金属力学性能基本知识讲义版.

金属力学性能基本知识内蒙古电力科学研究院张少军目录•1.金属材料的力学性能•2.力学性能指标•3.与力学性能有关的金属监督概念•4.与力学有关的失效实例一、金属材料的力学性能•强度：Rm、Rel•塑性：A、Z•韧性：KU2、KV2、K1c、δc、FATT•硬度：HB、HRA、HRB、HRC、HV、HL•疲劳：б-1•高温性能：蠕变极限、持久强度tt二、力学性能指标•1.强度金属在外力（静载荷）作用下，抵抗永久变形或破坏的能力。现行有效标准：GB/T228.1-2010主要强度指标：抗拉强度Rm屈服强度Rel•旧标准中Rm用бb表示，Rel用бs表示非标试样－矩形试样屈服强度：•金属材料在拉伸试验时产生的屈服现象是开始产生宏观塑性变形的一种标志。由于部件在实际使用过程中大都处于弹性变形状态，不容许产生微量塑性变形，因此出现屈服现象就标志着产生了过量塑性变形失效。强度计算公式：•拉伸试样原始截面积：•拉伸试样断后截面积：•屈服强度：单位：MPa•抗拉强度：单位：MPa2002dS＝2112dS＝0selSP＝R0bmSP＝R合金钢的屈服点：条件屈服强度：规定的塑性变形量一般为0.2％，即规定的引伸计标距0.2％时相对应的应力，相应的屈服强度为Rr0.2－－产生0.2％残余伸长时的载荷。0.2P00.2r0.2SP＝R2.塑性•金属在外力作用下，抵抗永久变形而不会被破坏的能力。•现行有效标准：GB/T228.1-2010主要指标有：延伸率（断后伸长率）：A断面收缩率：Z•旧标准中：A用δ表示，Z用ψ表示。2.1延伸率%100A00uLLL2.2断面收缩率2002dS＝2uu2＝dS%100010SSSZ当断裂处不在标距中心时：•断裂位置对延伸率的大小是有影响的；•断在标距正中的试样所得的延伸率最大；•断在标距中间1/3段试样可直接测量L1；•断在标距两端1/3段时，要求用位移法换算成相当于断在正中时的延伸率。3.硬度•金属抵抗比他更硬的物体压入的能力。布氏硬度：HB洛氏硬度：HRA、HRB、HRC维氏硬度：HV里氏硬度：HL布氏硬度HB•GB/T231.1-2009新规定：•取消了用钢球压头进行试验的规定，仅使用硬质合金球压头，试验范围上限为650HBW布氏硬度HBGB/T231.1-2002新规定：•1.取消了用钢球压头进行试验的规定，仅使用硬质合金球压头，试验范围上限为650HBW。•2.对试样最小厚度规定作了调整，将试样厚度至少应为压痕深度的10倍改为8倍。•3.对压痕间距的规定作了调整，将两相邻压痕中心距离不应小于压痕平均直径的4倍改为3倍。布氏硬度值标记•布氏硬度值与试验条件有关，硬度值标记由4种符号组成：•1.球体材料：硬质合金球•2.球体直径：10mm（标准压头）、5mm、2.5mm、1mm•3.试验力：其大小与压头直径有关。一般F/D2=30倍、15倍、10倍、5倍、2.5倍、1倍。•4.试验力的保持时间：黑色金属为10s、有色金属为30s、对HBS35的材料为60s、10~15s时不标注例：120HBS10/1000/30例：500HBW5/750应特别注意的是：对于不同的试验材料，当使用不同的试验力时，标准规定压痕直径d应当在0.25～0.60D范围内，所测硬度才有效。因此在试验中，对于给定试验材料，当确定了使用哪种直径的球后，还要考虑F/D2值，以便使压痕直径在0.25D至0.6D之间。GB/T1172-1999《黑色金属硬度及强度换算值》•布什氏度与强度бb之间有一定的近似关系：不淬火钢材：低碳钢бb≈3.6HB中碳钢бb≈3.5HB高碳钢бb≈3.4HB不锈钢：бb≈4.0～5.0HB根据布氏硬度值可近似确定金属的抗拉强度。如果考虑到旋转弯曲的疲劳极限б-1大致是бb的一半，则布氏硬度值可以进一步与б-1联系起来。优点：精确度高，对试样制备要求不高，一般用在仲裁试验。