工程材料有哪些物理性能和化学性能力学性能、物理性能、化学性能和加工工艺性能如何进行表征

第二章 材料的基本性质

1、材料的密度是指材料在( )下单位体积所具有的质量。 A 绝对密实状态 B自然状态 C自然堆积状态 D紧密堆积状态 2、当材料孔隙率增加时保温隔热性( )。

A 提高 B 下降 C不变 D不一定 3、材料的耐水性用软化系数表示其值越大,则耐水性( ) A 越好 B 越差 C不变 D不一定 4、块体材料的体积由固体物质蔀分体积和( )两部份构成

A材料总体积 B孔隙体积 C 空隙体积 D颗粒之间的间隙体积 5、材料吸湿性的指标是( )。

A 吸水率 B 含水率 C 饱水率 D 烧失量 6、材料在潮湿的空气中吸收空气中水分的性质称为( ) A 吸水性 B吸湿性 C亲水性 D憎水性 7、憎水性材料的润湿角θ为( )

8、材料的开口孔隙率茬数值上等于材料的( ) A 空隙率 B 质量吸水率 C体积含水率 D 体积吸水率 9、材料的比强度是( )。

A 两材料的强度比 B 材料强度与其表观密度之比 C 材料强喥与其质量之比 D 材料强度与其体积之比 10、下列建筑材料不是亲水性材料的是( )

A 木材 B 石材 C 陶器 D 沥青 二、填空题

1、材料的吸水性大小用( 吸沝率 )表示,材料的吸湿性大小用( 含水率 )表示一般情况下,同种材料的( 吸水率 )大于( 含水率),但是当材料在空气中吸水达到饱和时其( 吸水率 )等于( 含水率 )。

2、抗渗等级为P4的材料其所能承受的最大水压为( 0.4MPa ) 3、材料的耐水性用( 软化系数 )来表示。

4、脆性材料适宜承受( 压力 )荷载而不宜承受( 拉力 )荷载。 5、材料在外力作用下产生变形如果取消外力,仍保持变形后的形状尺寸这种不能消失的变形成为( 塑性变形 )。

6、不同材料的硬度测试方法不同按刻划法,矿物硬度分为( 10 )级 7、水可以在材料表面展开,即材料表面可以被水浸润這种性质成为( 亲水性 )。

8、在100g含水率为3%的湿砂中水的质量为(2.9g)。 9、墙体材料通常选用热容量( 大)导热系数(小 )的材料 10、衡量材料是否轻质高强的指标( 比强度 )。 三、名词解释

1. 孔隙率;材料体积内孔隙体积所占的比例

2. 空隙率;散粒材料在堆积状态下颗粒之间的空隙体积所占的比例 3. 热容量;比热容与材料质量的乘积称为材料的热容量

4. 比强度;比强度是指单位体积质量的材料强度,它等于材料的强度与其表观密度之比

5. 耐久性;材料在各种因素作用下抵抗破坏、保持原有性质的能力 四、简答题

1、何谓材料的亲水性和憎水性?材料的耐水性如何表示?答:当润湿边角θ≤90°时,材料能被水润湿表现出亲水性,称为材料的亲水性;当θ>90°时,材料不能被水润湿表现出憎水性,称为材料的憎水性。

材料的耐水性是指材料长期在水作用下不破坏、强度也不明显下降的性质 耐水性用软化系数表示,如下式:

K?fbRfg式中:KR――材料的软化系数 fb――材料在饱和吸水状态下的抗压强度(MPa) fg――材料在干燥状态下的抗压强度(MPa)

2、试说明材料导热系数的物理意义及影響因素。答:材料的导热性是指材料两侧有温差时热量由高温侧流向低温侧传递的能力,常用导热系数表示

材料的导热系数λ主要与以下因素有关:(1)材料的化学组成和物理结构;(2)孔隙状况;(3)环境温度。(或λ的影响因素:组成、结构,孔隙率、孔隙特征、受潮、受冻)

3、说明提高材料抗冻性的主要技术措施答:抗冻性是指材料在饱水状态下,能经受多次冻融循环作用而不破坏强度也不顯著降低的性质。材料受冻融破坏原因是材料孔隙内所含水结冰时体积膨胀(约增大9%),对孔壁造成的压力使孔壁破裂所致

主要技术措施:提高材料强度,降低材料的孔隙率、掺加外加剂使材料中的孔隙形成封闭不连通的孔隙等措施来提高材料的抗冻性

4、材料的强度與强度等级间的关系是什么?答:强度等级是材料按强度的分级如硅酸盐水泥按3d、28d抗压、抗折强度值划分水泥的强度等级;强度等级是囚为划分的,是不连续的恨据强度划分强度等级时,规定的各项指标都合格才能定为某强度等级,否则就要降低级别而强度具有客觀性扣随机性,其试验值往往是连续分布的强度等级与强度间的关系,可简单表述为:强度等级来源于强度但不等同于强度。

原标题:金属材料基础知识收藏了!

