资源描述
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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,*,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,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,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,*,1.1,金属材料力学性能的主要指标,1.1.1,1.1.2,强度、刚度与塑性,硬度,1.2,常用力学性能指标在选材中的意义,第,1,章 金属材料的力学性能,1.1.3,冲击韧性,1.1.4,疲劳强度,1.1.5,金属材料的断裂韧度,1.2.1,1.2.2,刚度与弹性,硬度和强度,1.2.3,塑性和冲击韧性,1.2.4,断裂韧度,1.2.5,材料强度、塑性与韧性的合理配合,1,本章重点内容,学习目的,1.,金属材料常用,的力学性能指标,及意义,1.,掌握力学性能指标及意义,2.,了解拉伸实验过程及相关指标概念和意义。,3.,了解各种硬度实验测试方法和应用范围。,4.,了解冲击实验方法和所测指标的意义。,2,金属材料的,性能,是指用来表征材料在给定外界条,件下的行为参量，包括使用性能和工艺性能。,第,1,章,3,第,1,章 金属材料的力学性能,使用性能,：是指金属材料在使用条件下所表现出来,的性能。,工艺性能,：是指制造工艺过程中材料适应加工的性能,如：铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性,热处理工艺性,如：力学性能、物理性能、化学性能,第,1,章,4,1.1,金属材料力学性能的主要指标,由于多数机械零件是在常温、常压、非强烈腐,蚀性介质中工作，而且在使用过程中受到不同性质载荷（外力）的作用，所以设计零（构）件、选用材料、鉴定工艺质量时大多,以力学性能为,主要依据,外力形式：,拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等。,载荷形式：,静载荷、冲击载荷、交变载荷等。,1.1.1,强度、刚度与塑性,金属材料在外力作用时表现出来的性能,。,力学性能,指标,：,强度、刚度、硬度、塑性、韧性等。,1.1,强度、刚度与塑性,5,第,1,章,静载单向静拉伸实验,应力 （,）：单位横截面积的内力,标准拉伸试样：长试样,L,0,=10d,0,短试样,L,0,=5d,0,1.1,金属材料力学性能的主要指标,1.1.1,强度、刚度与塑性,第,1,章,6,静载单向静拉伸应力,应变曲线,1.1.1,强度、刚度与塑性,7,静载单向静拉伸应力,应变曲线,第,1,章,分析拉伸实验：,oe,弹性变形,阶段,csd,屈服,阶段,db,强化,阶段,bk,缩颈,阶段,k,试样,断裂,1.1.1,强度、刚度与塑性,第,1,章,8,1,、强度,（,1,） 弹性极限,e,材料拉伸时保持弹性变形，不发生永久变形的最大应力。,单位,: MPa(MN/mm,2,),金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力。,（,2,）屈服极限,s,（屈服强度或屈服点）,s,=Fs/So,（,MPa,）,金属材料开始发生明显塑性变形的抗力。,e,=Fe/So,（,MPa,）,条件屈服强度,0. 2,规定残余伸长率为,0. 2%,时的应力值。,(,L=0.2%L,O,),用于无屈服点的中高碳钢，,脆性材料：灰口铸铁,。,1.1.1,强度、刚度与塑性,第,1,章,9,（,3,）抗拉强度,b,（强度极限）,是试样被拉断前的所能承受的最大应力,b,=,Fb,/So,（,MPa,）,材料抵抗外力而不致断裂的最大应力值,屈强比,s,与,b,的比值。,屈强比愈小，工程构件的可靠性愈高，,屈强比太小，则材料强度的有效利用率太低。,2,、刚度,表示材料抵抗弹性变形的能力。,弹性模量,E,E=,/,弹性模量,应力应变的比值。单位,MPa,1.1.1,强度、刚度与塑性,第,1,章,10,E,愈大，刚度越大，弹性变形越不容易进行。,3.,塑性,断后伸长率,断面收缩率,是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标,。,材料在断裂前发生塑性变形的能力,1.1.1,强度、刚度与塑性,第,1,章,11,、,越大，材料塑性越好,1.1.2.,硬度,材料抵抗局部变形、特别是塑性变形、压痕或划痕的能力,。,硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念，,硬度试验简单易行，又无损于零件，而且可以近似的推算出材料的其它机械性能，因此在生产和科研中应用广泛,断面收缩率不受试样尺寸的影响,硬度试验方法很多，机械工业普遍采用压入法来测定硬度，,压入法又分为,布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度,等。,1.1.1,强度、刚度与塑性,第,1,章,12,1,、,布氏硬度,（,1,）布氏硬度测定的原理,是把一定直径的,淬火钢球或硬质合金球,，以规定的,载荷,F,压入,被测材料表面，,保持一定时间,后,卸除载荷,，,测出压痕直径,d,，求出压痕面积，实验载荷除以球面压痕表面积所得的商即为,布氏硬度,。,选压头,加载,保荷,卸载,测压痕,计算或查表,得硬度值,1.1.1,强度、刚度与塑性,第,1,章,13,布氏硬度测试原理示意图,材料,种类,布氏硬度使用范围,(HBS),球直径,D/mm,0.102F/D,2,试验载荷,F/N,试验载荷,保持时间,t/s,注,钢,铸铁,140,10,5,2.5,30,29420,7355,1839,10,压痕中心距试样边缘距离不应小于压痕平均直径的,2.5,倍,两相邻压痕中心距离不应小于压痕平均直径的,4,倍,试样厚度至少应为压痕深度的,10,倍。试验后，试样支撑面应无可见变形痕迹,140,10,5,2.5,10,9807,2452,613,10,15,非,铁,金,属,材,料,130,10,5,2.5,30,29420,7355,1839,30,35,130,10,5,2.5,10,（,5,或,15,）,9807,2452,613,30,35,10,5,2.5,2.5,（或,1.25,）,2452,613,153,60,布氏硬度的试验规范,14,1.1.1,强度、刚度与塑性,第,1,章,15,布氏硬度测定主要适用于,各种未经淬火的钢、退火、,正火状态的钢；结构钢调质件；铸铁、有色金属、质地,轻软的轴承合金等原材料。,标注：如,120HBS10/1000/10,，即表示用直径,D=10mm,的淬火钢球压头在,1000kgf,（,9.8KN,）的试验载荷作用下，保持,10,秒所测得布氏硬度值为,120,。,HBS,只可用来测定硬度值小于,450,的金属材料,500HBW5/750,表示用直径,D=5mm,的硬质合金球压头在,750kgf,（,7.35KN,）的试验载荷作用下，保持,10-15,秒（不标注）所测得布氏硬度值为,500,。,HBW,可用来测定硬度值,450-650,的金属材料,（,2,）布氏硬度的表示方法,1.1.1,强度、刚度与塑性,第,1,章,16,2,、洛氏硬度,（,HR,）,洛氏硬度就是以,主载荷引起的,残余压入深度,来表示,硬度值,。,硬度值的大小直接由硬度计表盘上读出,（,1,）洛氏硬度测试原理,洛氏硬度测定时需要先后,施加二次载荷,（初载荷,F,0,和主载荷,F,1,）,预加载荷的目的是使压头与试样表面接触良好,以保证测量结果准确。,1.1.1,强度、刚度与塑性,第,1,章,17,洛氏硬度实验原理示意图,1.1.1,强度、刚度与塑性,第,1,章,18,(2),洛氏硬度表示方法,如,40,45HRC,常见洛氏硬度的试验条件及应用范围,硬度符号,压头,总载荷,（,kgf,）,表盘上刻度颜色,常用硬度值范围,使用范围,HRA,金钢石圆锥,60,黑 色,2085,碳化物、硬质合金、表面淬火层等,HRB,1.5875mm,钢球,100,红 色,25100,有色金属、退火及正火钢等,HRC,金钢石圆锥,150,黑 色,2067,调质钢、淬火钢等,15,1.1.1,强度、刚度与塑性,第,1,章,19,(3),特点与应用,洛氏硬度测定仅产生很小压痕，并不损坏零件，因而适合于,成品检验,和,较薄工件,。,设备简单，操作迅速方便。但测一点无代表性，,不准确，需多点测量，然后取平均值。洛氏硬度可用,来测定各种金属材料的硬度,。,不宜用来测定极薄工件及氮化层、金属镀层等的硬度,洛氏硬度无单位，各标尺之间没有直接的对应关系。,1.1.1,强度、刚度与塑性,第,1,章,20,3,、,维氏硬度（,HV,）,为了从软到硬的各种金属材料有一个连续一致的,硬度标度，因而制定了维氏硬度试验法。,是用一种顶角为,136,的正四棱锥体,金钢压头,，在,载荷,F,（,kgf,）作用下，试样表面压出一个,四方锥形压痕,，测量压痕,对角线长度,d,（,mm,）供以计算试样的硬度值。,根据,d,值查表即可得到,硬度值,。,（,1,）维氏硬度试验法原理,1.1.1,强度、刚度与塑性,第,1,章,21,维氏硬度试验主要用来测定金属镀层、薄片金属以及化学热处理（如氮化、渗碳等）后的表面硬度。