缺点：不适合测定HB650的材料，因为材料的硬度太高容易引起钢球变形，使测定结果不准确。测量方法繁琐，效率低。洛氏硬度HR•原理：测量压痕深度。•条件：尽可能保证试验面是平面。•执行标准：GB/T230.1-2009《洛氏硬度试验方法》•试样厚度：•用金刚石圆锥压头试验时，试样厚度应不小于压痕深度的10倍。•用钢球压头试验时，试样厚度应不小于压痕深度的15倍。•两相邻压痕中心间距至少应为压痕直径的4倍，但不得小于2mm。•不同标尺的测量范围：GB230.1-2009•HRA：20～88圆锥形金刚石压头，60kg负荷•HRC：20～70圆锥形金刚石压头，150kg负荷•HRB：20～100淬硬钢球压头，100kg负荷•各标尺均有一定的测量范围，应根据标准规定正确使用。如：硬度高于HRB100，应采用C标尺的试验条件进行试验。同样，硬度低于HRC20，应换用B标尺试验。硬度高于HRC70，应换用A标尺试验。•HRA：用来测定HB700的高硬材料。HRB：用来测定HB=60~230之间比较软的金属及低碳钢。HRC：用来测定HB=230~700的调质钢及淬火钢。洛氏硬度•优点：1.可测高硬度材料2.压痕小，可测成品和薄板，对工件无损坏。3.测量方法简便，从刻度盘直接读出硬度值。缺点：1.压痕小，结果准确性低，通常应多测几点取其平均值。2.不同标尺的硬度不能统一、各标尺硬度值不能直接进行比较。维氏硬度HV•以四方锥体型金刚石压头压入试样表面，保持一定时间后卸载，测定压痕两对角线长度取平均值。•主要用于测定显微硬度。•优点：精度高、测量范围宽(软硬材料都可以测试)、不同标尺的硬度能够统一。•缺点：测定繁琐，工作效率低。里氏硬度HL•测量钢球冲击试样表面回弹时，距试样表面1mm处的回跳速度。执行标准：GB/T17394-1998《金属里氏硬度试验方法》•HL=VB/VA×1000其中：VB：回跳速度VA：冲击速度优点：1.可便携，5kg以上的部件放稳即可用2.可方便的换算为布、洛、维•里氏硬度是一种动态硬度试验方法，考察的是材料的弹性形变，表现为反弹速度的大小。测试时材料种类的选择•里氏硬度试验法是一种动载测试方法，它的测试值与金属的弹性模量E有关，材料不同所对应的弹性模量也不同，因而应按材料的种类进行分类测试。测试时对工件的要求•将被测试件上的油漆、氧化皮、麻点打磨掉，露出金属光泽，并且平整、光滑，不得有油污。•试样的重量（＞5公斤）、试样最小厚度（5mm）•试件不应带有磁性。•被测试样表面的曲率半径应≥30mm。测试操作时注意事项1.测试前应用硬度标块对仪器进行检验（示值误差±12HLD）。数值偏差超过标准时应给予校准。2.在大批量检验过程中应经常用硬度标块对仪器进行校对，在检验工作完成后也应对仪器进行校对，确认在整个测试过程中硬度计的测试误差在规定范围内。以保证测试结果的真实性。测试操作时注意事项•3.选择被测材料种类。•4.选择冲击方向，冲击方向应垂直于试验面。•5.给冲击装置加载时，应将加载套管压缩到底，然后缓慢松回原位。不可松手使其自由弹回，否则极易损坏机件。测试操作时注意事项•6.给加载套管加载时，不可将冲击装置支撑在试件上。•7.测试前应擦去试件表面的油污、铁屑、灰尘。•8.按释放按钮时不可过快、过重，以致使加载套管移动，测试值失准。测试操作时注意事项•9.每两次测试时间间隔不应少于3秒。•10.两压痕中心距离＞3mm，压痕中心距试样边缘距离＞5mm。•11.不可在同一点上重复测试，否则会引起较大的误差。同时会减少传感器的使用寿命。•12.测试数据的分散不应超过平均值的±15HL。测试操作时注意事项•13.应保证冲击瞬间垂直位置偏差在0.5mm之内，否则会使硬度值偏低。•14.对曲率半径小的工件可使用异性支撑环，（测外圆柱面、内圆柱面、外球面、内球面、不规则曲面），以保证测试方向能够垂直试件表面。测试操作时注意事项•15.试样重量小于5公斤时应夹持。•16.试件不应带有磁性，带有磁性的试件将使测量值偏低。