工程材料与机械制造基础-第2章

第二章金属材料的主要性能力学性能(机械性能)：指金属材料在外力作用时表现出来的性能。包括强度、硬度、刚度、塑性、冲击韧性、疲劳强度和断裂韧性等。第一节静载下金属材料的力学性能载荷(外力)形式一、弹性和塑性弹性变形：金属材料受外力作用时产生变形，当外力去除后能恢复其原来形状的性能。弹性变形的大小与外力成正比。塑性变形：金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致引起断裂的性能，称为塑性。在外力去除后保留下来的这部分不能恢复的变形，称为塑性变形。塑性变形的大小与外力不成正比。)(0MPaFP应力：%100001LLL应变：拉伸试验。图低碳钢的σ-ε曲线P——拉力F0——试样原始截面积L0——试样原始长度L1——试样拉断后的长度第一阶段oe：弹性阶段。弹性极限：σe第二阶段es：屈服阶段。屈服极限：σs第三阶段sb：强化阶段。强度极限：σb第四阶段bz：缩颈阶段(截面积减小,载荷下降)。z：试样断裂。图低碳钢的σ-ε曲线图铸铁的σ-ε曲线(1)延伸率（伸长率）延伸率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。式中：L1—试样拉断后的标距(mm)；L0—试样的原始标距(mm)；ΔL—最大伸长(mm)。%1000010LLLLL(2)断面收缩率%1000100FFFFF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。式中：F1—试样拉断后缩颈处最小横截面积(mm2)；F0—试样的原始横截面积(mm2)；ΔF—试样缩颈处截面积的最大缩减量(mm2)。δ或ψ越大,表示材料的塑性越好。短试样（L0=5d0）δ5比长试样（L1=10d1）的δ10长大20%左右δ随试样原始长度的增加而减小。延伸率和断面收缩率数值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的金属可以发生大量塑性变形而不破坏，便于各种压力加工获得复杂形状的零件。纯铁的塑性很好，工业纯铁的延伸率δ可达50%，断面收缩率ψ可达80%，可以拉成细丝、轧成薄板。铸铁塑性很差延伸率δ断面收缩率ψ几乎为零，不能进行塑性变形加工。刚度：金属材料受外力作用时，抵抗弹性变形的能力称为刚度。EE越大，表示在一定应力作用下，能发生的弹性变形越小，也就是刚度越大。E：弹性模量二、刚度金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。根据载荷的不同可分为：抗拉强度、抗压强度、抗剪强度和抗扭强度等。)(0MPaFPss屈服强度：)(0MPaFPbb抗拉强度：bs/叫屈强比，一般为0.65-0.75。屈强比越小，可靠性越高。屈强比越大，强度利用率越高，可靠性降低。三、强度金属材料的强度与其化学成分和工艺过程，尤其是热处理工艺有密切的关系。如:(1)纯金属的抗拉强度低纯铁为200MPa，铜为60MPa,铝为40MPa(2)铁碳合金：退火状态下碳质量分数分别为0.2%、0.4%、0.6%抗拉强度为350MPa、500MPa和700MPa(3)碳质量分数同为0.4%经过淬火+高温回火后抗拉强度为700MPa～800MPa(4)合金钢的抗拉强度可达1000MPa～1800MPa四.硬度硬度：材料抵抗另一硬物体压入其内的能力。硬度的表示方法布氏硬度洛氏硬度各种不同方法测得的硬度值可以进行转换。维氏硬度①用载荷P把直径为D的淬火钢球或硬质合金球压入试件表面，并保持一定时间，而后卸除载荷;②测量钢球在试样表面上所压出的压痕直径d，从而计算出压痕的面积;③计算出单位面积所受的力用此数字表示试件的硬度值，即为布氏硬度，用符号HB表示。(1)布氏硬度P压头为淬火钢球时用HBS.压头为硬质钢球时用HBW.(2)洛氏硬度根据压头的种类和总载荷的大小洛氏硬度常用的表达方式有三种HRA、HRB和HRCHRAHRBHRC70～8525～10020～67(3)维氏硬度首先将一个相对面有一定夹角的金刚石锥体压头，以力F压入材料表面，然后测量压痕两条对角线长度。2221891.08544.1102.02sin280665.911dFdFdFSFgHVn三种硬度之间的大致换算关系中等硬度下大致的关系如下：1HRC≈10HBS1HBS≈1HV各种不同方法测得的硬度值之间可以通过查表的方法进行转换。第二节动载和高温下金属材料的力学性能一.冲击韧性冲击韧性：金属材料在冲击载荷作用下，抵抗断裂的能力。一次摆锤冲击弯曲试验来测定韧性。FAFGHGHkk21αk：冲击韧度(J/m2)Ak：冲击吸收功(J)F：试样缺口处截面积(m2)图(a)试验机图(b)试样冲击韧性与材料的组织有密切关系:如:碳质量分数为0.45%的铁碳合金,正火后的组织为索氏体+铁素体,αk值为500kJ/m2～800kJ/m2,而调质处理后αk值为800kJ/m2～1200kJ/m2。αk或Ak值越大，则材料的韧性越好。二、疲劳强度疲劳：在交变应力的作用下，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而产生裂纹或突然断裂的过程称为金属的疲劳。交变应力：随时间作周期性变化的应力。材料承受的交变应力σ与材料在断裂前承受交变应力的循环次数N之间的关系可用疲劳曲线来表示。交变应力：随时间作周期性变化的应力。疲劳断裂：零件在工作时受交变载荷，当交变载荷的值远远低于其屈服强度时，零件就发生了断裂，这种现象称为疲劳断裂。疲劳强度：当应力低于一定值时，试样可以经受无限周期循环而不破坏，此应力值称为材料的疲劳强度。图疲劳曲线和对称循环交变应力图材料承受的交变应力越大，则断裂时应力循环次数N越小。对于黑色金属，一般规定应力循环107周次而不断裂的最大应力称为疲劳极限。有色金属取108周次。金属的疲劳极限受很多因素的影响。主要有工作条件、表面状态、材质、残余内应力等。改善零件的结构形状、降低零件表面粗造度以及采取各种表面强化的方法，都能提高零件的疲劳极限。第三节金属材料的物理、化学和工艺性能一、物理性能密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性二、化学性能耐腐蚀性和抗氧化性耐腐蚀性：金属材料在常温下抵抗氧、水蒸汽及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力。抗氧化性：金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力。金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性统称为化学稳定性。三、工艺性能金属材料的工艺性能是指其冷、热加工的难易程度。习题一2,3,7σb——强度强度，MPaσs——屈服强度,MPaσ0.2——屈服强度,MPaσ-1——疲劳强度,MPaδ——伸长率、延伸率αK——冲击韧性,J/cm27.比较45HRC650HBW800HV240HBS的大小。答：800HV650HBW45HRC240HBS