第一章工程材料的力学性能

第一章金属材料的力学性能学习目的和要求：学习目的在于了解工程材料力学性能的物理意义，熟悉金属主要的力学性能指标，以便在设计机械时，根据零件的技术要求选用材料，或在编制金属加工工艺时参考。学完本章后，要求在掌握概念的基础上，熟悉有关术语、符号意义及应用场合，并了解测定方法。学习重点：1、掌握强度、塑性、韧性、硬度的概念、物理意义及应用；2、掌握布氏硬度和洛氏硬度的优缺点及应用场合。学习难点：1、疲劳强度和断裂韧性的概念及应用。§1-1材料的强度与塑性材料的力学（机械）性能，是指材料受不同外力时所表现出来的特性，这种特性是机器安全运转的保证。所以机械性能是设计机械时强度计算和选用材料的基本依据，是评价材料质量和工艺强化水平的重要参数。常用的机械性能指标，都是在特定条件下用规定的测试方法获得的，因为与实用工作状况不尽相同，所以选用数据时应考虑安全系数。一、弹性与刚度1、弹性：材料在外力作用下产生变形，当外力去掉后能恢复其原来形状的性能。2、弹性极限（σe）：材料承受最大弹性变形时的应力。3、刚度：材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量4、弹性模量（E）：应力与应变的比值，物理意义是产生单位弹性变形时所需应力的大小，表征材料产生弹性变形的难易程度。弹性模量是材料最稳定的性能之一，其大小主要取决于材料的本性，随温度升高而逐渐降低，材料的强化手段（如热处理、冷热加工、合金化等）对弹性模量影响很小。提高金属制品的刚度，可以通过更换金属材料、改变截面形状、增加横截面面积。为什么弹簧还要进行热处理？弹簧进行热处理的目的是什么？二、强度韧性材料拉伸曲线脆性材料拉伸曲线1、强度：材料在外力作用下抵抗永久变形（塑性变形）和断裂的能力。根据载荷的性质不同，有抗拉、抗弯、弯曲、剪切、扭转等几种强度。2、常用强度指标：屈服强度（σS）、抗拉强度（σb）、条件屈服强度（σ0.2）（对于在拉伸过程中屈服现象不明显的材料，规定以残余变形量为0.2%时的应力）、屈强比bs（其值越高，材料强度的有效利用率越高；但过高，塑性储备小，可靠性差，一般以0.75~0.80左右为宜）机械零部件或构件在使用过程中一般不允许发生塑性变形，材料的屈服强度是评价材料承载能力的重要力学性能指标。三、塑性1、塑性：材料在外力作用下产生塑性（永久）变形而不破坏的性能。2、常用塑性指标：延伸率（伸长率）（δ）%10000lllδ10与δ5的区别断面收缩率（ψ）%10000SSS断面收缩率的数值不受试样尺寸的影响，用断面收缩率表示材料的塑性更能接近材料的真实应变。断面收缩率和延伸率（伸长率）愈大，说明材料的塑性愈好。材料的塑性好，在接受焊接及变形加工时容易保证质量，在服役中不会因超载而突然断裂，较为安全。但塑性过高，会限制材料强度水平的发挥，所以设计机械零件时应使强度和塑性适当匹配，在提高强度的同时，保证有足够的塑性储备，一般要求δ在5~10%。§1-2材料的硬度一、硬度：材料抵抗更硬的物体压入其表面的能力。许多机械零件和工、模具，必须具有相当的硬度，才能保证使用性能和寿命。编制切削和冷冲压工艺规程时，硬度是主要考虑的因素之一。同时，因为硬度是机械性能的综合体现。所以有些机械零件只对材料的性能提出硬度要求。硬度试验无需专门试样，又不破坏工件，而且操作简单、迅速。所以，在生产中广泛应用硬度指标。一般情况下，材料的硬度越高，其耐磨性就越好。材料的硬度与其的力学性能（如强度、耐磨性）和工艺性能（切削加工、可焊性）之间存在一定的对应关系。二、硬度：材料对局部塑性变形的抵抗能力。根据硬度试验的方法不同，可有多种硬度指标。它们各有不同的优缺点和使用范围。工业上常用的是压入法测定的硬度指标。三、常用硬度指标：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、维氏硬度（HV）布氏硬度是在规定载荷下，采用压入钢球法测定的。其主要优点是测量结果准确。但由于压头为淬火钢球，为了防止钢球变形影响精度，故不能测HB450的材料，主要用于测试结构钢、铸铁、有色金属。另外，由于压痕较大，也不适于测成品件及过薄的零件。