/弹性比功

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。

几种材料的弹性能

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。

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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。

蠕变的三个阶段

蠕变应力应变曲线

温度对蠕变的影响

蠕变图:Rp1/10,000h/400°C=170 N/mm²表示材料在170 N /mm²的应力,和400°C的温度下,承受10000小时,塑性伸长1%。 Rm/10,000h/500°C=74 N /mm²意味着该材料在破裂之前,可以在500°C的温度下,承受74 N /mm²的应力共10000小时。

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。

疲劳测试试验台

应力周期:σm表示平均应力,σa表示应力幅,σmin表示最小应力,σmax表示最大应力

加载条件:应力比R=σmin/σmax

疲劳周期曲线,Nf表示疲劳寿命,σf表示疲劳极限

疲劳曲线

平均应力对疲劳寿命的影响:平均应力越大,寿命越小

体心立方材料有耐疲劳性能,面心立方材料没有耐疲劳性能

疲劳断裂应力机理

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)。

提高可加工性的一些添加元素

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。

不锈钢,工具钢及铝合金的可加工性:分数越大越容易加工

碳钢和合金钢的可加工性

塑料的可加工性

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