第一章 金属的力学性能

《工程材料与热加工基础》——程晓宇《工程材料与热加工基础》第一章金属的力学性能机械工程系金工教研室《工程材料与热加工基础》——程晓宇第一章金属的力学性能•教学目标:•１．了解材料的主要力学性能指标：屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性等力学性能及其测试原理；•２．强调各种力学性能指标的生产实际意义；•３．了解工程材料的物理性能、化学性能及工艺性能。《工程材料与热加工基础》——程晓宇金属的力学性能定义:金属材料的力学性能是指金属材料在不同环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。指标:弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧性、断裂韧度和疲劳强度等。《工程材料与热加工基础》——程晓宇材料的其他性能•物理性能：密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等；•化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等；•工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性、热处理工艺性等。《工程材料与热加工基础》——程晓宇第一节强度和塑性•一、拉伸实验与拉伸曲线1.拉伸试样GB6397-86规定《金属拉伸试样》有：圆形、矩形、异型及全截面．常用标准圆截面试样。长试样：L0=10d0;短试样：L0=5d0拉伸试样《工程材料与热加工基础》——程晓宇第一节强度和塑性•2.拉伸过程《工程材料与热加工基础》——程晓宇拉伸试样的颈缩现象拉伸试验机《工程材料与热加工基础》——程晓宇•op段：比例弹性变形阶段；•pe段：非比例弹性变形阶段；•平台或锯齿（s段）：屈服阶段；•sb段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。•b点：形成了“缩颈”。•bk段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点断裂。•断裂总伸长为Of，其中塑形变形Og(试样断后测得的伸长)，弹性伸长gf。拉伸曲线《工程材料与热加工基础》——程晓宇4.应力与应变曲线•(1)应力σ：单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积S0表示:•F载荷(N)•σ=——(Mpa)•S0原始横截面积(mm2)•(2)应变ε：单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原始标距表示:•Δl伸长量(mm)•ε=——•l0原始长度(mm)•(3)应力－应变曲线（σ-ε曲线）:•形状和拉伸曲线相同，单位不同σbσsσeεσ《工程材料与热加工基础》——程晓宇退火低碳钢低、中回火钢淬火钢及铸铁中碳调质钢•5.不同材料的拉伸曲线《工程材料与热加工基础》——程晓宇二、强度和刚度0SF2.刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。弹性模量：弹性下应力与应变的比值,表示材料抵抗弹性变形的能力。即：E=σ/ε材料的E越大，刚度越大；E对组织不敏感；零件的刚度主要决定于E，也与形状、截面等有关。=σ/ε1.弹性:金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。弹性变形:随载荷撤除而消失的变形。《工程材料与热加工基础》——程晓宇3.弹性极限:Fe弹性极限载荷(N)σe=(Mpa)S0试样原始横截面积(mm2)σee《工程材料与热加工基础》——程晓宇4.强度:材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。种类:抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。(1)屈服点与屈服强度:产生明显塑性变形的最低应力值.Fsσs=(MPa)S0试样屈服时的载荷(N)试样原始横截面积(mm2)σs《工程材料与热加工基础》——程晓宇屈服强度(塑性变形量为0.2%，微量塑性变形)F0.2σ0.2=(MPa)S0试样原始横截面(mm2)试样产生0.2%残余塑性变形时的载荷(N)σ0.2：试样产生残余塑性变形0.2%时的应力试样产生0.2%残余塑性变形屈服点σs、屈服强度σ0.2是零件设计的主要依据；也是评定金属强度的重要指标之一。《工程材料与热加工基础》——程晓宇(2)抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力。•它表示材料抵抗断裂的能力。•是零件设计的重要依据；也是评定金属强度的重要指标之一。Fb试样断裂前的最大载荷(N)σb=(MPa)S0试样原始横截面积(mm2)σbσsσe《工程材料与热加工基础》——程晓宇三、塑性:是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。•(1)断面收缩率:是指试样拉断处横截面积的收缩量ΔS与原始横截面积S0之比。•(2)伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量ΔL与原始标距L0之比。S0-S1ψ=——-—×100%S0l1-l0δ=——-—×100%l0《工程材料与热加工基础》——程晓宇δ2~5%属脆性材科δ≈5~10%属韧性材料δ10%属塑性材料•思考:同一材料δ5＞δ10？•Δl=Δlu＋Δｌb•δ=Δl/l0=Δlu/l0+Δlb/l0δδuδbσbσsσeεσEδ塑性指标不直接用于计算，但任何零件都需要一定塑性。防止过载断裂；塑性变形可以缓解应力集中、削减应力峰值。《工程材料与热加工基础》——程晓宇练习题一•拉力试样的原标距长度为50mm，直径为10mm，经拉力试验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为71mm，颈缩区的最小直径为4.9mm，试求该材料的伸长率和断面收缩率的值？•解：•δ５=[（71-50）/50]x100%=42%•S0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2)•S1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2)•Ψ=[(S0-S1)/S0]x100%=24%《工程材料与热加工基础》——程晓宇练习题二•某工厂买回一批材料（要求：бs≥230MPa；бb≥410MPa；δ5≥23%；ψ≥50%）．做短试样（ｌ0=5ｄ0；ｄ0=10mm）拉伸试验，结果如下：Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;问买回的材料合格吗？•解：根据试验结果计算如下：•бs＝Fs／s０＝(19x1000)/(3.14x52)=242＞230MPa•бb＝Fb／s０＝(34.5x1000)/(3.14x52)=439.5＞410MPa•δ5＝[Δl／l0]x100%＝[(63.1-50)/50]x100%=26.2%＞23%•ψ＝[ΔS／S0]x100%＝60.31%＞50%•材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格。《工程材料与热加工基础》——程晓宇第二节硬度布氏硬度HB洛氏硬度HR维氏硬度HV锉刀法•五.硬度(hardness):是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力•常用测量硬度的方法《工程材料与热加工基础》——程晓宇(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度计《工程材料与热加工基础》——程晓宇(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)适用范围:＜450HBS;＜650HBW;《工程材料与热加工基础》——程晓宇(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。《工程材料与热加工基础》——程晓宇(2)洛氏硬度HR(Rockwllhardness)h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计10HRC≈HBS《工程材料与热加工基础》——程晓宇(3)维氏硬度HV(diamondpenetratorhardness)适用范围:测量薄板类;HV≈HBS;《工程材料与热加工基础》——程晓宇(5)锉刀法:一组硬度差为5HRC的锉刀。例如:10HRC、15HRC、20HRC等。《工程材料与热加工基础》——程晓宇六.冲击韧性(notchtoughness):材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。《工程材料与热加工基础》——程晓宇冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图《工程材料与热加工基础》——程晓宇试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:Ak=mgH–mgh(J)冲击韧性值ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。AKak=(J/cm²)S0《工程材料与热加工基础》——程晓宇七.疲劳强度(fatiguestrength):表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。《工程材料与热加工基础》——程晓宇钢材的循环次数一般取N=107有色金属的循环次数一般取N=108钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:σ-1=(0.45～0.55)σb《工程材料与热加工基础》——程晓宇1943年美国T-2油轮发生断裂《工程材料与热加工基础》——程晓宇八.比强度(specificstrength):材料的强度值与密度值之比。名称密度(g/cm3)强度(Mpa)比强度纯铝2.780～10030～37纯铁7.87180～28023～36纯钛4.5405～50090～111《工程材料与热加工基础》——程晓宇作业•１．熟悉拉伸曲线•２．掌握强度及塑性指标，了解这些指标在工程上的应用．•３．课后习题P21－１、４