1力学性能解析

第一章金属材料的力学性能工程材料及其热处理－12金属材料的力学性能——是指材料抵抗外力作用的能力。可以理解为金属材料抵抗外力引起的变形和断裂的能力。常用的力学性能有：刚度、强度、弹性、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳极限等。本章各节分别讨论各种力学性能及其指标。工程材料及其热处理－13第一节强度、刚度、弹性及塑性金属的强度、刚度、弹性及塑性一般通过金属材料室温拉伸试验测定。一、拉伸试验1、拉伸试验的试验条件：标准拉伸试样图1-1。Do：直径Lo：标距长度长试样：Lo=10Do短试样：Lo=5Do工程材料及其热处理－14工程材料及其热处理－152、拉伸试验试验过程：试样装夹在试验机上并缓慢施拉力F，随F↑，试样沿轴向方向被拉长，而径向直径缩小，直至试样拉断。试验机上会自动画出F－Δl（轴向力—轴向伸长量）的拉伸曲线。工程材料及其热处理－16二、拉伸曲线与应力、应变曲线1、拉伸曲线图1-2为低碳钢的拉伸曲线。低碳钢试样在拉伸过程中，可以分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。工程材料及其热处理－172、应力、应变曲线为了消除试样尺寸的影响，把拉伸曲线变换为应力、应变曲线。把试样承受的力除以试样的原始横截面积，得到试样所受的应力把试样的伸长量除以试样的原始标距长度，得到试样的相对伸长，即应变应力、应变曲线与拉伸曲线的形状基本相似，只是坐标与数值不同，可以直接分析金属材料的一些力学性能。oAFoll工程材料及其热处理－18σsσ0.2σbσbσe低碳钢与铸铁的应力应变曲线工程材料及其热处理－19三、刚度和弹性1、弹性模量E在弹性变形范围内，应力与应变的比值（OE的斜率）称为材料的弹性模量，工程上称为刚度E物理意义：金属材料产生单位弹性的相对变形所需的应力，（刚度）是表征材料抵抗弹性变形的能力。E值越大，材料的刚度越大。E工程材料及其热处理－1102、弹性极限σe是材料在不产生塑性变形时所能承受的最大应力值。由图可知，当应力未达到E点前，试样只产生弹性变形，故σe为材料在弹性变形阶段的最大应力，称为弹性极限（或称为弹性变形）。oeeAF工程材料及其热处理－111四、强度强度是指金属材料在静力作用下，抵抗永久变形和断裂的能力。从应力、应变曲线可以确定材料的屈服强度和抗拉强度。1、屈服强度σs是静拉伸过程中开始产生明显塑性变形时的应力而对于低塑性材料，规定外力去除后产生0.2%塑性变形量所对应的应力值为该材料的条件屈服强度，记为σ0.2。2、抗拉强度σb——材料断裂前所承受的最大应力工程材料及其热处理－112屈强比（σs/σb）：0.6~0.85屈强比高，强度利用率高；屈强比低，安全性高——综合考虑材料利用率和安全性工程材料及其热处理－113五、塑性塑性——材料在外力作用下产生塑性变形而不发生断裂的能力。常用伸长率和断面收缩率表示。1、伸长率δ试样拉断后，标距的伸长量与原始标距之比称为伸长率。用δ表示：δ5与δ10关系δ5＞δ102、断面收缩率（Ψ）是指试样拉断后，断口处横截面积的缩减量与原始横截面积之比称为断面收缩率。用ψ表示金属材料的伸长率（δ）和断面收缩率（ψ）数值越大，表示材料的塑性越好。%100%100oook工程材料及其热处理－114第二节硬度硬度是衡量金属材料软硬程度的一种力学性能。硬度测定最常用的是压入法，它是用一定几何形状的压头，在一定试验力下，压入被测试的金属材料表面，根据压入程度来测定其硬度值。硬度测定的方法很多，常用的有布氏硬度，洛氏硬度，维氏硬度等。工程材料及其热处理－115一、布氏硬度1、布氏硬度的测试原理：用一定直径D的球体（淬火钢球或硬质合金球），以规定的试验力F压入试样表面，经规定的保持时间t后卸除试验力，测量表面压痕直径d，计算压痕表面积A，最后计算压痕单位面积所承受的平均压力F/A，作为被测材料的布氏硬度值。