第一章--金属的力学性能

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,材料的性能,使用性能,工艺性能,物理性能,化学性能,力学性能,热处理性能,铸造性能,焊接性能,锻造性能,切削加工性能,(,指金属材料在使用过程中表现出的性能,),(,指金属材料在加工过程中表现出的性能,),金属材料的力学性能,-,是指金属材料在受外力作用时所反映出来的性能。,思考,如果把铁丝和钢丝折弯有何区别,?,常用的力学性能主要有,：强度、硬度、塑性、冲击韧度和疲劳强度等。,研究力学性能意义,：是选择和使用金属材料的重要依据,第一节 刚度、强度、塑性,一、拉伸试验及拉伸曲线,OE,段：,弹性变形,阶段；,平台或锯齿（,E,S,段,）：,屈服,阶段；,SB,段：,均匀塑性变形,阶段，是强化阶段。,B,点,：形成了“缩颈”。,BK,段：,非均匀变形,阶段，承载下降，到,K,点断裂。,弹性变形,去除外力后试样恢复原状的变形,塑性变形,在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形,1,、变形过程,2、应力与应变曲线,应力,：,单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积,S,0,表示:,F,= ( M pa ),S,0,应变,：,单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原始标距表示:,l,= ,l,0,应力应变曲线,（,-,曲线）,形状和拉伸曲线基本相同，单位不同,思考,怎样比较不同材料抵抗外力能力的大小？,2、应力与应变曲线,比例极限（,p,）,例,:,弹簧秤,弹性极限（,e,）,如,:,弹簧,屈服极限（,s,）,抗拉极限,(,b,),二、刚度,是表征金属材料抵抗弹性变形的能力,E,式中的,E,为与材料有关的常数，称为弹性模量，工程上常用,E,作为衡量材料刚度的指标。,弹性模量主要取决于金属材料的种类，即金属的本性（晶格类型、晶格常数等）。一般机械零件大都在弹性状态下工作，对刚度有一定要求，如机床主轴、起重机臂等，在使用时不允许产生过量的弹性变形。,三、强度,金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力,工程上,常用,的金属材料的,强度指标,：,屈服点（,s,）或规定残余伸长应力（,r,）,抗拉强度,(,b,),屈服点,（,s,）,:,指材料产生屈服时的应力,规定残余伸长率为0.2%时的应力,材料屈服时的拉力（,N）,屈服点,（屈服极限）,原标准（,GB228-76）：,屈服强度,很重要，大多数零件不允许有塑性变形,规定残余伸长应力,:,对有明显屈服现象的材料,对无明显屈服现象的材料,抗拉强度,(b),:,材料在拉伸条件下所能承受最大拉力的应力值,拉伸过程中最大的拉力（,N）,若零件在使用时不允许产生过量塑性变形，应以材料的,s,或,r0.2,进行设计计算。,若零件在使用时只要求不发生破坏，则以材料的,b,来设计计算。,因此,s,和,b,是机械零件设计计算的主要依据。,很重要，表示零件破坏前能抗的最大应力值,四、塑性,在外力作用下金属材料在断裂前产生不可逆永久变形的能力,常用的塑性判据,：,拉伸时的,断后伸长率,和,断面收缩率,1、断后伸长率,由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率,数值不同，因此应注明试样尺寸比例。如,:,10,试样,L,0,=10d,0,5,试样,L,0,=5d,0,试样拉断后的标距（,mm）,试样原始标距（,mm）,2、断面收缩率,试样断裂后缩颈处的最小横截面积（,mm,2,）,试样原始截面积（,mm,2,）,和,是用来判断材料在断裂前所能产生的最大塑性变形量大小。,一般认为,5,的材料为塑性材料，如低碳钢；,5,的为脆性材料，如灰铸铁,.,塑性对材料的意义,:,1.,是金属材料进行压力加工的必要条件,;,2.,提高安全性,:,因为零件在工作时万一超载，也会由于塑性变形使材料强化而避免突然断裂,第二节 冲击韧性,在设计和制造受冲击载荷的零件和工具（如锻锤、冲床、铆钉枪等）时，必须考虑所用材料的冲击吸收功或冲击韧度。,一、摆锤式一次冲击试验,把试样放在试验机的支承面上，试样的缺口背向摆锤冲击方向。将质量为,m,的摆锤安放到规定的高度,H，,然后下落，将试样打断，并摆过支点升到某一高度,h，,试样在冲击试验力一次作用下，折断时所吸收的功为冲击吸收功为,Ak。,1、试样冲断时所消耗的,冲击功,A,k,为:,A,k,= m g H m g h (J),2、,冲击韧度,a,k,A,K,a,k,= (J/cm,),S,k,二、冲击吸收功和冲击韧度,就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。,冲击吸收功,A,k,作为材料韧性判据，与温度、试样形状、尺寸、表面粗糙度、内部组织和缺陷有关。,1.,冲击韧度对材料内部缺陷反映很敏感,能够灵敏地显示材料的宏观缺陷和组织微小变化，因此在生产中可用来检验材料的冶金质量,热加工质量,冲击韧度对材料的意义,:,2.,冲击韧度随温度下降越来越低,冷脆现象,在韧脆转变温度以下，材料由韧性状态转变为脆性状态。