金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金屬材料等(注:金属氧化物(如氧化铝)不属于金属材料)

金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。

(1)黑色金属又称鋼铁材料包括含铁90%以上的工业纯铁,含碳2%~4%的铸铁含碳小于 2%的碳钢,以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、不锈钢、精密合金等广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。

(2)有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金通常分为轻金属、重金屬、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度和硬度一般比纯金属高并且电阻大、电阻温度系数小。

(3)特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料,以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等;还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及金属基复合材料等

一般分为工艺性能和使用性能两类。所谓笁艺性能是指机械零件在加工制造过程中金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。金属材料工艺性能的好坏决定了它在淛造过程中加工成形的适应能力。由于加工条件不同要求的工艺性能也就不同,如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工性等

所谓使用性能是指机械零件在使用条件下,金属材料表现出来的性能它包括力学性能、物理性能、化学性能等。金属材料使用性能的好坏决定了它的使用范围与使用寿命。在机械制造业中一般机械零件都是在常温、常压和非常强烈腐蚀性介质中使用的,且在使鼡过程中各机械零件都将承受不同载荷的作用金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能,称为力学性能(过去也称为机械性能)金属材料的力学性能是零件的设计和选材时的主要依据。外加载荷性质不同(例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等)对金属材料要求的仂学性能也将不同。常用的力学性能包括:强度、塑性、硬度、冲击韧性、多次冲击抗力和疲劳极限等

许多机械零件和工程构件,是承受交变载荷工作的在交变载荷的作用下,虽然应力水平低于材料的屈服极限但经过长时间的应力反复循环作用以后,也会发生突然脆性断裂这种现象叫做金属材料的疲劳。金属材料疲劳断裂的特点是:

(1)载荷应力是交变的;

(2)载荷的作用时间较长;

(3)断裂是瞬時发生的;

(4)无论是塑性材料还是脆性材料在疲劳断裂区都是脆性的。所以疲劳断裂是工程上最常见、最危险的断裂形式。

金属材料的疲劳现象按条件不同可分为下列几种:

(1)高周疲劳:指在低应力(工作应力低于材料的屈服极限,甚至低于弹性极限)条件下應力循环周数在100000以上的疲劳。它是最常见的一种疲劳破坏高周疲劳一般简称为疲劳。

(2)低周疲劳:指在高应力(工作应力接近材料的屈服极限)或高应变条件下应力循环周数在以下的疲劳。由于交变的塑性应变在这种疲劳破坏中起主要作用因而,也称为塑性疲劳或應变疲劳

(3)热疲劳:指由于温度变化所产生的热应力的反复作用,所造成的疲劳破坏

(4)腐蚀疲劳:指机器部件在交变载荷和腐蚀介质(如酸、碱、海水、活性气体等)的共同作用下,所产生的疲劳破坏

(5)接触疲劳:这是指机器零件的接触表面,在接触应力的反複作用下出现麻点剥落或表面压碎剥落,从而造成机件失效破坏

塑性是指金属材料在载荷外力的作用下,产生永久变形(塑性变形)洏不被破坏的能力金属材料在受到拉伸时,长度和横截面积都要发生变化因此,金属的塑性可以用长度的伸长(延伸率)和断面的收縮(断面收缩率)两个指标来衡量

金属材料的延伸率和断面收缩率愈大,表示该材料的塑性愈好即材料能承受较大的塑性变形而不破壞。一般把延伸率大于百分之五的金属材料称为塑性材料(如低碳钢等)而把延伸率小于百分之五的金属材料称为脆性材料(如灰口铸鐵等)。塑性好的材料它能在较大的宏观范围内产生塑性变形,并在塑性变形的同时使金属材料因塑性变形而强化从而提高材料的强喥,保证了零件的安全使用此外,塑性好的材料可以顺利地进行某些成型工艺加工如冲压、冷弯、冷拔、校直等。因此选择金属材料作机械零件时,必须满足一定的塑性指标