•17.使用完毕后，应将冲击体释放。否则将加速加载弹簧的疲劳。里氏硬度的换算(GB/T17394-1998)1.测试的里氏值是通过与其它标准的静载荷硬度值（布氏、维氏、洛氏）对比曲线，将里氏值转换为相应的硬度值。2.由于各种硬度方法之间不存在明确的物理关系，受到相互比较中测量不可靠性的影响，因此换算会不可避免的带来不同程度的误差，换算只是近似的。3.在换算表中某一硬度范围内可能换算的相关性较好，而另一范围则相关性较差。里氏硬度的换算(GB/T17394-1998)4.同一换算范围某些材料可能适应性很好，而对另一些材料可能误差较大。5.不同来源的换算表之间存在差别，国内研制的换算表与瑞士换算表之间在某个硬度范围有差异是不可避免的。6.换算时一定要注意换算表适用条件，否则误差会较大。为了获得比较可靠的换算关系，应对具体材料作对比试验，将数据处理后作出具体换算值或换算曲线。•例如：每一点硬度值需打3点布氏硬度压痕，每个压痕周围均匀分布地测定5点里氏硬度，得出里氏硬度平均值和布氏硬度平均值的对应关系，做出硬度对比曲线。•对比曲线至少应包括三组对应的数据。试验结果处理：•用5个有效试验点的平均值作为1个里氏硬度试验数据。•尽量避免将里氏硬度换算成其他硬度，当必须进行换算时可参考附录。•里氏硬度表示方法：700HLD、450HLG。•用里氏硬度换算的其他硬度，应在里氏硬度符号之前附以相应的硬度符号：400HVHLD。4.韧性金属在冲击载荷作用下，抵抗破坏的能力。GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》中冲击吸收能量用KV2或KU2表示。有些材料在静力作用下，表现出很高的强度，但在冲击力的作用下，表现得很脆弱。例如：高碳钢、铸铁。旧标准：冲击韧性：ɑk或Ak(ɑku或ɑkv)单位：J/cm2或J冲击吸收能量符号冲击试样5.疲劳•疲劳断口的宏观结构取决于材料的性质、加载方式、载荷大小等因素。高周疲劳断口从宏观来看，一般有三个区，即疲劳源、疲劳裂纹扩展区（疲劳断裂区）和瞬时断裂区（静断区）。高周疲劳疲劳断裂寿命大于105以上周次，应力在Rel以下。即交变应力水平都处于弹性变形范围内。低周疲劳疲劳寿命小于105周次，应力在Rel以上或接近Rel。部件的设计应力本身一般不会达到材料的屈服应力，但部件上存在的缺口、开孔、焊缝等部位的应力集中使局部接近甚至进入了弹塑性状态，这种较小的局部塑性变形区通常又被广大弹性区所约束，所以即使实际构件的名义应力处于弹性范围，其关键部位却已进入弹塑性状态。•贝纹线从疲劳源向四周推进，与裂纹扩展方向相垂直，因而在与贝纹线垂直的相反方向。对着同心圆的圆心可以找到疲劳源所在地。•通常在疲劳源附近，贝纹线较密集，而远离疲劳源区，由于有效面积减小，实际应力增加，裂纹扩展速率加快。故贝纹线较为稀疏。•当断口上有多个疲劳源时，根据疲劳源区附近贝纹线的疏密程度可以判断疲劳源产生的先后次序。•贝纹线还与材料性质有关，即较小的间距表示材料韧性较好，疲劳裂纹扩展速率较慢。在较软的材料中易出现贝纹线，而在较硬的材料中则不易看到。6.弯曲试验：•是焊接接头力学性能试验的主要项目。弯曲试验时，试样截面上的应力分布是不均匀的，表面应力最大，因此可灵敏的反映材料表面缺陷。•用来比较和鉴定渗碳层和表面淬火层等表面热处理部件的质量和性能。•用于测定铸铁、铸造合金、工具钢、硬质合金等脆性材料的断裂强度，并能明显地显示出这类材料的塑性差别。如热处理工艺对合金工具钢的性能影响，常采用弯曲试验方法。7.屈强比：•材料的屈服极限和强度极限的比值，•即Rel/Rm。•提高屈强比可提高金属材料抵抗开始塑性变形的能力，有利于减轻部件的重量。但屈强比过高时又极易导致脆性断裂。8.高温性能•8.1.蠕变极限•定义：高温长期载荷下材料抵抗塑性变形的能力。•测定方法：给定温度下，使试样产生规定蠕变速率的应力值。•指标：tttttttttt