材料的韧脆转变温度越低，说明低温冲击性能越好,第四节 疲劳强度,材料的疲劳：,材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产,生局部永久性,累计损伤,，经一定循环次数后产生,裂纹或突然发生完全断裂的过程。,在多次交变应力作用，金属会在远小于抗拉强度,b，,甚至小于屈服点,s,的应力下失效（出现裂纹或完全断裂）,疲劳破坏的原因：,应力集中微裂纹扩展断裂破坏。,疲劳强度（,-1,） ：,金属材料经无穷多次（钢材,10,7,）应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力值。,第四节 硬 度,硬度：,硬度试验方法,:,压入法,它是材料性能的一个综合的物理量。,(,表示金属材料在一个小的体积范围内金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力）,布氏硬度（,HB,）,洛氏硬度（,HR,）,维氏硬度（,HV,）,一、布氏硬度,1、测定原理,布氏硬度计,2、计算公式,HBS：,淬火钢球作压头；适用于,450HBS,HBW：,硬质合金作压头；适用于,650HBW,试验时，根据被测的材料不同，球直径、试验力及试验力保持时间按表,1-1,选择,表1-1 布氏硬度试验规范,3、表示方法,XXX HBS(W) XX / XXX / XX,硬度值,压头直径（,mm）,试验力保持,时间,（s）,试验力（,0.102N）,500HBW5/750,例：,表示用直径5,mm,硬质合金球在7355,N,试验力作用下保持1015,s,测得的布氏硬度值为500,120HBS10/1000/30,表示用直径10,mm,钢球压头在9807,N,试验力作用下保持30,s,测得的布氏硬度值为120,习惯上布氏硬度值不标出试验规范，如,170HBS,。,4、适用范围,常用于测小于,450HBS,的原材料或零件毛坯的硬度，不能测淬火钢件的硬度。,优点：试验数据准确,、,稳定,缺点：测试较麻烦,;,压痕大，不适合成品检验,二、洛氏硬度,测,定,原,理,试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表,1-2,选择，对应的洛氏硬度标尺为,HRA、HRB、HRC,三种,表1-2 常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围,2、符号,3、表示方法,硬度值+,HR,例：,52HRC,70,HRA,4、适用范围,洛氏硬度,HRC,可以用于硬度很高的材料，在钢件热处理质量检查中应用最多。,优点：测量迅速简便，压痕小，可在成品零件上检测 。,缺点,:,准确性不够。,三、维氏硬度,1、测定原理,用一定的试验力,F,，将顶角为,136,0,的金刚石四棱锥压入金属表面，保持一定时间后卸去试验力，然后测出压痕对角线长度,d,1,、,d,2,（,mm,），并求出压痕对角线的平均值,d,。,2、计算公式,3、表示方法,硬度值+,HV+,试验力,/,保持时间,如：,640HV30/20,4、适用范围,适用于测量零件薄的表面硬化层的硬度。,一、判断题,1.,有些没有明显屈服现象的金属材料其屈服点可用符号,r0.2,表示,2.,一般来说硬度高的金属材料耐磨性也好。,3.,压痕直径越大，材料硬度越高。,4.,甲零件的硬度为,250HBS,，乙零件的硬度为,52HRC,，则甲比乙的硬度高。,5.,材料在受力时抵抗弹性变形的能力称为刚度。,6.,材料在多次交变载荷作用下的破坏现象称为疲劳。,7.,强度高的材料，韧性都低。,8.,冲击吸收功是机械零件设计选材的主要依据。,9.,某些机械零件工作时承受应力远小于材料的屈服点，也能发生突然性断裂。,10.,拉伸试验时，试样的伸长量与拉伸力总成正比。,11.,屈服点代表试样在试验过程中力不增加，而仍能继续伸长（变形）时的应力。,12.,金属材料的硬度越高，其抵抗局部弹性变形能力越强。,二、选择题,1,、拉伸试验可测定材料的（ ）。,A.,强度,B.,硬度,C.,塑性,D.,韧性,2,、材料在动载荷作用下表现的力学性能是（ ）。,A.b B C.Ak D. ,-1,3.,在设计机械零件时多用（ ）作为强度判据。,A.b B C.Ak D. s E.,4.,试样在拉伸过程中，力不增加仍能继续伸长时的应力称（ ）,A.,屈服力,B.,疲劳强度,C.,屈服点,5.,测量钢车刀、锉刀的硬度，应选用（ ）。,A.HRA B.HRB C.HRC,6.,测量有色金属及合金的硬度，应选用（ ）。,A.HRA B.HRB C.HRC D.HBS,作业一,熟悉拉伸曲线,掌握强度、塑性及硬度指标，了解这些指标在工程上的应用,课后习题：,（,1,）某工厂买回一批材料（要求：,s230MPa；b410MPa；,5,23%；50%）,做短试样,（,0,=5,0,；,0,=10,mm）,拉伸试验，结果如下：,Fs=19KN，Fb=34.5KN；l,1,=63.1mm；d,1,=6.3mm;,问买回的材料合格吗？,（,2,）下列硬度要求或写法是否正确？为什么？,12HRC,15HRC,，,550HBS,600HBS,，,70HRC,75HRC,，,HBS30,HBS40,，,HRC50kgf/mm,2,HRC60kgf/mm,2,