第1章金属材料的力学性能

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,*,*,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,第,1,章 金属材料的力学性能,金属材料的工艺性能是指金属材料在制造机械零件和构件的过程中，适应各种冷、热加工的性能，也是金属材料采用某种加工方法制成成品的难易程度。它包括铸造性能、焊接性能、热处理性能、切削加工性能等。,金属材料的使用性能是指金属材料在使用条件下表现出来的性能。它包括物理性能、化学性能和力学性能。,金属材料的性能包括金属材料的工艺性能和使用性能。,金属的力学性能是指金属在外力作用下所显示与弹性和非弹性反应相关或涉及应力应变关系的性能，如强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。,.,强度与塑性,1.1.1,强度,金属抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度，强度大小通常用应力来表示。,根据载荷作用方式不同，强度可分为,抗拉强度；,抗压强度；,抗弯强度；,抗剪强度；,抗扭强度等。,通过拉伸试验可测定抗拉强度。,1,拉伸试验,图,1-3,低碳钢的力伸长曲线,图中纵坐标表示力,F,，单位为,N,；横坐标表示绝对伸长,l,，单位为,mm,。,图,1-3,中表现出四个变形阶段：,oe,：弹性变形阶段。,F,e,是试样保持最大弹性变形的最大拉伸力。,es,：屈服阶段。当载荷增加到,F,s,时，图上出现平台或锯齿状，产生屈服现象。即在载荷不增加或略有减少的情况下，试样继续发生变形的现象叫做屈服。此时的载荷,Fs,称为屈服载荷。,sb,：强化阶段。随着塑性变形增大，试样变形抗力也逐渐增加，这种现象称为形变强化（或称加工硬化）。,F,b,为拉伸试验时试样所能承受的最大载荷。,bk,：缩颈阶段（局部塑性变形阶段）。当载荷达到最大值,F,b,时，试样的直径发生局部收缩，称为缩颈。,图,1-3,中表现出四个变形阶段：,oe,：弹性变形阶段,。,F,e,是试样保持最大弹性变形的最大拉伸力。,es,：屈服阶段,。当载荷增加到,F,s,时，图上出现平台或锯齿状，产生屈服现象。即在载荷不增加或略有减少的情况下，试样继续发生变形的现象叫做屈服。此时的载荷,Fs,称为屈服载荷。,sb,：强化阶段,。随着塑性变形增大，试样变形抗力也逐渐增加，这种现象称为形变强化（或称加工硬化）。,F,b,为拉伸试验时试样所能承受的最大载荷。,bk,：缩颈阶段,（局部塑性变形阶段）。当载荷达到最大值,F,b,时，试样的直径发生局部收缩，称为缩颈。,2,强度指标,(1),屈服强度和规定残余延伸强度,(,R,r0.2,),屈服现象：试样在试验过程中，力不增加（保持恒定）仍能继续伸长（变形）时的现象。,屈服强度：当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点。,屈服强度分为上屈服强度（,R,eH,）和下屈服强度（,R,eL,）。,图,1-4,不同类型曲线的上屈服强度和下屈服强度,下屈服强度计算公式为：,R,eL,F,eL,/S,0,（,N/mm,2,）,式中：,F,eL,试样屈服时的载荷（,N,）；,S,0,试样原始横截面积（,mm,2,）。,对于塑性很低的金属材料（如铸铁），不仅没有明显的屈服现象，而且也不产生缩颈。,图,1-5,为铸铁的力伸长曲线。,对于无明显屈服现象的金属材料,规定残余伸长应力：试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余延伸达到规定原始标距百分比时的应力。表示此应力的符号，应附以下角标说明所规定的百分率。,规定残余延伸强度,R,r,例如,R,r0.2,表示规定残余延伸率为,0.2,时的应力。,其计算公式为：,R,r0.2,F,r0.2,/S,0,（,N/mm,2,）,式中：,F,r0.2,残余延伸率达,0.2,时的载荷（,N,）；,S,0,试样原始横截面积（,mm2,）。,图,1-6,规定残余伸长应力示意图,(2),抗拉强度,R,m,材料在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度。,其计算公式为：,R,m,F,m,/,S,0,（,N/mm,2,）,式中：,F,m,试样承受的最大载荷（,N,）；,S,0,试样原始横截面积（,mm,2,）。,1.1.2,塑性,塑性,:,断裂前金属材料产生永久变形的能力。,常用拉伸试样断裂时的最大相对变形量来表示塑性指标。,一般塑性指标是指断后伸长率和断面收缩率，它们是通过拉伸试验测得的。,1,断后伸长率,A,断后伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为。,其计算公式如下：,A,（,L,0,L,u,）,/,L,0,100,式中：,L,u,试样拉断后的标距（,mm,）；,L,0,试样的原始标距（,mm,）。,2,断面收缩率,Z,断面收缩率：试样拉断后，缩颈处截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。,其计算公式如下：,Z,（,S,0,S,u,）,/,S,0,100,式中：,S,0,试样原始横截面积（,mm,2,）；,S,u,试样拉断处的最小横截面积（,mm,2,）。,1.2,硬度,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。,硬度试验属无损检验。