第1部分-金属材料力学性能

金属材料的力学性能主讲教师：赵仕梅Email：[e-mail]:15183140790ROADENERGY概述使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。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。神舟一号飞船ROADENERGY概述一.常用术语1.应力与应变作用在机件上的外力——载荷（静载荷、动载荷）FFF’FF=F’SFSF'（MPa）外力——内力——应力应力：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”。ROADENERGY材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。五万吨水压机概述ROADENERGY概述0l0dklFF拉伸前应变：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”0dkd拉伸后0llROADENERGY概述如何评定材料的力学性能？ROADENERGY一、弹性和塑性一、拉伸试验过程分析拉伸试验是指用静（缓慢）拉伸力对试样进行轴向拉伸，通过测量拉伸力和伸长量来测定试样强度、塑性等力学性能的试验。拉伸试样通常采用圆柱形拉伸试样（GB228—87）。L0——试样原始标距长度（mm）d0——试样的原始直径（mm）长试样L0=10d0短试样L0=5d0ROADENERGY一、弹性和塑性静拉伸试验机原理ROADENERGY一、弹性和塑性纵坐标表示力F，单位N；横坐标表示伸长量△L，单位为mm力-伸长曲线：如右图，以低碳钢为例（1）OP：弹性变形阶段(P为弹性极限点)试样变形完全是弹性的，这种随载荷的存在而产生，随载荷的去除而消失的变形称为弹性变形。Fp为试样能恢复到原始形状和尺寸的最大拉伸力。（2）PS：屈服阶段（S为屈服点）不能随载荷的去除而消失的变形称为。在载荷不增加或略有减小的情况下，试样还继续伸长的现象叫做屈服。屈服后，材料开始出现明显的塑性变形。Fs称为屈服载荷（3）SM：强化阶段（M为极限载荷点）随塑性变形增大，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）。Fm：试样拉伸的最大载荷。（4）MK：缩颈阶段（局部塑性变形）（K为断裂点）当载荷达到最大值Fm后，试样的直径发生局部收缩，称为“缩颈”。工程上使用的金属材料，多数没有明显的屈服现象，有些脆性材料，不但没有屈服现象，而且也不产生“缩颈”。如铸铁等。kmFpslsFFpmFos’ROADENERGY一、弹性和塑性二、强度指标：强度是金属材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。1.屈服强度和规定残余伸长应力（1）屈服强度是指材料开始产生明显塑性变形（屈服）时的应力，屈服强度是机械零件选材和设计的依据。计算公式：式中：屈服强度，MPa;:拉伸试样产生屈服时的恒定拉力或首次下降的最小拉力，N；:拉伸试样原始横截面积,。（2）规定残余延伸强度是指拉伸试样在卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长与原始标距比值达到规定的百分比是的应力，用表示，如表示规定残余伸长率为0.2%时的应力。0eSFRsLLLResLF0SrR2.0rR2mmROADENERGY一、弹性和塑性2.抗拉强度抗拉强度是指拉伸试样拉断前所承受的最大量称拉应力，用符号表示。可用下式计算：式中：抗拉强度，MPa；：拉伸试样承受的最大载荷，N；：拉伸试样原始横截面积，。是表征金属材料有均匀塑性变形向局部集中塑性变形过渡的临界值，也是表征金属材料在静拉伸条件下的最大承载能力。mRmR0SFRmmmRmF0S2mmmRROADENERGY三、塑性塑性是金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。金属材料的塑性可以用拉伸试样断裂时的最大相对变形量来表示。主要指标为断后伸长率和断面收缩率。1.断后伸长率拉伸试样拉断后的标距伸长与原始标距的百分比称为断后伸长率，用符号表示。可用下式计算：=式中：断后伸长率，%；：拉断拉伸试样对接后测出的标距长度,mm；：拉伸试样原始标距，mm。其中短拉伸试样的断后伸长率用符号，长拉伸试样测定的断后试样的断后生产率用符号。拉伸试样的颈缩现象一、弹性和塑性3.11A%100)(00LLLUUL0L3.11AA或3.11AA或3.11AA或AROADENERGY一、弹性和塑性2.断面收缩率断面收缩率是指拉伸试样拉断后颈缩处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号表示，可用下式计算：式中：断面收缩率，%；：拉伸试样原始横截面积，；：拉伸试样断口处横截面积，。2～5%，脆性材料；≈5～10%，韧性材料；10%，塑性材料。%100)(00SSSZUZUS2mm0S2mmZZZZROADENERGY说明：1.金属材料的伸长率（）和断面收缩率（）数值越大，表示材料的塑性越好。2.用断面收缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。例1.有一直径=10mm，=100mm的低碳钢试样，拉伸验时测得=21KN，=29KN，=5.65mm，=138mm，求：、、、。一、弹性和塑性3.11AA或Z0d0LsLFmFUdULLRemRAZROADENERGY二、硬度硬度:材料抵抗更硬的物体压入其内的能力,是材料性能的一个综合物理量。表示材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的能力。硬度测定方法有压入法、划痕法、回弹高度法等，其中压入法应用最广。在压入法中根据载荷、压头和表示方法的不同，常将硬度分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度三种。1.布氏硬度HB(Brinell-hardness)用直径D的淬火钢球或硬质合金球,在一定压力P下,将钢球垂直地压入金属表面,并保持压力到规定的时间后卸荷,测压痕直径d。（1）布氏硬度的测试原理：用一定直径的球体（钢球或硬质合金），以规定的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，然后用测量表面压痕直径来计算硬度。