布氏硬度用符号HB表示。F、D都是规定的已知数，只要测量得到压痕直径d，就可以计算出布氏硬度值。当F、D一定时，布氏硬度值与d有关，d越小，布氏硬度值越大，硬度越高。)(/2)(22222dDDDFdDDDAAFHB工程材料及其热处理－116工程材料及其热处理－1172、布氏硬度的写法：分为标准写法和简化写法，标准写法是先写具体硬度值，再写符号HB（用淬火钢球硬度符号记为HBS，硬质合金钢球硬度符号记为HBW），符号后面按规定的顺序标出具体的测试条件（压头直径/试验力/试验力保持的时间（10~15不标注））。简化写法，就是先写具体硬度值，再写符号。例如500HBW5/750表示用直径5mm硬质合金球，在试验力750kgf(7.355kN)作用下，保持10-15s，测得的布氏硬度值为500。工程材料及其热处理－1183、应用范围及优缺点布氏硬度用于测定灰铸铁、有色金属、各种软钢等硬度不是很高的材料。优点：能准确反映出金属材料的平均性能。缺点：试验操作时间长，压痕测量较费时；压痕较大，不适宜测试成品工件或薄片金属的硬度。工程材料及其热处理－1194、布氏硬度试验条件的选择即试验力F和压头球直径D的选择。这种选择不是任意的，而是要遵循一定的规则，并且要注意试验力和压头球直径的合理搭配。布氏硬度试验最常用的试验条件是采用10mm直径的球压头，3000kg试验力。但是由于试样材质不同，硬度不同，试样大小，薄厚也不同，一种试验力，一种压头自然不能满足要求。在试验力和压头球直径的选择方面需要遵循以下两个规则：工程材料及其热处理－120规则一，要使试验力和球压头直径的平方之比为一个常数。即F/D2=F1/D12=F2/D22=K这个规则来源于相似律。在这种条件下，采用不同的试验力和不同直径的球压头，在同一试样上测得的硬度值是相同的，在不同的试样上测得的硬度值是可以相互比较的。工程材料及其热处理－121布氏硬度试验可选择的试验力从3000kg到1kg大约有20个级别。布氏硬度试验可选择的压头直径为Ø10mm、Ø5mm、Ø2.5mm、Ø1mm共4种。布氏硬度试验可选择的F/D2值为30、15、10、5、2.5、1共6种。标准GB/T231.1—2002中规定试验力和压头直径平方之比（F/D2）应按材料的种类和硬度范围来选择，如表1-２所示。工程材料及其热处理－122材料布氏硬度范围HRW试验力-压头球直径平方的比率F/D2钢、镍合金、钛合金30铸铁1）140≥1401030铜及铜合金35535~2001020030轻金属及合金352.535~8051015801015铅、锡１表1-２试验力—压头直径平方之比的选择工程材料及其热处理－123测试钢铁材料，通常采用3000kg力，10mm球的试验条件，有K=F/D2=30测量范围为100~650HBW。根据相似律，采用750kg力，5mm球；187.5kg力，2.5mm球；K值都是30，测量范围也都是100~650HBW，各种不同组合在测试同一试样时，其硬度值应该是相等的。工程材料及其热处理－124规则二，试验后要使压痕直径处于以下范围内：0.24D≤d≤0.6D否则试验结果是无效的,应选择合适的试验力重新试验。人们的大量试验表明，当压痕直径在0.24D~0.6D之间时，测得的硬度值与试验力大小无关。工程材料及其热处理－125二、洛氏硬度：1、测试原理：采用120°的金刚石圆锥压头，或φ1.588mm淬火钢球，压入金属表面，经规定保持时间后去除试验力，测量压痕深度h来计算洛氏硬度值。洛式硬度用符号HR表示。式中，K—常数，金刚石压头取值100，球形压头取值130，0.002含义是每0.002mm压痕深度为一个洛式硬度单位。工程材料及其热处理－1262、常用标尺为了测量从软到硬不同材料的硬度，可采用不同的压头和试验力，组成不同的洛式硬度标尺。