第四章金属材料的力学性能课件

,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,#,第四章 金属材料的力学性能,第一节 强度与塑性,第二节 硬度,第三节 冲击韧性,第四节 疲劳强度和断裂韧性,第五节 金属材料的物理化学性能,第四章 金属材料的力学性能第一节 强度与塑性,1,第一节 强度与塑性,一、静拉伸试验及试样,通常用静拉伸试验来测量金属材料的强度与塑性指标。如将被测试金属材料加工成如,图,4-1,所示的圆柱形光滑试样。,通过拉伸试验可以揭示材料在静载荷作用下的力学行为，即弹性变形、屈服阶段、塑性变形、断裂等基本过程，还可以确定材料的最基本的力学性能指标。,弹性变形阶段,(Oe,段,),当载荷不超过,F,e,时，拉伸曲线,Oe,为直线段，试样变形完全是弹性的，卸载后试样即恢复原状。,屈服阶段,(es,段,),当载荷超过,F,e,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。,下,-,页,返回,第一节 强度与塑性一、静拉伸试验及试样下-页 返回,2,第一节 强度与塑性,强化阶段,(sb,段,),在屈服以后，如果要使试样继续伸长，必须不断加载。随着塑变形增大，试样的抗变形能力也在逐步增加，这种现象被称为形变强化或加工硬化。,缩颈阶段或局部变形阶段,(bk,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,”,。试样变化所需载荷也随之降低，这时伸长主要集中于缩颈部位，直至断裂。,二、强度,强度是材料抵抗塑性变形或断裂的能力。强度的大小用应力来表示，即单位面积上材料抵抗变形或断裂的内力,上,-,页,下,-,页,返回,第一节 强度与塑性强化阶段(sb段)在屈服以后，如果,3,第一节 强度与塑性,此外，还用伸长除以试样原始标距长度的值称为应变,按作用力性质不同，强度可分为屈服点,(,屈服强度,),、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。在工程上常用屈服强度和抗拉强度来表示金属材料强度的指标。,1.,屈服强度,(,屈服点,),在拉伸过程中，出现载荷不增加而试样还继续伸长的现象称为屈服。,上,-,页,下,-,页,返回,第一节 强度与塑性此外，还用伸长除以试样原始标距长度的值称,4,第一节 强度与塑性,大多数工程材料都没有明显的屈服现象，因此通常规定产生,0.2%,残余伸长所对应的单位面积的载荷,(Fo.z),作为条件屈服强度,2.,抗拉强度,(,强度极限,),当拉伸试样屈服以后，欲继续变形，必须不断增加载荷。当载荷达到最大值,F,n,(,单位为,N),后，试样的某一部位截面开始急剧缩小，出现了,“,缩颈,”,，致使载荷下降，直到最后断裂。,上,-,页,下,-,页,返回,第一节 强度与塑性大多数工程材料都没有明显的屈服现象，因此,5,第一节 强度与塑性,零件在工作时承受的单位面积最大载荷不允许超过抗拉强度，否则会发生断裂破坏。,三、塑性,塑性是指断裂前材料产生永久变形的能力，塑性指标有伸长率和断面收缩率，两者均为无单位量纲。,1.,伸长率,如,图,4-3,所示，在拉伸试验中，试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。其数值可由下式求出,:,上,-,页,下,-,页,返回,第一节 强度与塑性零件在工作时承受的单位面积最大载荷不允许,6,第一节 强度与塑性,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横断面积的百分比称为断面收缩率。其数值可由下式求出,:,上,-,页,返回,第一节 强度与塑性 2.断面收缩率上-页 返回,7,第二节 硬度,硬度是指材料抵抗另一硬物体压入其内的能力，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。硬度是金属材料的一个重要的力学性能指标，不仅可以间接地反映材料的强度硬度试验，还可以提供耐磨性的度量。,一、洛氏硬度,1.,洛氏硬度测量原理,洛氏硬度测量是一种压入硬度试验，但它不是测定压痕的面积，而是测定压痕的深度，以深度的大小表示材料的硬度值。,2.,洛氏硬度种类,根据压头的种类和总载荷的大小，洛氏硬度常用的表示方式主要有,HRA,HRB,HRC,和,HRF,四种。