第一章金属材料力学性能课件

第一章金属材料力学性能,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,*,机械工程材料,第一章金属材料力学性能,第一章 金属材料的力学性能,第一节 强度、刚度、弹性及塑性,第二节 硬度,第三节 冲击韧性,第四节 断裂韧度,第五节 疲劳,第一章金属材料力学性能,材料的性能是表征材料在外界条件作用下的行为。,材料的性能主要体现在两个方面:,1.使用性能： 2.工艺性能：,第一章金属材料力学性能,金属材料的性能,1）,使用性能,力学性能、物理性能、化学性能。,力学性能,（机械性能）,材料在不同环境因素,下抵抗外加载荷作用的能力。,(,强度、塑性、刚度、弹性、硬度、冲击韧性、断裂韧度、疲劳等,),2）工艺性能,：在各种加工过程中表现出来的性能。,(,铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削性能,),第一章金属材料力学性能,第一节,强度、刚度、弹性及塑性,静载荷,是指对材料缓慢地施加载荷，使材料的相对变形速度较小（一般小于,0.01,mm/s,）。,动载荷,（1）是指加载速度比较快，使材料的塑性变形速度也较快的冲击载荷。,（2）作用力大小与方向作周期性变化的交变载荷。,第一章金属材料力学性能,一、,低碳钢应力应变曲线,标准拉伸试样（,GB2282002）,L,0,试样原始标距长度,（,mm）,d,0,试样的原始直径（,mm,）,长试样,L,0,=10d,0,；,短试样,L,0,=5d,0,第一章金属材料力学性能,静拉伸试验机,第一章金属材料力学性能,第一章金属材料力学性能,1,、低碳钢拉伸曲线,第一章金属材料力学性能,曲线分为四阶段：,1弹性变形阶段,拉力加大到,Fp,时,为直线阶段。,第一章金属材料力学性能,2阶段,屈服变形,屈服拉力：,Fs,第一章金属材料力学性能,3阶段,III,为较均匀的塑性变形阶段,F,b,为材料所能承受的最大载荷,第一章金属材料力学性能,4阶段,IV,局部集中塑性变形出现颈缩 断裂,第一章金属材料力学性能,2,、,低碳钢应力应变曲线,=F/A,0,=L/ L,0,L=L,k,L,0,低碳钢拉伸曲线,第一章金属材料力学性能,低碳钢应力应变曲线,第一章金属材料力学性能,弹性变形,是指当外力解除后变形能够全部消除恢复原状的变形。,弹性模量,材料产生单位弹性变形所需应力。,E=/= tg,材料刚度,工程上表征材料抵抗弹性变形能力。,二、刚度和弹性,1,、弹性模量,第一章金属材料力学性能,弹性极限,e,= F,e,/A,0,物理意义,材料在不产生塑性变形时所能承受的最大应力值。,（极）微量塑性变形零件设计与选材的重要依据。,2,、弹性极限,第一章金属材料力学性能,强度,是指在外力作用下，材料抵抗永久变形和断裂的能力。,屈服点（屈服强度）,：,s,= F,s,/A,0,物理意义材料在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力，即材料抵抗微量塑性变形的能力。,屈服强度是机械零件设计的主要依据。,三、材料的强度,1、屈服点,s,第一章金属材料力学性能,许多材料在受力时无明显屈服点，如中高碳钢、合金钢和有色合金材料等。将发生0.2%残余应变时的应力作为屈服强度，用,0.2,表示。,第一章金属材料力学性能,2、抗拉强度,抗拉强度,b,= F,b,/A,0,物理意义材料断裂前所承受的最大应力值，表示材料抵抗断裂的能力。,屈强比,s,/,b,材料的屈强比愈小，构件的可靠性愈高。,第一章金属材料力学性能,四、材料的塑性,1、伸长率,材料塑性,：材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。,伸长率,：,试样拉断后标距长度的相对伸长值。,短试样的伸长率记为,5,（L,0,=5d,0,）,长试样的伸长率记为,10,或,（L,0,=10d,0,）,对于同一种塑性材料,5,10,第一章金属材料力学性能,2、断面收缩率,断面收缩率,：,是指试样拉断后断口处横截面积的相对收缩值。