,维氏硬度用符号,HV,表示，,HV,前面为硬度值，,HV,后面的数字按试验载荷、试验载荷保持时间（,10,15s,不标注）的顺序表示试验条件。例如,：,（,2,）维氏硬度的表示方法,640HV30,表示用,294.2N,（,30kgf,）的试验载荷，保持,10,15s,（,不标出）测定的,维氏硬度值为,640,；,640HV30/20,表示用,294.2N,（,30kgf,）的试验载荷，保持,20s,测定的,维氏硬度值为,640,。,1.1.1,强度、刚度与塑性,第,1,章,22,1.1.3.,冲击韧性,（,A,k,或,a,k,）,韧性,：材料断裂前吸收变形能量的能力,冲击韧性：冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。,a,k,=,冲击破坏所消耗的功,A,k,/,标准试样断口截面积,F,单位为焦耳,/,厘米,（,J/cm,）,a,k,值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形,a,k,值高，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性材料。,A,k,=mg(h,1,-h,2,),冲击吸收功（,A,k,）,：,单位为焦耳,冲击韧度,（,a,k,）,：,韧脆转变温度：,冲击吸收功急剧 变化或断口韧性急,剧转变的温度区域,1.1.1,强度、刚度与塑性,第,1,章,23,冲击韧性实验,A,k,=mg(h,1,-h,2,),冲击吸收功还与试样形状、尺寸、表面粗糙度、,内部组织和缺陷等有关，所以冲击吸收功一般只能,作为选材的参考，而不能直接用于强度计算。,在不同温度的冲击试验中，冲击吸收功急剧变,断口韧性急剧转变的温度区域，,称为韧脆转变温度,。,韧脆转变温度越低，材料的低温抗冲击性能越好。,选择金属材料时，应使该材料的韧脆转变温度,低于其服役环境的最低温度。,冲击吸收功与温度有关，,A,k,值随温度降低而减小。,1.1.1,强度、刚度与塑性,第,1,章,24,1.1.4.,疲劳强度,-,1,1.1.1,强度、刚度与塑性,第,1,章,25,80%,的断裂由疲劳造成,1.,疲劳断裂：,材料在,承受大小和方同随时间作周期性变化 （包括交变应力和重复）的载荷作用下，往往,在远小于强 度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂,。,2.,疲劳强度（疲劳极限）：,材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。,循环基数：钢铁材料,10,；非铁金属,10,；腐蚀介质作用下,10,7,陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低，金属材料疲劳强度,较高，纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能。,影响因素,：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、,表面状态、残余应力等。,8,6,1.1.5.,金属材料的断裂韧度,有些,高强度,材料的零（构）件往往在远,低于屈服点,的状态下发生脆性,断裂,；,中、低强度,的重型零（构）件、大型结构件,也有,类似情况,1.1.1,强度、刚度与塑性,第,1,章,26,2,、裂纹扩展的基本形式,1,、低应力脆断,3,、断裂韧度及其应用,1.1.1,强度、刚度与塑性,第,1,章,27,单位为,MPam,1/2,当材料中存在裂纹时，裂纹尖端附近某点处的实际,应力值与施加应力 （,称为名义应力）裂纹半长,a,及外力施力点距裂纹尖端的距离有关。施加的应,力在裂纹尖端附近形成了一个应力场，为表述该应,力场的强度，引入应力场强度因子的概念。,应力场强度因子,当,K,I,达到某一临界值时，就能使裂纹尖端附,加的内应力达到材料的断裂强度，,裂纹,将发生,突,然的失稳扩展,，导致,构件脆断,。这时,所对应的应,力场强度因子,K,I,就称为材料的断裂韧度,，用,K,IC,表示。,K,IC,的单位与,K,I,相同，,它表示材料抵抗裂纹,失稳 扩展（即抵抗脆性断裂）的能力,。,1.1.1,强度、刚度与塑性,第,1,章,28,断裂韧度,已知材料的工作应力和最大裂纹尺寸，可以算出应力场强度因子,K,I,，根据应力场强度因子和断裂韧度的相对大小，可,判断材料在受力时，是否会因为裂纹失稳扩展而断裂。,1.1.1,强度、刚度与塑性,第,1,章,29,断裂韧度的应用,已知,K,IC,，可根据工作应力，,确定材料中允许存,在的、不会失稳扩展的最大裂纹长度；,根据材料已存在的裂纹长度，,确定材料能够承受,的不致脆断的最大应力。