工程材料的力学性能课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,2017/3/24,#,17:37:41,力学性能,是指材料在外力作用时表现出来的性能。力学性能包括,强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度,等。硬度值可以间接地反映材料的强度、塑性和韧性以及材料在化学成分、金相组织和热处理工艺上的差异，因而硬度试验在工程上应用十分广泛。生产中常用的硬度试验是布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。,工程,材料力学性能的,重要性,：,在机械设备及工具的设计、制造中选用工程材料时，大多以力学性能为主要依据。,工程材料的力学性能,05:16:45力学性能是指材料在外力作用时表现出来的性能。,1,17:37:41,一、载荷的概念：,材料在加工及使用过程中所受的外力。,载荷分类：,静 载 荷,：,冲击载荷,：,疲劳载荷,：,静载荷是指大小不变或变动很慢的载荷；,冲击载荷是指突然增加的载荷；,疲劳载荷是指所经受的周期性或非周期性的动载荷,(,也称循环载荷,),。,1.,根据作用性质不同分,2.,根据载荷作用方式不同,分为,拉伸载荷,、,压缩载荷,、,弯曲载荷,、,剪切载荷,和,扭转载荷,等，如图,1-1,所示。,05:16:45一、载荷的概念：载荷分类：静 载 荷：静,2,17:37:41,内力,为材料受外力作用后，为保持其不变形，在材料,内部作用着与外力相对抗的力。,应力,为单位截面积上的内力。,二、变形的概念：,材料受不同载荷作用而发生的几何形状和尺寸的变化。,变形的分类：,弹性变形,塑性变形,材料受,拉伸,载荷或,压缩,载荷作用时，其横截面积上的应力（,),按下式计算：,式中,F,外力,(N),；,S,横截面积,(m,2,),；,应力,(Pa),，应力单位是,Pa,，,1Pa,1N,m,2,。当面积用,mm,2,时，则应力可用,MPa,为单位。,1MPa=1N,mm,2,10,6,Pa,05:16:45内力为材料受外力作用后，为保持其不变形，在材,3,17:37:41,一、强度,材料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。,1.1,静载荷条件下材料的力学性能,抗拉强度是通过拉伸试验测定的。,拉伸试验,的方法是用静拉力对标准试样进行轴向拉伸，同时连续测量力和相应的伸长，直至断裂。根据测得的数据，即可求出有关的力学性能。,下面把试验作一简单介绍：,根据,载荷作用方式,不同，强度可分为,抗拉强度,(,b,),、,抗压,强度,(,bc,),、,抗弯,强度,(,bb,),、,抗剪,强度,(,b,),和,抗扭,强度,(,t,),等五种。,一般情况下多以,抗拉强度,作为判别材料强度高低的指标。,05:16:45一、强度1.1 静载荷条件下材料的力学性能,4,17:37:41,(1),拉伸试样,拉伸试样的形状一般有,圆形,和,矩形,两类。在国家标准,(GB397,86),中，对试样的形状、尺寸及加工要求均有明确的规定。,(2),力一伸长曲线,拉伸试验中记录的拉伸力对伸长的关系曲线叫做力一伸长曲线，也称拉伸图。,bz,缩颈阶段,(,局部塑性变形阶段,),当载荷达到最大值几时，试样的直径发生局部收缩，称为,“,缩颈,”,。试样变形所需的载荷也随之降低，这时伸长主要集中于缩颈部位，直至断裂。,oe,弹性变形阶段 试样变形完全是弹性的，卸载后试样即恢复原状。这种随载荷的作用而产生、随载荷的去除而消失的变形称为,弹性变形,。,es,屈服阶段 当载荷超过,Fe,时，若卸载的话，试样的伸长只能部分地恢复，而保留一部分残余变形。这种不能随载荷的去除而消失的变形称为,塑性变形,。这种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。,Fs,称为,屈服载荷,。屈服后，材料将残留较大的塑性变形。,sb,强化阶段 在屈服阶段以后，欲使试样继续伸长，必须不断加载。