,断面收缩率与试样尺寸无关；,金属材料只有具备足够的塑性才能承受各种变形加工。,第一章金属材料力学性能,屈服强度,s,or,0,.2,抗拉强度,b,刚度,E,弹性极限,e,塑性,第一章金属材料力学性能,第二节 硬度,硬度,是衡量材料软硬程度的力学性能指标，是材料抵抗局部塑性变形的能力，或者说抵抗硬物压入的能力。,重要零件或零件的重要部位大多规定硬度值：,（1）硬度测量简便迅速，不需做试样,不需破坏试件；（2）多数金属材料抗拉强度可根据硬度值进行估算；（,3,）硬度与材料的加工性能存在一定的联系。,硬度计种类：,布氏硬度（,HB）、,洛氏硬度（,HR）、,维氏硬度（,HV）,第一章金属材料力学性能,一、布氏硬度（,HB）,物理意义：压痕表面上单位面积所承受的压力。,第一章金属材料力学性能,布氏硬度测量原理及计算,图 3 布氏硬度原理图,工件,压头,第一章金属材料力学性能,布氏硬度的表示方法,标准写法：布氏硬度值 ，布氏硬度符号，测试条件（压头直径,mm/,试验力,kgf/,试验力作用时间,s）。,如：200,HBS 2.5/187.5/30,简单写法：200,HBS,淬火钢球压头,HBS,最大有效测量值为450,HBS,硬质合金压头,HBW,最大有效测量值为650,HBW,第一章金属材料力学性能,二、洛氏硬度（,HR）,洛氏硬度,是以压头压入金属材料的,压痕深度,来表征材料的硬度。,压头,：1）锥顶角为120,的金刚石圆锥；,2）,1.588mm,的淬火钢球。,压痕的深度直接可用百分表测出来，不需另外的测量和计算，十分方便，,效率高,，是实际生产中使用最普遍的一种硬度测量方法。,第一章金属材料力学性能,洛氏硬度计,洛氏硬度测量原理,h,为压痕深度,金刚石压头,k=0.2,刚球压头,k=0.26,P,0,为初载荷,P,1,为主载荷,P= P,0,+ P,1,图 4 洛氏硬度原理图,h,第一章金属材料力学性能,三种洛氏硬度试验条件,标值,压头类型,初载荷,（kgf）,总载荷,（,kgf）,测试范围,应用举例,HRA,120,0,金刚石圆锥,10,60,2088,硬质合金、表面淬硬层、渗碳层,HRB,1.588mm,淬火钢球,10,100,2,0100,有色金属、退火钢、正火钢,HRC,120,0,金刚石圆锥,10,150,20,70,淬火钢、调质钢, 总载荷=初载荷+主载荷,第一章金属材料力学性能,维氏硬度计,维氏硬度试验原理,维氏硬度压痕,三、维氏硬度（,HV,）,第一章金属材料力学性能,维氏硬度原理（,HV）,1,、维氏硬度：,以正四棱锥金刚石,为压头的硬度测量方法。,2、,维氏硬度,定义：,与布氏硬度相,同，即压痕表面上单位面积所,承受的压力。,3、硬度值计算公式：,图 5 维氏硬度原理图,第一章金属材料力学性能,布氏硬度,压痕面积大，代表性好（准确），效率低；适合测试硬度较低的材料；不适合测量薄件和成品件。,洛氏硬度,压痕面积小，代表性较差，通常要取三点平均值作为测试结果；测试极为方便，最为常用；一般用于较高硬度的测量。,维氏硬度,非常准确；从低硬度到高硬度均可测量；测试设备昂贵，科学研究用该方法较多。,各种硬度值可进行粗略换算：,三种硬度测试方法优缺点,HBWHV10HRC,第一章金属材料力学性能,第三节 冲击韧性,静载荷,是指对材料缓慢地施加载荷，使材料的相对变形速度较小时的载荷（一般是小于0.01,mm/s）。,动载荷,（1）是指加载速度比较快，使材料的塑性变形速度较快的冲击载荷，锻床、冲床等。（2）作用力大小与方向作周期性变化的交变载荷，如轴、弹簧、齿轮等。,第一章金属材料力学性能,一、冲击韧性,冲击韧性,：金属材料在冲击载荷作用下，抵抗破坏的能力。用冲击吸收功来衡量材料的冲击韧性。,计算公式：,冲击韧度：,A,k,=mgH,第一章金属材料力学性能,摆锤冲击试验,第一章金属材料力学性能,试样种类,尺寸：,10,mm,10mm,55mm,无缺口,V,型缺口,U,型缺口,第一章金属材料力学性能,对于一般常用钢材来说，冲击吸收功越大，材料的韧性越好。,材料的冲击韧度值除了取决于材料本身之外，还与,环境温度,及,缺口的状况,密切相关。