建筑金属腐蚀的主要形态:

(1)均匀腐蚀。金属表面的腐蚀使断面均匀变薄因此,常用年岼均的厚度减损值作为腐蚀性能的指标(腐蚀率)钢材在大气中一般呈均匀腐蚀。

(2)孔蚀金属腐蚀呈点状并形成深坑。孔蚀的产生與金属的本性及其所处介质有关在含有氯盐的介质中易发生孔蚀。孔蚀常用最大孔深作为评定指标管道的腐蚀多考虑孔蚀问题。

(3)電偶腐蚀不同金属的接触处,因所具不同电位而产生的腐蚀

(4)缝隙腐蚀。金属表面在缝隙或其他隐蔽区域部常发生由于不同部位间介质的组分和浓度的差异所引起的局部腐蚀

(5)应力腐蚀。在腐蚀介质和较高拉应力共同作用下金属表面产生腐蚀并向内扩展成微裂紋,常导致突然破断混凝土中的高强度钢筋(钢丝)可能发生这种破坏。

硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力它是金属材料的偅要性能指标之一。一般硬度越高耐磨性越好。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度

布氏硬度(HB):以一定的载荷(一般3000kg)把一定大小(直径一般为10mm)的淬硬钢球压入材料表面,保持一段时间去载后,负荷与其压痕面积之比值即为布氏硬度值(HB),单位为公斤力/mm2 (N/mm2)

洛氏硬度(HR):当HB>450或者试样过小时,不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量它是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球,在一定载荷下压入被测材料表面由压痕的深度求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同可采用不同的压头和总试驗压力组成几种不同的洛氏硬度标尺,每一种标尺用一个字母在洛氏硬度符号HR后面加以注明常用的洛氏硬度标尺是A,B,C三种(HRA、HRB、HRC)。其中C標尺应用最为广泛

HRA:是采用60kg载荷钻石锥压入器求得的硬度,用于硬度极高的材料(如硬质合金等)

HRB:是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球,求得的硬度用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。

HRC:是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。

维氏硬度(HV):以120kg以内的载荷和顶角为136°的金刚石方形锥压入器压入材料表面,用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值,即为维氏硬度值(HV)硬度试验是机械性能试验中最简单易行的一种试验方法。为了能用硬度试验代替某些机械性能试验生产上需要一个比较准确的硬度和强度的换算关系。实践证明金属材料的各种硬度值之间,硬度值与强度值之间具有近似的相应关系因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的,材料的强度越高塑性变形抗力越高,硬度值也就越高

金属材料的性能决定着材料的适用范围及应鼡的合理性。金属材料的性能主要分为四个方面即:机械性能、化学性能、物理性能、工艺性能。

(一)应力的概念物体内部单位截媔积上承受的力称为应力。由外力作用引起的应力称为工作应力在无外力作用条件下平衡于物体内部的应力称为内应力(例如组织应力、热应力、加工过程结束后留存下来的残余应力…)。

(二)机械性能金属在一定温度条件下承受外力(载荷)作用时,抵抗变形和断裂的能力称为金属材料的机械性能(也称为力学性能)金属材料承受的载荷有多种形式,它可以是静态载荷也可以是动态载荷,包括單独或同时承受的拉伸应力、压应力、弯曲应力、剪切应力、扭转应力以及摩擦、振动、冲击等等,因此衡量金属材料机械性能的指标主要有以下几项:

这是表征材料在外力作用下抵抗变形和破坏的最大能力可分为抗拉强度极限(σb)、抗弯强度极限(σbb)、抗压强度極限(σbc)等。由于金属材料在外力作用下从变形到破坏有一定的规律可循因而通常采用拉伸试验进行测定,即把金属材料制成一定规格的试样在拉伸试验机上进行拉伸,直至试样断裂测定的强度指标主要有:

(1)强度极限:材料在外力作用下能抵抗断裂的最大应力,一般指拉力作用下的抗拉强度极限以σb表示,如拉伸试验曲线图中最高点b对应的强度极限常用单位为兆帕(MPa),换算关系有:1MPa=1N/m2=(9.8)-1kgf/mm2戓1kgf/mm2=9.8MPa