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,),。,Fb,为试样拉伸试验时的,最大载荷,。,05:16:45(1)拉伸试样 拉伸试样的形状一般有圆形,5,17:37:41,工程上使用的材料，多数没有明显的屈服现象。,对,于低塑性材料，不仅没有屈服现象，而且也不产生,“,缩颈,”,，如球墨铸铁等。,(3),强度指标,屈服点,试样在试验过程中，力不增加,(,保持恒定,),仍能继续伸长,(,变形,),时的应力称为屈服点，用符号,s,表示,。,对于无明显屈服现象的材料，多测定其规定,残余伸长应力值,。,r,表示试样卸除拉伸载荷后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。例如,r,0.2,表示规定残余伸长率达到,0.2,时的应力，按下列公式计算：,05:16:45工程上使用的材料，多数没有明显的屈服现象。对,6,17:37:41,机械零件在工作时如受力过大，则因过量的塑性变形而,失效,。当零件工作时所受的力，低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，则不会产生过量的塑性变形。材料的屈服点或规定残余伸长应力越高，允许的工作应力也越高，则零件的截面尺寸及自身质量就可以减少。因此，,材料的,屈服点,或,规定残余伸长应力,是机械设计的主要依据，也是评定材料优劣的重要指标。,抗拉强度,材料在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度。用符号,b,表示，按下列公式计算：,抗拉强度表示材料在拉伸载荷作用下的最大均匀变形的抗力。也是机械零件设计和选材的主要依据之一,05:16:45机械零件在工作时如受力过大，则因过量的塑性变,7,17:37:41,二、塑性,断裂前材料产生永久变形的能力称为,塑性,。塑性指标也是由拉伸试验测得的。常用材料拉伸时最大的相对塑性变形,(,伸长率和断面收缩率,),来表示。,(1),伸长率,试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。用符号,表示。,其计算方法如下：,(2),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为断面收缩率，用符号,表示。其计算方法如下：,材料的伸长率,(),和断面收缩率,(),数值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的材料可以发生大量塑性变形而不破坏，便于通过塑性变形加工成复杂形状的零件。,05:16:45二、塑性 (2)断面收缩率 试样拉断后,8,17:37:41,三、硬度,材料抵抗局部变形,(,特别是塑性变形,),、压痕或划痕的能力称为,硬度,。硬度是各种零件和工具必须具备的性能指标。机械制造业所用的刀具、量具、模具等，都应具备足够的硬度，才能保证使用性能和寿命。有些机械零件如齿轮等，也要求有一定的硬度，以保证足够的耐磨性和使用寿命。因此,硬度是材料重要的力学性能之一,。,与拉伸试验相比，硬度试验简便易行，硬度值又可以,间接地反映,材料的强度以及材料在化学成分、金相组织和热处理工艺上的差异，因而硬度试验应用十分广泛。,硬度试验的方法很多：,压入,硬度试验法,(,如布氏硬度、洛氏硬度等,),；,划痕,硬度试验法,(,如莫氏硬度,),；,回跳,硬度试验法,(,如肖氏硬度,),，,生产中,常用的是压入硬度试验法,。,05:16:45三、硬度硬度试验的方法很多：,9,17:37:41,(1),布氏硬度,布氏硬度的,测试原理,它是用一定直径的球体,(,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来计算硬度的一种压痕硬度试验。,布氏硬度值,是用球面压痕单位表面积上所承受的平均压力来表示。用符号,HBS(W),来表示。布氏硬度值按下式计算：,从上式中可以看出,，当外载荷,(F),，压头球体直径,(D),一定时，布氏硬度值仅与压痕直径,(d),的大小有关。