ROADENERGY布氏硬度计二、硬度)(2102.022dDDDPHB布氏硬度HB(Brinell—hardness)ROADENERGY二、硬度压头为钢球时，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以下的材料当F、D一定时，布氏硬度与d有关，d越小，布氏硬度值越大，硬度越高。（2）布氏硬度的表示方法：符号HBS之前的数字为硬度值符号后面按以下顺序用数字表示条件：1）球体直径；2）试验力；3）试验力保持的时间（10～15不标注）。例1.170HBS10/100/30、530HBW5/750解：（1）表示用直径10mm的钢球，在9807N的试验力作用下，保持30S时测得的布氏硬度值为170。（2）表示用直径5mm的硬质合金球，在7355N的试验力作用下，保持10~15s时测得的布氏硬度值为530。应用范围：主要适于灰铸铁、有色金属、各种软钢等硬度不高的材料。优点：测量误差小，数据稳定。缺点：耗时，测高硬度材料有限，压痕大，不宜成品及薄件布氏硬度压痕ROADENERGY二、硬度2.洛氏硬度HR(Rockwllhardness)用金刚石圆锥或钢球作压头，在规定的预载荷和总载荷下，压入材料，卸载后，测其深度ｈ，可在洛氏硬度计上直接读出，无单位。每0.002mm压痕深度为一个洛氏硬度单位。测试原理：采用金刚石圆锥体或淬火钢球压头，压入金属表面后，经规定保持时间后即除主试验力，以测量的压痕深度来计算洛氏硬度值。压头：锥角为120°金刚石圆锥或Ф1.588mm钢球ROADENERGY二、硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度计一般用于HB450的试验洛氏硬度用符号HR表示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。ROADENERGY符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。HRA用于测量高硬度材料,如硬质合金、表淬层和渗碳层。HRB用于测量低硬度材料,如有色金属和退火、正火钢等。HRC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：①操作简单迅速，能直接从刻度盘上读出硬度值；②压痕小，可测成品及较薄工件；③测硬度范围大。缺点：测量结果分散度大。钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕二、硬度ROADENERGY二、硬度洛氏硬度的分类及应用ROADENERGY二、硬度布氏硬度与洛氏硬度的比较洛氏硬度压痕很小，测量值有局部性，须测数点求平均值，适用成品和薄片，归于无损检测一类；布氏硬度压痕较大，测量值准，不适用成品和薄片，一般不归于无损检测一类。洛氏硬度的硬度值是一无名数，没有单位。（因此习惯称洛式硬度为多少度是不正确的。）布氏硬度的硬度值有单位，且和抗拉强度有一定的近似关系。洛氏硬度直接在表盘上显示、也可以数字显示，操作方便，快捷直观，适用于大量生产中。布氏硬度需要用显微镜测量压痕直径，然后查表或计算，操作较繁琐。ROADENERGY二、硬度3.维氏硬度HV维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度是一种以正四棱锥金刚石为压头的硬度测量方法。硬度值的定义与布氏硬度相同，即压痕表面上单位面积所承受的压力。所不同的是压痕形状为正四棱锥形。ROADENERGY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。试验力保持时间为10~15S时，可以不标出试验力保持时间。例如：640HV30表示用30kgf(294.2N)试验力，保持10~15S测定的维氏硬度值为640；640HV30/20表示用30kgf(294.2N)试验力，保持20S测定的维氏硬度值为640。应用：可测较薄的材料，也可测量表面渗碳、渗透层的硬度，可测定很软到很硬的各种金属材料的硬度、准确。小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计二、硬度ROADENERGY金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力叫做冲击韧度。常用夏比摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧度。三、冲击韧度指标为冲击韧性值ak(通过冲击实验测得)。ROADENERGYAk=GH1-GH2=G（H1-H2）试验原理：试样被冲断过程中吸收的能量即冲击吸收功（Ak）等于摆锤冲击试样前后的势能差。冲击韧度（ak）：冲击吸收功除以试样缺口处截面积。三、冲击韧度ROADENERGYak=AK/S（J·cm-2）Ak—冲断试样所消耗的冲击功（J）S—试样断口处的原始截面积（cm2）三、冲击韧度ROADENERGY材料韧性判据为冲击韧性ak，低值为脆性材料，高值为韧性材料。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；往往是受小能量多次重复冲击而破坏的。试验表明：在冲击能量不太大的情况下，其承受反复冲击的能力主要取决于强度，而不是很高的冲击韧性ak。三、冲击韧度ROADENERGY韧脆转变温度材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。韧三、冲击韧度ROADENERGYTITANIC建造中的Titanic号TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关ROADENERGY材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用-1表示。钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。疲劳应力示意图疲劳曲线示意图四、疲劳强度ROADENERGY材料的疲劳强度通常在旋转对称弯曲疲劳试验机上测定疲劳曲线,即交变应力与断裂前的循环次数N之间的关系。疲劳破坏原因:材料有杂质,表面划痕,能引起应力集中（指受力构件由于几何形状、外形尺寸发生突变而引起局部范围内应力显著增大的现象）,导致微裂纹,裂纹扩展致使零