根据载荷与压头种类的匹配不同，可测出各种洛氏硬度值，常用的有三种：即HRC、HRB、HRA。与布氏硬度法比较，洛氏硬度试验操作简单、迅速、压痕小，可直接读出硬度值，不会损坏零件表面，用于测量成品或半成品零件的硬度；但由于压痕很小，当金属材料组织不均匀时回影响测量精度，故常测35点后取其平均值。维氏硬度试验与前两种硬度比较，有许多优点。既不象布氏硬度试验时受载荷与压头直径比例关系的约束，所用载荷小，也不存在压头变形问题。由于压痕清晰，采用对角线平均长度计算，精确可靠，硬度值误差小，测量精度高于布氏硬度和洛氏硬度。同时，能测量从极软材料（HV10）到极硬材料（HV1000），而不需要更换标尺，还特别适于测量极薄件和渗碳层、渗氮层、电镀层等。其不足之处是试验速度不如洛氏硬度试验高，故不宜用于大批量生产的常规试验。§1-3材料的冲击韧性冲击韧性：材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力。由于冲击载荷的加载速度大，使材料的塑性下降，脆性增加，所以其破坏性比静载荷大。根据冲击载荷能量的不同，分为一次冲击韧性和小能量多次冲击抗力。一、一次冲击韧性在工程上，常用一次冲击弯曲试验测定的冲击值（k）表示冲击韧性。二、多次冲击韧性多次冲击韧性是体现材料强度与塑性的综合指标。当冲击能量高时，材料的多冲抗力主要取决于塑性；冲击能量低时，则主要取决于强度。必须指出，一次冲击韧性值高，多次冲击韧性不一定好。例如某厂生产的锻锤锤杆（45钢），原采用调质（HB227-238），k值很高，但在使用中常常早期折断；后改为淬火+中温回火（HRC40-45）改善了多次冲击韧性，大大提高了寿命。这说明了机械零件的强度与塑性适当匹配的重要性。§1-4材料的疲劳强度一、交变载荷：载荷的大小和方向随时间呈周期性的循环变化。二、疲劳断裂：材料在交变载荷作用下发生的断裂现象。三、疲劳强度：材料在无数次重复或交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力。在实际生产中，提高疲劳强度的方法：1、通过合理选材、细化晶粒、减少材料和零件的缺陷；2、改善零件的结构设计，避免应力集中；3、降低零件的表面粗糙度（提高零件的表面光洁度）；4、对零件表面进行强化处理（喷丸处理、表面淬火、化学热处理等）§1-5材料的断裂韧性一、问题的提出低应力脆断——断裂力学二、应力场强度因子KI前面所述的力学性能，都是假定材料内部是完整、连续的，但是实际上，内部不可避免的存在各种缺陷（夹杂、气孔等），由于缺陷的存在，使材料内部不连续，这可看成材料的裂纹，在裂纹尖端前沿有应力集中产生，形成一个裂纹尖端应力场。表示应力场强度的参数——应力强度因子（KI），其表达式为：IK式中：——外加应力（MPa）；——裂纹的半长（m）三、断裂韧性对于一个有裂纹的试样，在拉伸载荷作用下，当外力逐渐增大，或裂纹长度逐渐扩展时，应力强度因子也不断增大，当应力强度因子KI增大到某一值时，就可使裂纹前沿某一区域的内应力大到足以使材料产生分离，从而导致裂纹突然失稳扩展，即发生脆断。这个应力强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性，用KIC表示，它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。当KIKIC时，裂纹失稳扩展，发生脆断。KI＝KIC时，裂纹处于临界状态KIKIC时，裂纹扩展很慢或不扩展，不发生脆断。KIC可通过实验测得，它是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。是材料的一种固有特性，与裂纹本身的大小、形状、外加应力等无关，而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。四、应用断裂韧性是强度和韧性的综合体现。1、探测出裂纹形状和尺寸，根据KIC，制定零件工作是否安全KI≥KIC，失稳扩展。2、已知内部裂纹2a，计算承受的最大应力。3、已知载荷大小，计算不产生脆断所允许的内部宏观裂纹的临界尺寸。