在实际应用中，布氏硬度一般不用计算，而是用专用的刻度放大镜量出压痕直径,(d),，根据压痕直径的大小，再从专门的硬度表中查出相应的布氏硬度值。,05:16:45(1)布氏硬度 布氏硬度值是用球面压痕,10,17:37:41,布氏硬度的,符号及表示方法,当试验的压头为淬硬钢球时，其硬度符号用,HBS,表示。当试验压头为硬质合金球时，其硬度符号用,HBW,表示。,布氏硬度的表示方法规定为：,符号,HBS,或,HBW,之前的数字为硬度值，符号后面按以下顺序用数字表示试验条件,：球体直径,/,试验力,/,试验力保持的时间,(1015s,不标注,),。,例如,170HBS l0,1000,30,表示用直径,10mm,的,钢,球，在,9807N(1000kgf),的试验力作用下，保持,30s,时测得的布氏硬度值为,170,。,530HBW 5,750,表示用直径,5mm,的,硬质合金球,，在,7355N(750kgf),的试验力作用下，保持,10,15s,时测得的布氏硬度值为,530,。,05:16:45布氏硬度的符号及表示方法 当试验的压头为,11,17:37:41,试验条件的选择,布氏硬度试验时，压头球体的直径,(D),，试验力,(F),及试验力保持的时间,(t),，应根据被测材料材料的种类、硬度值的范围及材料的厚度进行选择。,常用的压头球体直径,(D),有,1,、,2,、,2,.,5,、,5,和,10mm,五种。试验力,(F),可从,9,.,807N(1kgf),29,.,42kN(3000kgf),范围内，二者之间的关系详见表,1,2,。试验力保持时间，一般黑色材料为,10,15s,；有色材料为,30s,；布氏硬度值小于,35,时为,60s,。,材料,布氏硬度,F/D,2,钢及铸铁,140,140,10,30,铜及其合金,130,5,10,30,轻材料及其合金,80,2.5(1.25),10(5,或,15),10(15),铅、锡,1.25(1),05:16:45试验条件的选择 布氏硬度试验时，压头球体,12,17:37:41,应用范围及优缺点,布氏硬度,适用,于,铸铁,、,有色,材料及其合金、各种,退火及调质的,钢材，特别对于,软,材料,，如铝、铅、锡等更为适宜。,布氏硬度的,优点,是具有很高的测量精度，它采用的试验力大，球体直径也大，因而压痕直径也大，它能较真实地反映出材料材料的平均性能。另外，由于布氏硬度与其它力学性能,(,例抗拉强度,),之间存在着一定的近似关系，因而在工程上得到广泛应用。,缺点,是,操作时间较长，对不同材料需要更换压头和试验力，压痕测量也较费时间。在进行高硬度材料试验时，由于球体本身的变形会使测量结果不准确,。因此，,用,钢球,压头测量时，硬度值必须小于,450,；用,硬质合金球,压头时，硬度值必须小于,650,，又因压痕较大，不宜于测量成品及薄件,。,05:16:45应用范围及优缺点,13,17:37:41,(2),洛氏硬度,洛氏硬度,测试原理,在初始试验力,(F,0,),及总试验力,(F,0,+F,1,),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生试验力,(F,1,),，用保持初始试验力的条件下，测量的残余压痕深度增量来计算硬度。,图,1-7,为用金刚石圆锥体压头进行洛氏硬度试验的示意图。从图中看出，洛氏硬度值,(HR),是用洛氏硬度相应标尺刻度满量程,(100),与残余压痕深度增量（,e),之差计算硬度值。计算公式如下,HR,=k-e,式中,HR-,洛氏硬度值；,K,常数，用金刚石圆锥体压头进行试验时,K,为,100,；用钢球压头进行试验时，,K,为,130,；,e,残余压痕深度增量，单位为,0.002mm,。,05:16:45(2)洛氏硬度,14,17:37:41,常用洛氏,硬度标尺及其适用范围,为了用一台硬度计测定从软到硬不同材料材料的硬度，可采用不同的压头和总试验力，组成,15,种洛氏硬度标尺，每一种标尺用一个字母在洛氏硬度符号,HR,后面加以注明。常用的洛氏硬度标尺是,HRA,、,HRB,、,HRC,三,种。其中,HRC,应用最为广泛。三种洛氏硬度标尺的试验