,冲击韧度除了用来表征材料的韧性大小外，还用来测量,韧脆转变温度,。,冲击韧度反映材料的,冶金质量,和,热加工产品质量,。,二、冲击试验应用,第一章金属材料力学性能,韧脆转变温度,第一章金属材料力学性能,Ductile and Brittle Fractures,Ductile fracture,Brittle Fracture,39,第一章金属材料力学性能,1943,年美国,T-2,油轮发生断裂,第四节 断裂韧度,材料在屈服强度以下发生的断裂称为低应力脆断。,材料中总是存在缺陷，在应力作用下，裂纹将发生扩展，一旦扩展失稳，就会发生低应力脆性断裂。,材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力称为断裂韧度。,第一章金属材料力学性能,一、裂纹扩展形式,Mode ,：张开型,Mode ,：滑开型,Mode ,：撕开型,第一章金属材料力学性能,材料存在缺陷，使材料内部结构不连续，可把缺陷看成是材料的裂纹，在裂纹尖端前沿有应力集中产生，形成一个裂纹尖端应力场。在材料承受载荷后，可能导致已有微裂纹的扩展，当裂纹尺寸到达某个临界值时突然断裂。,第一章金属材料力学性能,二、应力场强度因子与断裂韧度,裂纹的尖端前沿存在应力集中，形成裂纹尖端的应力场，大小可用应力强度因子,K,1,来描述：,应力强度因子的临界值称为材料的,断裂韧度,，用,K,Ic,表示。,它反应材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力，是强度和韧性的综合体现。,K,1,=Ya,第一章金属材料力学性能,式中,c,-,裂纹扩展时的临界状态所对应的断裂应力,a,c,-,裂纹扩展时的临界状态所对应的临界裂纹尺寸,1.,测定,K,Ic,和,a,c,后，可确定,c,，为载荷设计提供依据。,2.,已知,K,Ic,和临界工作应力,c,，可确定最大裂纹尺寸,a,c,。,3.,根据,c,及,a,c,，可确定材料应有的断裂韧度,K,Ic,正确选材料,。,三、断裂韧度及应用,第一章金属材料力学性能,第五节 疲劳强度,疲劳：工程上一些机件工作时受交变应力或循环应力作用，即使工作应力低于材料的屈服强度，但经过一定循环周次后仍会发生断裂，称之为,疲劳,断裂。,第一章金属材料力学性能,轴的疲劳断口,疲劳辉纹（扫描电镜照片）,第一章金属材料力学性能,一、疲劳强度的测试,在疲劳试验机上，用较多的试棒，在不同交变载荷下进行试验，作出疲劳曲线。,第一章金属材料力学性能,第一章金属材料力学性能,一、疲劳强度的测试,疲劳极限：材料经交变应力无数次循环作用而不发生断裂的最大应力称为材料的,疲劳极限,。,应力,循 环 次 数,金属材料的疲劳曲线（,S-N,曲线）示意图,钢铁材料,有色金属,第一章金属材料力学性能,应力循环对称因数：,=-1,疲劳强度,-1,（,轴类所受到的交变弯曲应力）脉动循环交变应力 ：,=0,疲劳强度,0,（齿轮齿根受到的循环弯曲应力）工程上规定，对于钢铁材料,N,0,为10,7,次；有色金属材料为10,8,次,腐蚀性介质作用下为10,6,次。,二、疲劳曲线与疲劳极限,第一章金属材料力学性能,三、其他疲劳,低周疲劳：承受交变应力较高，加载频率较低，并经受循环次数较低；,冲击疲劳：多次冲击载荷引起的损伤积累和裂纹扩展；,热疲劳：温度循环变化而产生循环热应力导致的疲劳；,接触疲劳：接触表面在接触应力的长期作用下表面产生的小片金属剥落；,腐蚀疲劳：腐蚀性介质中承受变动载荷所产生的疲劳。,第一章金属材料力学性能,四、影响因素及提高疲劳极限的途径,疲劳强度的影响因素,：,1）材料本身的组织结构状态；,2）表面粗糙度和应力状态。,提高零件疲劳强度的措施,：,1）改善内部组织；,2）设计上减小应力集中，避免锐角、缺口和截面突变；,3）降低零件表面粗糙度，提高表面加工质量；,4）强化表面，如渗碳、表面淬火、喷丸、滚压等。,第一章金属材料力学性能,本章重点,1,、低碳钢应力,-,应变曲线。,2,、强度、刚度、弹性、塑性概念及其力学性能指标。,3,、硬度的概念，常用的硬度测试方法及表示方法。,