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,汽车材料与金属加工,第,1,章 金属材料的力学性能,掌握金属材料的强度和塑性的概念；,掌握金属材料的疲劳强度的概念；,掌握金属材料冲击韧性的概念；,掌握材料硬度的概念和三种硬度表示方法；,了解材料性能的表示方法。,教学目的和要求,一、强度、塑性；,二、疲劳强度；,三、冲击韧性；,四、硬度,教学内容摘要,利用强度、硬度和塑性等指标综合评价材料,。,教学重点、难点,教学方法和使用教具,讲授、现场教学、课件。,4,学时,教学时间,金属材料的基本知识,金属材料,金属,合金,具有金属光泽。,具有较好的延展性，容易加工成型。,易导电、传热，是热和电的良导体。,常见的钢、铸铁、铜、铜合金、铝、铝合金等都是金属材料。,金属材料的特点,金属材料性能,工艺性能,使用性能,是指金属材料在使用条件下所表现出来的力学性能（指刚度、强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等）、物理性能（指熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等）和化学性能（指抗氧化性、与其他物质发生化学反应的性能等）等。,工艺性能,是指金属材料在制造加工过程中表现出来的各种性能。优良的使用性能可以满足生产和生活上的各种需要；而优良的工艺性能则可使金属材料易于采用各种加工方法，制成各种形状、尺寸的零件和工具。,力学性能,物理性能,化学性能,使用性能,1.1,强度、塑性,静载荷,是指外力的大小和方向不变或变化很缓慢的载荷；,冲击载荷,是指突然增加的载荷；,疲劳载荷,则是指大小和方向随时间作周期性变化的载荷。,根据,载荷,作用性质不同,静载荷,冲击载荷,疲劳载荷,材料的力学性能：,是指材料在,外加载荷,作用 下所表现出,来的性能。,工件在不同载荷形式下产生的,变形,强度、塑性,的概念,强度,是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，强度愈高的材料，所承受的载荷愈大。,塑性,是指金属材料产生塑性变形而不断裂的能力。,试样的形状,试样标距,试样直径,拉伸前,拉伸后,1.1.1,拉伸试样与拉伸试验,试样的标距,试样的标距,拉伸试验过程中用以测量试样伸长的两标记之间的长度，称为标距。,试样的分类,长试样,(,L,0,=10,d,0,),，,100mm,和,200mm,短试样,(,L,0,=5,d,0,),，,50mm,和,80mm,拉伸试验曲线,弹性变形阶段（,Op-pe,段）卸除载荷，立即恢复原状。,屈服阶段（,es-ss,段）卸除载荷，部分变形恢复，还有一部分不能恢复。,强化阶段（,sb,段）随着塑性变形的增大，材料的变形抗力增加,.,缩颈阶段（,bk,段）载荷最大时，发生局部收缩。,1.1.2,强度,用于表征金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力。,抗拉强度,抗压强度,抗弯强度,抗剪强度,屈服点,屈服强度,抗拉强度,根据所加载荷形式的不同,工程上常用的强度衡量指标,屈服点、屈服强度,对具有明显屈服现象的材料,如低碳钢，用屈服点来表征材料对产生明显塑性变形的抗力。屈服点就是指材料产生屈服时的最小应力。即,式中,应力（,MPa,）；,试样产生屈服时的最小屈服力（,N,）；,试样原始横截面积（）。,对无明显屈服现象的金属材料,如高碳钢、铜合金、铝合金等，用屈服强度来表征材料对产生明显塑性变形的抗力。,抗拉强度,是指试样在拉断前所承受的最大应力，即,式中：,抗拉强度（,MPa,）；,试样在拉断前所受到的最大载荷（,N,）；,试样原始横截面积（）。,1.1.3,塑性,在外力作用下的金属材料在断裂前产生不可逆的永久变形的能力称为塑性。材料的塑性指标通常用断后伸长率和断面收缩率来表征。