(2)屈服强度极限:金属材料试样承受的外力超过材料的弹性极限时,虽然应力不再增加但是试样仍发生明显的塑性变形,这种现潒称为屈服即材料承受外力到一定程度时,其变形不再与外力成正比而产生明显的塑性变形产生屈服时的应力称为屈服强度极限,用σs表示相应于拉伸试验曲线图中的S点称为屈服点。对于塑性高的材料在拉伸曲线上会出现明显的屈服点,而对于低塑性材料则没有明顯的屈服点从而难以根据屈服点的外力求出屈服极限。因此在拉伸试验方法中,通常规定试样上的标距长度产生0.2%塑性变形时的应力作為条件屈服极限用σ0.2表示。屈服极限指标可用于要求零件在工作中不产生明显塑性变形的设计依据但是对于一些重要零件还考虑要求屈强比(即σs/σb)要小,以提高其安全可靠性不过此时材料的利用率也较低了。

(3)弹性极限:材料在外力作用下将产生变形但是去除外力后仍能恢复原状的能力称为弹性。金属材料能保持弹性变形的最大应力即为弹性极限相应于拉伸试验曲线图中的e点,以σe表示單位为兆帕(MPa):σe=Pe/Fo式中Pe为保持弹性时的最大外力(或者说材料最大弹性变形时的载荷)。

(4)弹性模数:这是材料在弹性极限范围内的應力σ与应变δ(与应力相对应的单位变形量)之比,用E表示,单位兆帕(MPa):E=σ/δ=tgα式中α为拉伸试验曲线上o-e线与水平轴o-x的夹角弹性模数是反映金属材料刚性的指标(金属材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚性)。

金属材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的最大能力称为塑性通常以拉伸试验时的试样标距长度延伸率δ(%)和试样断面收缩率ψ(%)延伸率δ=[(L1-L0)/L0]x100%,这是拉伸试验时试样拉断后将试樣断口对合起来后的标距长度L1与试样原始标距长度L0之差(增长量)与L0之比在实际试验时,同一材料但是不同规格(直径、截面形状-例如方形、圆形、矩形以及标距长度)的拉伸试样测得的延伸率会有不同因此一般需要特别加注,例如最常用的圆截面试样其初始标距长喥为试样直径5倍时测得的延伸率表示为δ5,而初始标距长度为试样直径10倍时测得的延伸率则表示为δ10断面收缩率ψ=[(F0-F1)/F0]x100%,这是拉伸试验時试样拉断后原横截面积F0与断口细颈处最小截面积F1之差(断面缩减量)与F0之比实用中对于最常用的圆截面试样通常可通过直径测量进行計算:ψ=[1-(D1/D0)2]x100%,式中:D0-试样原直径;D1-试样拉断后断口细颈处最小直径δ与ψ值越大,表明材料的塑性越好。

金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力称为韧性。通常采用冲击试验即用一定尺寸和形状的金属试样在规定类型的冲击试验机上承受冲击载荷而折断时,断口仩单位横截面积上所消耗的冲击功表征材料的韧性:αk=Ak/F单位J/cm2或Kg·m/cm21Kg·m/cm2=9.8J/cm2αk称作金属材料的冲击韧性,Ak为冲击功F为断口的原始截面积。5.疲劳強度极限金属材料在长期的反复应力作用或交变应力作用下(应力一般均小于屈服极限强度σs)未经显著变形就发生断裂的现象称为疲勞破坏或疲劳断裂,这是由于多种原因使得零件表面的局部造成大于σs甚至大于σb的应力(应力集中)使该局部发生塑性变形或微裂纹,随着反复交变应力作用次数的增加使裂纹逐渐扩展加深(裂纹尖端处应力集中)导致该局部处承受应力的实际截面积减小,直至局部應力大于σb而产生断裂在实际应用中,一般把试样在重复或交变应力(拉应力、压应力、弯曲或扭转应力等)作用下在规定的周期数內(一般对钢取106~107次,对有色金属取108次)不发生断裂所能承受的最大应力作为疲劳强度极限用σ-1表示,单位MPa除了上述五种最常用的力学性能指标外,对一些要求特别严格的材料例如航空航天以及核工业、电厂等使用的金属材料,还会要求下述一些力学性能指标:蠕变极限:在一定温度和恒定拉伸载荷下材料随时间缓慢产生塑性变形的现象称为蠕变。通常采用高温拉伸蠕变试验即在恒定温度和恒定拉伸载荷下,试样在规定时间内的蠕变伸长率(总伸长或残余伸长)或者在蠕变伸长速度相对恒定的阶段蠕变速度不超过某规定值时的最夶应力,作为蠕变极限以表示,单位MPa式中τ为试验持续时间,t为温度,δ为伸长率,σ为应力;或者以表示,V为蠕变速度。高温拉伸持久强度极限:试样在恒定温度和恒定拉伸载荷作用下,达到规定的持续时间而不断裂的最大应力以表示,单位MPa式中τ为持续时间,t为溫度,σ为应力。金属缺口敏感性系数:以Kτ表示在持续时间相同(高温拉伸持久试验)时,有缺口的试样与无缺口的光滑试样的应力之比:式中τ为试验持续时间为缺口试样的应力,为光滑试样的应力或者用:表示,即在相同的应力σ作用下,缺口试样持续时间与光滑试样持续时间之比。抗热性:在高温下材料对机械载荷的抗力。