,1.2,常用力学性能指标在选材中的意义,1.2,常用力学性能指标在选材中的意 义,第,1,章,30,1,、刚度,刚度和弹性,当零件的尺寸和外加载荷一定时，材料的,弹性模,量,E,（或切变模量,G,）越高，,零件的弹性变形量越小，,则,刚度越好,。,1.2.1,例如：一根承受弯曲载荷的轴，在轴的长度和截,面尺寸及外加载荷相同的情况下，分别选用钢、铝合,金、聚苯乙烯这三种材料进行比较,它们的弹性模量,E,的比为,21104MPa,：,7104MPa,：,0.35104MPa,，三者的弹性挠曲变形量之比则为,1:3:60,，即钢轴弹性挠曲变形为,1cm,，铝合金轴为,3cm,，聚苯乙烯轴为,60cm,，显然，钢轴的刚度最好。,1.2.1,刚度与弹性,第,1,章,31,未来是你们的,在不同的加载方式下，比刚度可分别以,E/,、,/,、,/,等表示。例如，飞机机翼的加载方,式为平板受弯曲，其比刚度应以,/,来度量。若,选用钢和铝合金比较，由于钢的密度为,7.8g/cm,3,，,铝合金的密度为,2.7g/cm,3,，则钢的比刚度为,0.76,，,铝合金为,1.5,，是钢的两倍，因此，飞机机翼应选,用铝合金制造。,1.2.1,刚度与弹性,第,1,章,32,如果要在给定的弹性变形量下，,要求零件的重量最轻，则必须按照比刚度进行选材。,2,、弹性,材料的弹性极限,越高和弹性模量,E,越低，则弹性能越大,零件的弹性越好。,工程结构中的弹簧都选用弹性模量较大，弹性极限或屈服,强度较高的材料。,如汽车板弹簧，常选用合金弹簧钢经淬火,+,中温回火，以获得尽可能高的弹性极限和屈服强度。,1.2.1,刚度与弹性,第,1,章,弹性元件在工作时，不仅要满足弹性要求，还要满足强度要求,33,硬度和强度,1,、硬度,1.2.2,1.2.2,硬度和强度,第,1,章,34,硬度高，耐磨性就好,，一般情况下，在一定的处理工艺下,，,只要硬度达到了规定的要求，其他性能也基本能达到要求。,同样的硬度可以通过不同的处理工艺得到。,2,、强度,=,/K,承受纯剪或纯拉的零件,，,可直接作为设计的依据，,并取,K=1.1,1.3,；,屈服强度,承受交变接触应力,的零件，除保证表面高硬度外，要适当,提高,零件心部,屈服强度,；,抗拉强度,1.2.2,硬度和强度,第,1,章,35,疲劳断裂：,通常也以抗拉强度来衡量疲劳强度的高低,塑性低的材料,：,抗拉强度作为两种不同材料或同一材料在两种不同热处,理状态下性能比较的标准。,=,/K,承受弯曲和扭转,的轴类零件，只要求一定的淬硬层深，,对于零件,心部的屈服强度不需做过高要求,。,低应力脆断,的零件，其承载能力决定于材料的韧性，应适当地,降低,材料的,屈服强度,；,1.2.3,塑性和冲击韧性,第,1,章,36,塑性和冲击韧性,1.2.3,1,、塑性,塑性指标,、,只能表示在单向拉伸应力状态下的塑性，不能反映应力,集中、工作温度、零件尺寸等对断裂强度的影响，因此,不能可靠的避免零件脆断。,是材料产生塑性变形使应力重新分,布而减少应力集中的能力的度量。,冲击韧性指标,或,表征在有缺口时材料塑性变形,的不足。,2.,冲击韧性,的能力，反映了应力集中和复杂应力状态下材料的塑性，而且对温度很敏感，正好弥补了,、,由于影响材料冲击韧性的因素很多，,1.2.4,断裂韧度,第,1,章,37,不能定量的用于设计,。,断裂韧度,1.2.4,低应力脆断为主要危险时，其承载能力取决于材料的断裂韧度，应该根据断裂韧度,K,IC,选材 。,或,材料强度、塑性与韧性的合理配合,1.2.5,1.2.5,材料强度、塑性与韧性的合理配合,第,1,章,38,通常材料的强度与塑性、韧性是互相矛盾的，强度高，则,塑性、韧性低。传统设计中，为防止零件发生脆断，一般,选定较高的,、 和 或 值，势必造成零件尺寸,增大，而又未必能保证零件工作安全可靠，因为大多数机,件的断裂是由高周疲劳引起的，因强度不足而发生早期疲,劳断裂时，往往塑性、韧性尚有余。,如果选用强度、塑性和韧性都好的高级材料，又会使零,件成本提高。所以，在零构件的设计中，必须兼顾材料的,强度、塑性与韧性。,1.2.5,材料强度、塑性与韧性的合理配合,第,1,章,39,以高周疲劳断裂为主要危险的零件,，在,1400MPa,范围内，,提高材料强度，适当降低塑性、韧性,。,这类中低强,度材料的断裂韧度较高，,可以用工作应力,K,若,1400MPa,，,随强度增加，其疲劳寿命可能会,对于以低应力脆断为主要危险的零件，应该,反而降低。,用断裂韧度来选材。,来计算和选材，,提高屈服强度可以提高零件的允许工作,应力和减轻零件的重量,。,
展开阅读全文