第一章 材料的力学性能

第一章 材料的力学性能,了解材料的性能是正确使用和加工材料的基础,概述,互动讨论题1,以同学们现有的经验与知识，在选择某种材料来制造某个机械零件时，应该考虑哪些因素？,性能：,能否满足使用要求,制成零件的难易程度,经济：,材料是否容易获得,材料价格及运输等成本,资源环境：,材料是否可以再生产,材料生产及使用对环境的影响,互动讨论题2,在上述必须考虑的因素中，首先要考虑的关键因素是什么？,A、材料的性能,B、材料的成本,C、材料对资源与环境的影响,材 料 的 性 能,使用性能：,工艺性能：,力学性能,物理性能,化学性能,冷加工性能,热加工性能,热处理性能,力 学 性 能,强度、塑性,硬度,冲击吸收功,疲劳强度,断裂韧度,第一节 强度与塑性,材料在外力作用下的表现行为：,变形 断裂,材料在外力作用下的行为过程：,弹性变形塑性变形断裂 （永久变形）,一、拉伸试验与力伸长曲线,1、拉伸试验简介,* 拉伸试样：,长试样：l0=10d0; 短试样：l0=5d0,液压式万能电子材料试验机,拉伸试验机,2、力伸长曲线,F,二、强度指标,强度的定义：材料抵抗塑性变形和断裂的能力。,强度的大小：用应力表示。,什么叫应力？材料单位截面积上的内力，用表示，单位为MPb。,1MPb=1MN/m2 =1N/mm2,常用强度指标：屈服点、规定残余伸长应力、抗拉强度。,1、屈服点与规定残余伸长应力,屈服点： s = Fs/S 0,问题：有些材料在拉伸过程中没有屈服现象。怎么办？,规定残余伸长应力： r0.2 =Fr0.2/S 0,物理意义： 材料抵抗微量塑性变形的能力。,工程意义： 机械设计和选材的重要论据。,为什么？ 机械零件在工作中不允许产生明显的塑性变形。,2、抗拉强度,抗拉强度： b = Fb/S 0,物理意义： 材料在拉伸条件下断裂前能够随的最大应力。,工程意义： 也是机械设计和选材的重要论据。,讨论1： s 、r0.2、 b都是机械设计和选材的重要论据。实际使用时怎办？,塑性材料： s 、r0.2,脆性材料： b,屈强比： s / b,讨论2： 屈强比 s / b有何意义？,屈强比 s / b值越大，材料强度的有效利用率越高，但零件的安全可靠性降低。,所以在实际应用时要根据具体情况考虑。,三、塑性指标,塑性的定义：材料在静载荷作用下产生塑性变形的能力。,常用指标： 断后伸长率、断面收缩率,1、断后伸长率,问题： 的大小与试样标距长度有关。同种材料5 10,2、断面收缩率,的大小不受尺寸影响，比较确切地反映了材料的塑性。但测量精度相对较差。,物理意义： 反映了材料在拉伸条件下塑性变形的能力。,工程意义： 塑性好的材料不仅便于加工（轧、锻、冲等），而且零件的安全性较高。,讨论： 强度与塑性是一对矛盾。在实际选用时怎样考虑？,自行车三角架起重机吊钩齿轮、轴工具（扳手、旋具）,上堂课复习,拉伸过程、屈服、颈缩现象,拉伸试验：,强度指标：,s 、r0.2、 b,方法、试样,力-伸长曲线：,塑性指标：, 、 、,拉伸试验是否适用于生产现场对零件进行质量检验？,思考题：,不适应，多用于原材料质量检验和科研、试制过程中。,？,因为它是破坏性试验。,？,生产中需要其他力学性能试验方法。,第二节 硬 度,衡量材料软硬程度的指标。,定义：,物理意义：,与试验方法有关。,常用硬度试验法：,刻划法：里氏,回跳法：肖氏,压入法：布氏、洛氏、维氏,工业上应用广泛的是静载荷压入法硬度试验。,一、布氏硬度,1、试验方法简介,试验原理概述：,方法：,用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后，测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值。,布氏硬度值：,计算：,用球面压痕单位面积上所承受的平均压力表示。,符号：,HBS（HBW）,计算公式：,讨论2：布氏硬度值的物理意义？,讨论1：布氏硬度的计算很麻烦， 实际应用时怎么解决？,布氏硬度值越高，材料抵抗硬物压入的能力越强，材料的硬度越高。,查表，见实验指导书,布氏硬度试验规范：,压 头：,材料与直径D,试验力：,F的大小N (kgf),试验力保持时间：t (s),详见表1-1 （P11）,1、首先根据被测材料的硬度范围选择压头的材料：,对布氏硬度值450的材料：,选用淬火钢球压头,对布氏硬度值450的材料：,选用硬质合金球压头,讨论3：试验前怎样估计材料的 硬度范围？