每一标尺用一个字母在洛氏硬度符号HR后面加以注明。其中常用的洛氏硬度标尺是A、B、C三种，其中C标尺应用最为广泛。见表1-3。硬度符号压头类型总试验力F/N（kgf）硬度范围应用举例HRA120o金刚石圆锥588.4(60)20~88硬质合金、碳化物、浅层表面硬化钢等HRBφ1.588mm淬火钢球980.7(100)20~100退火、正火钢，铝合金、铜合金、铸铁HRC120o金刚石圆锥1471(150)20~70淬火钢、调质钢、深层表面硬化钢表1-3常用洛氏硬度标尺的试验条件和应用范围工程材料及其热处理－127洛式硬度的表示方法：符号HR前面的数字表示硬度值，HR后面的字母表示不同洛氏硬度的标尺。3、优缺点：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：压痕小，对于不均匀材料，数值不够准确。工程材料及其热处理－128三、维氏硬度。1、测试原理：与布氏硬度试验相同。它是一个用相对面夹角为136°的金刚石正四棱椎体压头，试验力卸载后，测量压痕两对角线的平均长度d，计算压痕表面积A，最后计算压痕表面积上的平均压力F/A，作为被测材料的维氏硬度值。维氏硬度用符号HV表示。实际应用时，根据测量得到d，查表可得到维氏硬度值。F↓工程材料及其热处理－1292、维氏硬度写法：与布氏硬度相同。先写硬度值，再写符号HV，符号后面按顺序用数字表示试验力和试验力保持时间。如：640HV30表示用30kgf(294.2N)试验力，保持10s~15s测定的维氏硬度值为640。由于各种硬度测定方法，试验条件不同，理论上没有换算关系。但根据试验结果，可以获得粗略的换算关系:HBW≈HV≈10HRC工程材料及其热处理－130第三节冲击韧性金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定金属材料的冲击韧性。1、冲击试验标准试样:夏比U形缺口试样和夏比V形缺口试样，见图1-8、1-9。工程材料及其热处理－1312、试验方法：见图1-11。试验时，试样放在试验机的两支座上，把质量G的摆锤抬到H的高度，然后释放摆锤将试样冲断，并向另一个方向升高到h高度。所以摆锤冲断试样失去的位能为GHg-Ghg，这就是冲击过程所消耗的功，称为冲击吸收功Ak。冲击吸收功的数值可以从试验机直接读得。工程材料及其热处理－132图1-11冲击试验示意图工程材料及其热处理－133冲击吸收功Ak值与材料的冲击韧性成正比关系，Ak值越大，材料韧性越好。一般把冲击吸收功Ak值低的材料称为脆性材料，把冲击吸收功Ak值高的材料称为韧性材料。工程材料及其热处理－1343、金属的冲击吸收功Ak与温度直接相关：（1）T↓，Ak↓（2）存在韧脆转变温度Tk：当TTk时，金属为脆性状态Ak↓脆性区韧性区工程材料及其热处理－135第四节疲劳1、疲劳现象在交变应力作用下，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后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。一般认为，疲劳失效过程可分为疲劳裂纹产生、疲劳裂纹扩展和瞬时断裂三个阶段。工程材料及其热处理－1362、疲劳曲线与疲劳极限疲劳曲线是指交变应力与循环次数的关系曲线。见图1-16。.其特征是循环周次N随所受应力的降低而增加。一般零件不必作无限循环工作，工程上规定，对于钢铁材料N为107时（有色金属材料为N为108时）能承受的最大循环应力为疲劳极限。工程材料及其热处理－1373、提高疲劳极限的途径合理设计零件结构、避免应力集中、降低表面粗糙度值以及进行表面强化等，可以提高工件的疲劳极限。4、其他疲劳（1）低周疲劳（2）冲击疲劳（3）热疲劳（4）接触疲劳（5）腐蚀疲劳工程材料及其热处理－138作业：2、5、11、12、13、15