,1.,断后伸长率,是指试样拉断后标距的伸长量与原始标距的百分比，用 表示，即,2.,断面收缩率,是指试样拉断后断口（缩颈）处截面积的最大缩减量与原始截面积的,百分比，用下式表示，即,1.2,疲 劳 强 度,疲劳破坏,零件、工具等即使在低于材料屈服强度的交变载荷作用下，经过一定的循环次数后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳断裂。因此在零件设计之初，对零件所用的金属材料就应该进行疲劳试验，以便合理的估算零件的使用寿命。,疲劳破坏,材料在对称载荷下的应力变化规律。,疲劳强度,材料交变应力和断裂前应力循环次数之间的疲劳曲线。,提高疲劳强度措施,材料方面,保证冶炼质量，减少夹杂物和热加工产生的气孔和疏松等缺陷。,设计方面,尽量使零件避免尖角、缺口和截面突变，以避免应力集中及其所引起的疲劳裂纹。,工艺方面,降低零件表面粗糙度，并避免表面划痕、碰伤，防止这些地方出现形成疲劳裂纹；采用表面强化方法，如化学热处理、表面淬火、喷丸处理和表面涂层等，降低材料表面形成裂纹的可能性。,1.3,韧 性,1.3.1,冲击韧性,是指金属材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。,冲击韧性的测定方法,摆锤式一次冲击试验,小能量多次冲击试验,摆锤式一次冲击试验,根据功能原理摆锤击断试样所消耗的功,A,ku,值为,小能量多次冲击试验,工程实践中，在冲击载荷作用下工作的机械零件往往都是受多次小能量冲击而破坏的。很少受大能量冲击一次而破坏的，如冲模的冲头、凿岩机上的活塞等。所以工程实际中，常采用小能量多次重复冲击试验来测定。,1.3.2,断裂韧性,低应力脆断,工程零（构）件有时在应力低于许用应力的情况下也会发生突然断裂，称为低应力脆断。,低应力脆断的原因,由于实际应用的材料中常常存在一些裂纹和本身缺陷，如夹杂物、气孔等或加工和使用过程中产生的缺陷，裂纹在应力的作用下失稳而扩展，最终导致零（构）件断裂。,1.4,硬 度,硬度的含义,布氏硬度,洛氏硬度,维氏硬度,是材料性能的一个综合物理量，对于金属材料而言，表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形、断裂或其他物质压入其表面的能力。,硬度的表示方法,硬度试验的方法大多采用压入法。,常用的表示方法,1.4.1,布氏硬度,压头,实测物体,压头,实测物体,布氏硬度值计算公式,布氏硬度测量原理,1.4.2,洛氏硬度,洛氏硬度值计算公式,洛氏硬度测量原理,载荷,F,1,压,去掉载荷,F,1,后,载荷,F,0,预压,1.4.3,维氏硬度,维氏硬度值计算公式,维氏硬度测量原理,1.,材料发展经历的几个时代,石器,青铜器,铁器,钢铁、铝合金,复合材料、钛镁金属、纳米材料,新石器时代的石制农具,司母戊鼎,通高,133,厘米,横长,110,厘米,宽,78,厘米,重,875,公斤,.,根据目前发掘的商代熔铜坩锅,一次约能熔铜,12.7,公斤,.,铸造司母戊这样的大鼎,就需要七十多个坩锅,.,如果一个坩锅配备三至四人,就需要二、三百人同时操作。,云版又叫“点”，是军营中遇有急事敲打报警用的。此块云版用生铁铸成，上下两端勾卷如云，故名。,几种新兴材料简介,1.,镁合金,magnesium,密度低、比强度和比刚度较高。,镁,铝,钛,铁,密度,1.74,2.7,4.5,7.8,镁、铝合金和复合材料,汽车轻量化的材料,减少油耗,镁合金方向盘骨架,镁合金汽车轮毂,镁合金汽缸盖,2.,形状记忆合金,应用,:,丰田汽车的散热器护拦活门,.,日产汽车冷却风扇离合器,.,记忆合金在,航空航天,领域内的应用有很多成功的范例。当合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以,魔术,般地变回到原来的形状。,3.,复合材料,玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）,比强度高、耐腐蚀,.,直升飞机的旋翼,4.,纳米材料,颗粒直径,0.l,100,纳米（原子、分子尺度）,具有卓越的性能和特殊功能，如：,纳米级铜不导电；,纳米冰柜可抑制细菌生长。,5.,其它材料,超导材料,贮氢材料,分离膜材料,谢谢大家！,