,2、然后根据被测材料种类和厚度，按表1-1选定D、F和t。,例：测量厚度为30mm的低碳钢试样的布氏硬度。,试验规范为：淬火钢球压头、D=10mm、F=29420N、t=10s,布氏硬度值的表示：,常用试验规范（ D=10mm、F=29420N、t=1015s）条件下测得的布氏硬度值：,275HBS 525HBW,其他条件下测得的布氏硬度值：,120HBS10/1000/30 550HBW5/75,布氏硬度试验的特点：,优点：,测量误差小（因压痕大），数据稳定，重复性强。,缺点：,压痕面积较大，测量费时。,应用：,常用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料的硬度。,不适于测量成品零件或薄件的硬度。,二、洛氏硬度,1、试验方法简介,试验原理概述：,方法：,用锥顶角为120的金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后卸除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值。,试验过程：,初试验力F1：1-1 压痕深度h0,主试验力F1：2-2 压痕深度h1,卸除主试验力，保留初试验力： 3-3 残余压痕深度增量h,洛氏硬度值：,计算：,用残余压痕深度增量来计算。,符号：,H R,计算公式：,H R=K-（ h/0.002),式中K=100（金刚石）或130（ 钢球),问题：残余压痕深度增量的测量是 非常困难的，实际应用时怎 么解决？,实际测量时是从表盘上直接读出洛氏硬度值的。,洛氏硬度值的试验规范(标尺)：,见表1-2（ P12）,HRC 2067 150kgf 金刚石,HRB 20100 100kgf 淬火钢球,HRA 2088 60kgf 金刚石,洛氏硬度值的表示：,45HRC、65HRB、80HRA,洛氏硬度试验的特点：,优点：,测量操作简单，方便快捷，压痕小；测量范围大，能测较薄工件。,缺点：,测量精度较低，可比性差，不同标尺的硬度值不能比较。,应用：,是生产中应用最广泛的硬度试验方法，并可用于成品检验和薄件、表面硬度检验。,不适于测量组织不均匀材料。,三、维氏硬度,1、试验方法简介,与布氏硬度试验原理基本相同。只是压头改用了金刚石四棱锥体，试验力小但范围大（49.03N980.7N)，测量精度高，适用范围广。,试验方法概述：,以一定的试验力将压头压入试样表面，保持规定时间卸载后，在试样表面留下一个四方锥形的压痕，测量压痕两对角线长度，以此计算出硬度值。,维氏硬度值：,计算：,用压痕两对角线的平均长度来计算。,符号：,H V,计算公式：,H V=0 . 1891F/d2,维氏硬度值的表示：,与布氏硬度基本相同，在后面要标注试验条件试验力和保持时间（1015S不标）。,例：580HV30表示用30kgf (294.2N)试验力保持1015S测定的维氏硬度值为580。,维氏硬度试验的特点：,优点：,适用范围广，从极软到极硬材料都可测量;测量精度高，可比性强；能测较薄工件。,缺点：,测量操作较麻烦，测量效率低，对试样表面质量要求高。,应用：,广泛用于科研单位和高校，以及薄件、表面硬度检验。,不适于大批生产和测量组织不均匀材料。,讨论1：三种常用硬度试验方法的 比较,讨论2：三种常用硬度值的比较,下堂课内容：,第三节 冲击吸收功第四节 疲劳强度,请同学们认真预习！,上堂课复习,HRC、HRB、HRA,布氏硬度：,维氏硬度：,洛氏硬度：,HBS、HBW,HV,前述强度、塑性、硬度等力学性能均系材料在静载荷作用下表现的力学行为。,思考题：,零件在实际工作中是否只 承受静载荷作用？,？,否！零件在实际工作中更多承受动载荷作用。,？,材料在动载荷作用下表现的力学行为是否相同？,大小与方向随时间发生变明显化的载荷。,？,什么是动载荷？,如：冲击载荷、交变载荷,冲击载荷对零件的破坏性比静载荷要大得多。,第三节 冲击吸收功,材料抵抗冲击力作用的能力。,冲击韧性定义：,冲击韧性的表示：,一般用冲击吸收功来表示。,冲击吸收功的定义：,材料在冲击力作用下折断时所吸收的功。,冲击吸收功的测量：,冲击试验,一、夏比冲击试验,1、试验原理简介,夏比冲击试验是将带有缺口的标准试样安放在试验机上的机架上，使试样的缺口位于两支座中间并背向摆锤的冲击方向，如下图：,将一定质量m的摆锤提升到h1高度，此时摆锤具有位能mg h1；让摆锤自由落下冲断试样后升到h2高度，此时摆锤具有位能为mg h2。