材料力学性能检测.ppt

2010年10月 金属材料力学性能检测 工艺性能 在制造机械零件的过程中 材料适应各种冷 热加工和热处理的性能 使用性能 材料在使用过程中所表现的性能 力学性能 物理性能 化学性能 铸造性能 锻造性能 焊接性能 冲压性能 切削加工性能 热处理工艺性能 材料的力学性能 指材料在外力作用下表现出来的性能 主要有强度 塑性 硬度 冲击韧度和疲劳强度等 材料的性能 强度 指金属在静载荷下抵抗变形和断裂的能力 是一般零件设计 选材时的重要依据 硬度 它是衡量材料软硬的一个指标 是金属表面抵抗塑性变形和破坏的能力 检查和控制金属零件的热处理质量塑性 指金属发生塑性变形而不被破坏的能力 几个常见概念的义 作用在机件上的外力 载荷 静载荷 动载荷 静载荷 逐渐而缓慢地作用在工作上的力如机床床身的压力 钢索的拉力动载荷 包括冲击及交变载荷如空气锤杆所受的冲击力 齿轮 弹簧 静拉伸试验 所加载荷为静载荷 是一种较简单的力学性能试验 能够清楚地反映出材料受力后所发生的弹性 弹塑性与断裂三个变形阶段的基本特性 经拉伸试验对所测试的力学性能指标的测量稳定可靠 而且理论计算方便 因此各国及国际组织都制定了完善的拉伸试验方法标准 将拉伸试验方法列为力学性能试验中最基本 最重要的试验项目 强度指标 弹性极限 e 屈服强度 s 抗拉强度 b 塑性指标 断后伸长率 断面收缩率 等 F F MPa F S 应力与应变 应力 物体内部任一截面单位面积上的相互作用力 同截面垂直的称为 正应力 或 法向应力 同截面相切的称为 剪应力 或 切应力 1 拉伸实验常用术语 F F 拉伸前 拉伸后 应变 物体形状尺寸所发生的相对改变 物体内部某处的线段在变形后长度的改变值同线段原长之比值称为 线应变 1 弹性变形 材料受外力作用时产生变形 当外力去除后恢复其原来形状 这种随外力消失而消失的变形 称为弹性变形 2 拉伸实验两种基本变形 2 塑性变形 材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形 称为塑性变形 工程材料受力后都会发生变形 包括 弹性变形 塑性变形 断裂三个基本阶段 弹性 固体材料在外力作用下改变其形状和大小 但当力撤去后即恢复到原来状态的性质 塑性 固体材料受到超过一定特定值的外力作用时 其形状与大小会发生永久性变化的特性 断裂 固体材料受外力作用变形的最终结果 也就是固体材料受力变形产生裂纹和裂纹扩展到一定的临界值后即产生断裂 拉伸试验的工程意义 拉伸试验 F F L 拉伸前 拉伸后 拉伸实验设备 万能实验机 拉伸试样制备 金属拉伸试样总体可分为比例试样和定标距试样 比例试样 按下式计算而得的试样原始标距长度的试样 L0 标距长度S0 试样原始截面积 K为常数 通常取5 65或11 3 k 5 65时也称为短试样 此时的原始标距应不少于15mm k 11 3试样称为长试样 对于圆形试样 标距长度为工作直径d的5倍时为短试样 为10倍时为长试样 但在特殊情况有关标准有规定时 也用4d或8d的试样 2拉伸试样分类 对于金属棒材 一般采用圆形截面的试样 其直径一般为3 25mm 试样又分带夹头和不带夹头两种 圆形截面 单肩试样 双肩试样 带夹头圆形式样图 圆形试样比例尺寸表 若相关产品标准无具体规定 优先采用R2 R4或R7试样尺寸试样总长度取决于夹持方式 原则上L Lc 4d 2 矩形试样 对厚 薄板材 一般采用矩形试样 通常为0 10 25mm 根据厚度 采用宽度为10mm 12 5mm 15mm 20mm 25mm 30mm的六种试样 比例试样尽可能采用L0 5 65S01 2的短比例试样 矩形试样也可分为带夹头和不带夹头的比例或定标距的两种 矩形带夹头拉伸试样图 矩形带夹头拉伸试样尺寸 mm 若相关产品标准无具体规定 优先采用短试样式 比例系数k 5 65 的比例试样 若比例标距小于15mm 建议采用非比例试样 矩形非比例试样尺寸 mm 3 管材试样 管材试样一般为自管材切取的全截面管段或从管材切取的全壁厚纵向条状试样 对于d小于等于50mm的无缝管及焊管 可切取全截面管段进行试验 对于d大于等于50mm的管可切取纵向弧形试样 对于管材壁厚大于等于8mm的 可制成纵向圆形试样 全截面管段拉伸式样图 管材尺寸表 mm 管材纵向弧形比例试样及定标距试样图 管材纵向弧形试样尺寸表 mm 4 直径或厚度小于4mm的线材 棒材和型材试样 b 极限载荷点 e 弹性极限点 S 屈服点 K 断裂点 力 伸长曲线 材料的拉伸曲线 1 oe段 直线 弹性变形 2 es段 曲线 弹性变形 塑性变形 5 b点出现缩颈现象 即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低 拉伸力达到最大值 而后降低 但变形量增大 K点时试样发生断裂 3 ss 段 水平线 略有波动 明显的塑性变形屈服现象 作用的力基本不变 试样连续伸长 4 s b曲线 均匀塑性变形 出现加工硬化 o 表征材料强度的三个主要指标 材料在外力作用下 抵抗塑性变形和断裂的能力 1 弹性极限 e 指金属材料能保持弹性变形的最大应力 e Fe S0 MPa 