,下,-,页,返回,第二节 硬度硬度是指材料抵抗另一硬物体压入其内的能力，即受,8,第二节 硬度,(1)HRA,压头采用,120,金刚石圆锥，载荷,588.399N,测量范围,HRA70,以上，主要测定零件表面硬化层、硬质等材料的硬度,;,(2)HRB,压头采用,1.588mm,直径钢球，载荷,980.665 N,测量范围,HRB25100,，主要测定软钢、铜合金等材料的硬度。,(3)HRC,压头采用,120,金刚石圆锥，载荷,1470.998 N,，测量范围,HRC2067,，主要测定调质钢、淬火钢等材料的硬度。,(4)HRF,压头采用,1.588mm,直径钢球，载荷,588.399 N,，测量范围,HRF25100,，常用来测量镁合金、铝合金等材料的硬度。,上,-,页,下,-,页,返回,第二节 硬度(1)HRA 压头采用120金刚石圆锥，载,9,第二节 硬度,3.,洛氏硬度的书写方式,符号,HR,前面的数值为硬度值，后面为使用的标尺,4.,洛氏硬度的优缺点,(1),优点操作简便，压痕小，适用范围广。,(2),缺点洛氏硬度测量结果分散度大，需多次测量取平均值。,二、布氏硬度,1.,布氏硬度测量原理,如,图,4-5,，将直径为,D,的球体,(,钢球或硬质合金球,),在一定载荷,F,作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，测量其压痕直径，以用单位压痕球冠面积上所承受的载荷来表示,上,-,页,下,-,页,返回,第二节 硬度3.洛氏硬度的书写方式上-页 下-页,10,第二节 硬度,布氏硬度值。,2.,布氏硬度的书写方式,符号,HBS,或,HBW,之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。,3.,布氏硬度的优缺点,(1),优点,测量误差小、数据稳定,布氏硬度和强度有较好的对应关系。,上,-,页,下,-,页,返回,第二节 硬度 布氏硬度值。上-页 下-页,11,第二节 硬度,(2),布氏硬度的缺点,只适用于低硬度材料如铸铁、有色金属、低合金结构钢和结构调质钢等的硬度测量,;,压痕大，不能用于薄壁件或成品件，常用于原材料、毛坯、半成品的硬度测量,;,只有,F/D,2,的值为常数的布氏硬度才有可比性。,三、维氏硬度,1.,维氏硬度测量原理,维氏硬度测量原理与布氏硬度相同，不同点是压头为,136,金刚石四方角锥体，所加负荷较小，所测硬度值精确。,上,-,页,下,-,页,返回,第二节 硬度(2)布氏硬度的缺点上-页 下-页,12,第二节 硬度,2.,维氏硬度优点,维氏硬度保留了洛氏硬度和布氏硬度的优点，既可以测极软到极硬材料的硬度，又不存在布氏硬度,F/D,2,关系的约束，不同的,HV,可相互比较。维氏硬度适用于各种金属材料，尤其是表面层,(,如化学热处理层、电镀层,),的硬度测量，精度较高。,上,-,页,返回,第二节 硬度2.维氏硬度优点上-页 返回,13,第三节 冲击韧性,材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧性。许多机械零件和工具在工作中，往往要受到冲击载荷的作用，如发动机活塞、连杆、曲轴等零件在作功行程中受到很大的冲击载荷,;,汽车起步、换挡、制动时钢板弹簧、齿轮、传动轴、半轴等零件会受到很大的冲击载荷。,冲击试验试样的类型分为,V,型和,U,型缺口两种试样。,图,4-7,所示为,U,型缺口标准试样的形状和尺寸。测定材料的冲击韧性一般是在一次摆锤冲击试验机上进行，如,图,4-8,所示。,实际上，在冲击载荷下工作的零件，很少是受大能量一次冲击而破坏的，往往是经受小能量多次冲击，因冲击损伤的累积引起的断裂，故用,a,k,值反映冲击韧性具有一定的局限性。,返回,第三节 冲击韧性材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧性。许,14,第四节 疲劳强度和断裂韧性,一、疲劳强度,1.,概述,轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件在工作过程中各点的应力随时间做周期性的变化，这种周期性变化的应力称为交变应力。在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作会产生裂纹或突然发生完全断裂的这一过程称为疲劳。