,显然，摆锤在冲断试样后损失的能量为：,AKV（AKU）= mg h1- mg h2 （J）,AKV（AKU）就是试样在一次冲击试验作用下折断时所吸收的功，称为冲击吸收功。,实际测量时，冲击试样必须按国家标准制造，有夏比V型和U型缺口试样两种。,AKV（AKU）可从冲击试验机的刻度盘上直接读出。,2、冲击吸收功,讨论2：为什么AKV只是设计的参考指标？,讨论1：冲击吸收功的工程意义,因测量结果受试样形状、表面形态、内部组织的影响大，测量数据重复性差。,反映了材料抵抗冲击力而不破坏的能力。是评定材料力学性能的重要指标。是机械设计的参考指标。,3、韧脆转变温度,实践表明，同种材料的冲击吸收功与试验温度有关。,用同种材料在一系列不同的温度下进行冲击试验，可得到冲击吸收功与试验温度的关系曲线，称为冲击吸收功-温度关系曲线。,讨论3：韧脆转变温度的工程意义,反映了有些材料在室温时并不显示脆性，但低温时可能发生脆断。韧脆转变温度是衡量材料冷脆倾向的重要指标。,讨论4：韧脆转变温度高好、低好？,韧脆转变温度越低，材料的低温抗冲击性越好，不容易发生低温脆断。,讨论4：韧脆转变温度应用举例,A、气温是变化的；,B、机械产品的地域性。,车辆、桥梁、 输油管道、船舶,二、多次冲击试验,实际生产中，零件经一次冲击即断裂的情况是极少的。多数零件是在小能量冲击条件下经受许多次(103)冲击后才断裂。这种冲击称为小能量多次冲击。,要测量材料在小能量多次冲击作用下的抗力，可采用小能量多次冲击试验。,试验时将多冲试样安放在试验机支座上，用小能量进行多次冲击，直到试样断裂，得出材料在一定冲击能量下，开始出现裂纹和最后断裂的冲击次数，以此作为多冲抗力。,多冲试验方法：,研究表明：材料的冲击抗力是取决于强度和塑性的综合性能指标。,讨论5：冲击抗力与强度、塑性的关系,大能量一次冲击时，冲击抗力主要取决于塑性。,小能量多次冲击时，冲击抗力主要取决于强度。,第四节 疲劳极限,1、什么叫疲劳现象？,一、疲劳现象,零件在循环应力的作用，即使工作时承受的应力低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，在经受一定的应力循环后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳。,什么叫循环应力（载荷）？,大小或方向随时间发生周期性变化应力（载荷），也称交变应力 。,2、疲劳断裂的破坏性,疲劳断裂都是突然发生的，断裂前没有明显的塑性变形，具有极大的危险性 。,机械零件的断裂中，80%因疲劳引起，每年造成巨大损失。,3、疲劳断裂的过程,裂纹源扩散（截面逐步减小）最后突然脆断,讨论：设计选材时怎样防止疲劳？,需要一个能反映材料抵抗循环应力的力学性能指标。,1、定义,二、疲劳极限,材料在循环应力作用下，经受无限次循环而不断裂的最大应力值称为疲劳极限。,疲劳极限用疲劳试验测量，通常在放置对称弯曲疲劳试验机上进行。通过试验得出疲劳曲线。,用一批试样在不同的循环应力下进行疲劳试验，直到试样断裂。记录下每个试样循环应力与试样断裂前循环次数N，最后绘出- N关系曲线，称为疲劳曲线。,2、疲劳曲线,N,-1,0,107,疲劳曲线,由疲劳曲线可见，循环应力越低，则材料在断裂前循环次数N越大。,3、疲劳极限,当降低到某一定值 -1后 ，疲劳曲线与横坐标平行。表明当 -1时，材料经受无限有次循环也不会断裂。, -1就称为 疲劳极限。,不可能！因此，我们工程上定义：对钢铁材料，取N=107作为无限次；对非铁金属材料，取N=108作为无限次。,讨论1：实际疲劳试验时是否可能进行 无限次重复试验？,零件的疲劳极限受诸多因素影响：结构设计、表面粗糙度、表面应力状态等。,讨论2：实际生产中怎样提高零件的 抗疲劳性能？,因此，设计时应正确选材并避免容易产生应力集中的结构；生产中降低零件表面粗糙度并进行表面热处理。,本章小结,一、材料在静载作用下的力学性能,强度：,s 、r0.2、 b, 、 ,塑性：,硬度：,HRC、HRB、HRA,布氏：,维氏：,洛氏：,HBS、HBW,HV,二、材料在动载作用下的力学性能,冲击吸收功：,AKV,-1,疲劳极限：,讨论：上述力学性能的实际应用？,强度与塑性是设计与选材的主要依据；硬度是生产中检验力学性能的主要方法；冲击吸收功和疲劳极限对于承受动载的零件必须兼顾的力学性能。,本章作业,P19 习题：14,下堂课教学内容,第二章 金属的晶体结构与结晶,下堂课教学内容：,第二节 硬度 请同学们先预习,