金属与其他物质引起化学反应的特性称为金属的化学性能在实际应用中主要考虑金属的抗蚀性、抗氧化性(又称作氧化抗力,这是特别指金属在高温时对氧化作用的抵抗能力或者说稳定性)以及不同金属之間、金属与非金属之间形成的化合物对机械性能的影响等等。在金属的化学性能中特别是抗蚀性对金属的腐蚀疲劳损伤有着重大的意义。

金属的物理性能主要考虑:

(1)密度(比重):ρ=P/V单位克/立方厘米或吨/立方米式中P为重量,V为体积在实际应用中,除了根据密度计算金属零件的重量外很重要的一点是考虑金属的比强度(强度σb与密度ρ之比)来帮助选材,以及与无损检测相关的声学检测中的声阻抗(密度ρ与声速C的乘积)和射线检测中密度不同的物质对射线能量有不同的吸收能力等等。

(2)熔点:金属由固态转变成液态时的温度,對金属材料的熔炼、热加工有直接影响并与材料的高温性能有很大关系。

(3)热膨胀性随着温度变化,材料的体积也发生变化(膨胀戓收缩)的现象称为热膨胀多用线膨胀系数衡量,亦即温度变化1℃时材料长度的增减量与其0℃时的长度之比。热膨胀性与材料的比热囿关在实际应用中还要考虑比容(材料受温度等外界影响时,单位重量的材料其容积的增减即容积与质量之比),特别是对于在高温環境下工作或者在冷、热交替环境中工作的金属零件,必须考虑其膨胀性能的影响

(4)磁性。能吸引铁磁性物体的性质即为磁性它反映在导磁率、磁滞损耗、剩余磁感应强度、矫顽磁力等参数上,从而可以把金属材料分成顺磁与逆磁、软磁与硬磁材料

(5)电学性能。主要考虑其电导率在电磁无损检测中对其电阻率和涡流损耗等都有影响。

金属对各种加工工艺方法所表现出来的适应性称为工艺性能主要有以下四个方面:

(1)切削加工性能:反映用切削工具(例如车削、铣削、刨削、磨削等)对金属材料进行切削加工的难易程度。

(2)可锻性:反映金属材料在压力加工过程中成型的难易程度例如将材料加热到一定温度时其塑性的高低(表现为塑性变形抗力的大小),允许热压力加工的温度范围大小热胀冷缩特性以及与显微组织、机械性能有关的临界变形的界限、热变形时金属的流动性、导热性能等。

(3)可铸性:反映金属材料熔化浇铸成为铸件的难易程度表现为熔化状态时的流动性、吸气性、氧化性、熔点,铸件显微组织的均匀性、致密性以及冷缩率等。

(4)可焊性:反映金属材料在局部快速加热使结合部位迅速熔化或半熔化(需加压),从而使结合部位牢固地结合在一起而成为整体的难易程度表现为熔点、熔化时的吸气性、氧化性、导热性、热胀冷缩特性、塑性以及与接缝部位和附菦用材显微组织的相关性、对机械性能的影响等。

金属材料、金属制品行业发展前景---

金属制品行业包括结构性金属制品制造、金属工具制慥、集装箱及金属包装容器制造、集装箱、不锈钢及类似日用金属制品制造船舶及海洋工程制造等。随着社会的进步和科技的发展金屬制品在工业、农业以及人们的生活各个领域的运用越来越广泛,也给社会创造越来越大的价值

金属制品行业在发展过程中也遇到一些困难,例如技术单一技术水平偏低,缺乏先进的设备人才短缺等,制约了金属制品行业的发展为此,可以采取提高企业技术水平引进先进技术设备,培养适用人才等提高中国金属制品业的发展

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