,2.,各种材料的疲劳强度,材料承受的交变应力与材料断裂前承受交变应力的循环次数之间的关系可用疲劳曲线来表示，,图,4-9,所示为疲劳曲线示意图。金属承受的交变应力越大，则断裂时应力循环次数,N,越少。,下,-,页,返回,第四节 疲劳强度和断裂韧性一、疲劳强度下-页 返回,15,第四节 疲劳强度和断裂韧性,二、断裂韧性,桥梁、船舶、大型轧辊、转子等在设计时保证了足够的延伸率、韧性和屈服强度，但仍不免破坏，有时会发生低应力脆断，原因是构件或零件内部存在或大或小的裂纹，裂纹在应力作用下可失稳而扩展，导致机件破断。材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力叫断裂韧性。,上,-,页,返回,第四节 疲劳强度和断裂韧性二、断裂韧性上-页 返回,16,第五节 金属材料的物理化学性能,一、金属的物理性能,1.,密度,密度是指单位体积物质的质量。密度小于,4.5 x 10,3,的金属称为轻金属，如铝、镁、钦及其合金。,2.,熔点,金属从固态向液态转变时的温度称为熔点。纯金属都有固定的熔点。熔点高的金属称为难熔金属，如钨、铝、钒等，可以用来制造耐高温零件，如在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。,3.,导电性,传导电流的能力称导电性，用电阻率来衡量。电阻率越小，金属材料导电性越好。金属导电性以银为最好，铜、铝次之，合金的导电性比纯金属差。,下,-,页,返回,第五节 金属材料的物理化学性能一、金属的物理性能下-页,17,第五节 金属材料的物理化学性能,4.,磁性,金属材料根据磁性可分为铁磁性材料、顺磁性材料和抗磁性材料。铁磁性材料在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钻等可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。顺磁性材料在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等。,5.,导热性,导热性通常用热导率来衡量，热导率越大，导热性越好。金属的导热性以银为最好，铜、铝次之，合金的导热性比纯金属差。,6.,热膨胀性,金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。,上,-,页,下,-,页,返回,第五节 金属材料的物理化学性能4.磁性上-页 下-页,18,第五节 金属材料的物理化学性能,由膨胀系数大的材料制造的零件，在温度变化时，尺寸和形状变化较大。,二、金属的化学性能,金属的化学性能主要指金属耐腐蚀性和抗氧化性。金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性统称化学稳定性，在高温下的化学稳定性也称为热稳定性。,1.,耐腐蚀性,金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力称为耐腐蚀性。碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差,;,钦及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好,;,铝合金和铜合金有较好的耐腐蚀性。,上,-,页,下,-,页,返回,第五节 金属材料的物理化学性能 由膨胀系数大的材料制,19,第五节 金属材料的物理化学性能,2.,抗氧化性,金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称为抗氧化性。加入,Cr,，,Si,等元素，可提高钢的抗氧化性，如,4Cr9Si2,可制造内燃机排气阀及加热炉炉底板、料盘等。,上,-,页,返回,第五节 金属材料的物理化学性能2.抗氧化性上-页 返,20,图,4-1,圆形拉伸试样,返回,图4-1圆形拉伸试样返回,21,图,4-3,静拉伸试样伸长变形示意图,返回,图4-3静拉伸试样伸长变形示意图返回,22,图,4-5,布氏硬度试验原理图,返回,图4-5布氏硬度试验原理图返回,23,图,4-7 U,型缺口冲击试样,返回,图4-7 U型缺口冲击试样返回,24,图,4-8,一次摆锤冲击试验,返回,图4-8一次摆锤冲击试验返回,25,图,4-9,疲劳曲线示意图,返回,图4-9疲劳曲线示意图返回,26,