它表征了材料抵抗弹性变形的能力 2 屈服强度 S 指材料在外力作用下 产生屈服现象时的最小应力 S Fs S0 MPa 它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力 当材料单位面积上所受的应力 e s时 材料将产生明显的塑性变形 条件屈服强度 0 2 F0 2 S0 MPa 屈服强度 是塑性材料选材和评定的依据 0 2 l0 对于低塑性材料或脆性材料 b Fb S0 MPa 3 抗拉强度 b 抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力 它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力 抗拉强度 是脆性材料选材的依据 物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力 屈服强度与抗拉强度的比值 S b称为屈强比 屈强比小 工程构件的可靠性高 说明即使外载荷或某些意外因素使金属变形 也不至于立即断裂 但若屈强比过小 则材料强度的有效利用率太低 在弹性阶段 材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力称为刚度 比例系数E称为弹性模量 它反映材料对弹性变形的抗力 代表材料的 刚度 所以 弹性模量的大小主要取决于材料的本性 随温度升高而逐渐降低 3 刚度 2 塑性 常用 和 作为衡量塑性的指标 伸长率 材料在外力作用下 产生永久变形而不引起破坏的能力 断面收缩率 良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件 硬度 定义 材料抵抗表面局部弹塑性变形的能力 1 布氏硬度HB 布氏硬度计 利用压入法测量 压头为淬火钢球时 布氏硬度用符号HBS表示 适用于布氏硬度值在450以下的材料 压头为硬质合金球时 用符号HBW表示 适用于布氏硬度在650以下的材料 120HBS10 1000 30表示直径为10mm的钢球在1000kgf载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120 布氏硬度压痕 表示方法 硬度值 HBS HBW D F t 布氏硬度的优点 测量误差小 数据稳定 缺点 压痕大 不能用于太薄件 成品件及比压头还硬的材料 应用 适于测量退火 正火 调质钢 铸铁及有色金属的硬度 材料的 b与HB之间的经验关系 对于低碳钢 b MPa 3 6HB对于高碳钢 b MPa 3 4HB对于铸铁 b MPa 1HB或 b MPa 0 6 HB 40 2 洛氏硬度 h1 h0 洛氏硬度计 洛氏硬度用符号HR表示 HR C h 0 002根据压头类型和主载荷不同 分为九个标尺 常用的标尺为A B C 顶角120 金钢石圆锥或直径1 588mm的淬火钢球 压头 淬火钢球时C 100 金钢石时C 130 符号HR前面的数字为硬度值 后面为使用的标尺 HRA 金钢石圆锥压头 用于测量高硬度材料 如硬质合金 表淬层和渗碳层 HRB 淬火钢球压头 用于测量低硬度材料 如有色金属和退火 正火钢等 HRC金钢石圆锥压头 用于测量中等硬度材料 如调质钢 淬火钢等 洛氏硬度的优点 操作简便 压痕小 适用范围广 缺点 测量结果分散度大 3 维氏硬度 HV 0 1891 F d2 维氏硬度用符号HV表示 符号前的数字为硬度值 后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间 640HV300 20维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点 1 冲击韧度 冲击韧性 AKU mg H1 H2 J 冲击功aK AKU S J cm2 冲击韧度值 材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力 动态时材料的力学性能 材料的aK值愈大 韧性就愈好 材料的aK值愈小 材料的脆性愈大 但塑性好的材料aK值不一定大 通常把aK值小的材料称为脆性材料研究表明 材料的aK值随试验温度的降低而降低加载速度越快 温度越低 表面及冶金质量越差 aK在值越低 标准冲击试样有两种 一种是 形缺口试样 另一种是 形缺口试样 它们的冲击韧度值分别以aKU和aKV 建造中的Titanic号 TITANIC Titanic号钢板 左图 和近代船用钢板 右图 的冲击试验结果 2 疲劳强度 实际生产中 有许多机械零件是在大小和方向随时间发生周期性变化的交变应力下工作 零件工作时承受的应力通常都低于屈服强度 机件在这种交变载荷作用下经过长时间工作也会发生破坏 这种破坏现象通常称为金属的疲劳 据统计 约80 的机件失效为疲劳破坏 当零件所受的应力低于某一值时 即使循环周次无穷多也不发生断裂 称此应力值为疲劳强度或疲劳极限 N0 N 钢 N0 10 7 有色金属 N0 10 8 N0 循环基数 影响疲劳强度的因素 内部缺陷 表面划痕 残留应力等 1 疲劳强度 疲劳曲线