,硬度试验的方法很多，有压入硬度试验法（如布氏硬度、洛氏硬度等）；划痕硬度试验法（莫氏硬度）；回跳硬度试验法（肖氏硬度）等，生产中常用的是压入硬度试验法。,1.2.1,布氏硬度,根据,GB231-84,规定,:,布氏硬度试验是用一定直径钢球或硬质合金球，以相应的试验力,压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力，用测量表面压痕直径,d,来计算硬度的一种压痕硬度试验。,图,1-7,布氏硬度的试验原理示意图,布什硬度计,布氏硬度的表示方法规定：,符号,HBS,或,HBW,之前的数字为硬度值，符号后面按球体直径、试验力保持时间（,10,15s,不标注）的顺序用数值表示试验条件,.,例如：,1,120HBS10/1000/30,2,500HBW5/750,布氏硬度的特点是试验时金属材料表面压痕大，能在较大范围内反映材料的平均硬度，测得的硬度值也较准确，数据重复性强。,布氏硬度测量法适用于铸铁、非铁合金、各种退火及调质的钢材。,布氏硬度测试法不宜测定太硬、太小、太薄和表面不允许有较大压痕的试样或工件。,1.2.2,洛氏硬度,根据,GB230-91,规定：洛氏硬度试验是在初始试验力,F0,及总试验力,F0,F1,先后作用下，将压头（金刚石圆锥体或钢球）压入试样表面，经规定保持时间后卸除主试验力,F1,，用测量的残余压痕深度增量计算硬度。,图,1,8,用金刚石圆锥体压头进行洛氏硬度试验原理示意图及洛氏硬度计,。,h,1,-,h,0,洛氏硬度测试示意图,测量洛氏硬度常用的标尺有,A,、,B,、,C,三种。,洛氏硬度相应地可分为,HRA,、,HRB,、,HRC,三种。,洛氏硬度的标注法规定：硬度数值写在符号的前面，,HR,后面写使用的标尺。,例如：,52HRC,、,70HRA,等。,表,1-1,常用的三种洛氏硬度试验条件及应用范围,1.2.3,维氏硬度,维氏硬度试验基本上和布氏硬度试验相同。将相对面夹角为,136,的正四棱锥体金刚石压头，以选定的试验力,49.03,980.7N,压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力，用测量压痕对角线的长度来计算硬度。,维氏硬度的表示方法规定为：,HV,前面为硬度值，,HV,后面的数字按顺序表示试验条件。,如：,640HV30,、,640HV30/20,等。,图,1-9,为维氏硬度试验原理示意图,1.3,冲击韧性与疲劳强度,1.3.1,冲击韧性,金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为韧性。,目前，常用一次摆锤冲击弯曲试验、小能量多次冲击实验来测定金属材料的韧性。,1,冲击韧度,把带有缺口的标准试样放在一次摆锤试验机上，测定金属承受冲击载荷的能力。,冲击韧度是冲击试样缺口处单位横截面积上的冲击吸收功。,计算公式如下：,K,A,K,/,S,0,（,J/cm,2,）,图,1-10,冲击试验原理示意图,2,小能量多次冲击,实践表明，承受冲击载荷的机械零件，很少因一次大能量冲击而遭破坏，绝大多数是在小能量多次冲击作用下而破坏的。,实践证明,金属材料在受到能量很大、冲击次数很少的冲击载荷作用时，其冲击抗力主要取决于冲击值,K,；,小能量多次冲击条件下，其冲击抗力主要取决于材料的强度和塑性两项指标。,小能量多次冲击的脆断问题，主要取决于材料的强度；,较大能量较少次冲击的脆断问题主要取决于材料的塑性。,1.3.2,疲劳强度,交变应力是指应力的大小和方向均随时间作周期性变化的应力（也称循环应力）。,常见的交变应力是对称循环交变应力，,R,max,/,R,min,-1,。,疲劳是指材料在交变应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累及损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。,图,1-11,对称循环交变应力图,1,疲劳破坏,疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。,引起疲劳断裂的应力很低，且疲劳断裂时没有明显的宏观的塑性变形，断裂前没有预兆，而是突然地破坏。,(1),疲劳破坏过程,疲劳破坏的过程可分为裂纹萌生、裂纹扩展和瞬时断裂三个阶段。,裂纹的萌生和扩展是一个复杂的过程。与零部件的外形、尺寸、应力交变类型以及所处的介质等有很大关系。尤其在氧化物、硫化物等非金属夹杂物和钢件表面的沟漕、螺纹根部、加工刀痕等处，更易诱发裂纹。,(2),疲劳破坏的宏观断口,疲劳破坏的宏观断口由：,（,1,）疲劳裂纹的微裂源,（,2,）疲劳裂纹的扩展区（光滑部分）,（,3,）最后断裂区（毛糙部分）三部分组成。,(3),疲劳曲线和疲劳强度,疲劳试验是在疲劳试验机上模拟实际中的工作情况，为试件提供变动应力、绘出稳定参数的实验。,实验室常用的疲劳试验机为对称循环应力作用下的旋转弯曲疲劳试验机（包括纯弯曲和悬臂弯曲两种）。,疲劳曲线和疲劳强度是通过疲劳试验测定的。,金属材料的疲劳曲线是指材料承受一定的交变应力,R,与断裂时相应的循环次数,的关系曲线，也叫,R,曲线。,当交变应力,R,越大，,则破坏试样的应力,循环次数,越少；,反之，交变应力,R,越小，,则应力循环次数,越多。,当应力低于一定值时，,试样可以经受无限周期循环而不破坏。,疲劳强度是指材料承受无限次应力循环而不破坏的最大应力值。,对于交变应力（,R,max,/,R,min,1,），疲劳强度用,R,-1,表示。,通常规定钢铁材料的循环基数取,10,7,，非铁合金取,10,8,。,在设计、制造、各类机械零件时，应尽量采用合理的结构形状，避免表面划伤、腐蚀，尽可能采用表面强化方法等手段，尽可能降低残余内应力，避免发生疲劳破坏。,