第一章_工程材料力学性能

《工程材料与热加工》第一章金属的力学性能第一节材料的静态力学性能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拉伸试样一、拉伸试验拉伸试验录像二、强度2.拉伸过程动画演示拉伸试样的颈缩现象拉伸试验机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（es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。ΔlFΔlbΔluΔlFbbkFssogfeFepFp3.拉伸曲线4.应力与应变曲线(1)应力σ：单位面积上试样承受的载荷。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。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退火低碳钢低、中回火钢淬火钢及铸铁中碳调质钢不同材料的拉伸曲线5.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。6.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三、塑性塑性:材料在外力作用，抵抗塑性变形和断裂能力。塑性的表征：拉伸时的断后伸长率和断面收缩率1、试样伸长率10100%oLLL试样拉断后的标距（mm）1LoL试样原始标距（mm）2、断面收缩率010100%SSL试样断裂后缩颈处的最小横截面积（mm2）1SoS试样原始截面积（mm2）强度是表征材料变形抗力指标，塑性是描述变形能力的指标。注：长试样（L0=10d0）伸长率-------δ10短试样（L0=5d0））伸长率----------δ5同一种材料：δ5δ10塑形材料：δ5%，如，低碳钢；脆性材料：δ5%；如，铸铁。δ、Ψ越大，塑形越好。应用：板、棒、线材、型材加工工艺，考虑了其塑形特点。第二节硬度硬度：表征材料抵抗局部塑形变形的能力；反应材料的软硬程度指。应用：机械加工、耐磨性、使用寿命。测试方法：压入法：（破坏小）压头材料表面载荷压痕深度F/S硬度(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度计压头设备布氏硬度试验（单击）动画演示布氏硬度计算式及符号表示)/()(2102.0222mmNdDDDFSFHB压不写单位：kgf/mm2；当F的单位取（N）时，加系数0.102HBS：淬火钢球作压头，适用于＜450HBS;HBW：硬质合金作压头，适用于450HBS～650HBS;HB表示方法XXXHBS(W)XX/XXX/XX硬度值压头直径（mm2）试验力（0.102N）试验力保持时间（s）500HBW5/750表示用直径5mm硬质合金球在7355N试验力作用下保持10~15s测得的布氏硬度值为500例子：120HBS10/1000/30表示用直径10mm钢球压头在9807N试验力作用下保持30s测得的布氏硬度值为120特点及适用范围优点：测量数值稳定，准确；缺点：压痕大，操作费时，不适用批量生产和薄形件；一般用于试验各种硬度不高的钢材、铸铁、有色金属等，也用于试验经淬火、回火但硬度不高的钢件。适用范围(2)洛氏硬度HR(Rockwllhardness)h1-h0洛氏硬度测试示意图10HRC≈HBS洛氏硬度计洛氏录像（单击）洛氏硬度测量动画模拟洛氏硬度级别及其应用范围洛氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种，压头的类型、试验力下表选择：硬度符号压头类型载荷F/kg硬度有效范围使用范围HRA金刚石圆锥体6070～85测量硬质合金、钢表、淬火层或渗碳层HRB直径为1.588mm钢球10025～100（相当60～230HB）测量非铁金属退火、退火等HRC金刚石圆锥体15020～67(相当HB230～700)调质钢、淬火钢等硬度值+HR表示方法例：52HRC70HRA特点及适用范围优点：操作简便，压痕小，用于成品和薄形件；缺点：数据代表性不足，至少测3点求平均值；洛氏硬度HRC可以用于硬度很高的材料，在钢件热处理质量检查中应用最多。(3)维氏硬度HV(diamondpenetratorhardness)适用范围:测量薄板类;HV≈HBS;单击开始第三节冲击韧性在设计和制造受冲击载荷的零件和工具（如锻锤、冲床、铆钉枪等）时，必须考虑所用材料的冲击吸收功或冲击韧度。冲击韧度：材料在冲击载荷的作用下，抵抗变形和断裂的能力。用ɑk表示，采用一次冲击试验测量。冲击韧性(notchtoughness)试验GB229-84摆锤式冲击韧度试验原理冲击试验录像（单击）冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图动画模拟演示试验在摆锤式冲击试验机上进行，把试样放在试验机的支承面上，试样的缺口背向摆锤冲击方向。将质量为m的摆锤安放到规定的高度H，然后下落，将试样打断，并摆过支点升到某一高度h，试样在冲击试验力一次作用下，折断时所吸收的功为冲击吸收功为Ak。冲击功Ak计算：冲击试样消耗的能量。Ak=mg(H-h)（J）冲击韧度指标（αk）：标准试样断口处单位截面积消耗的冲击功。Akαk=(J/cm2)A0冲击韧性值越大，材料的冲击韧度越好，脆性越小。脆性材料：铸铁、淬火钢、陶瓷等；影响因素：温度、化学成分、试样形状、材料组织，表面粗糙度、环境、缺陷有关等。第四节疲劳强度(fatiguestrength)对称循环弯曲疲劳试验疲劳强度：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。承载疲劳载荷有：机床主轴、齿轮、弹簧、滚动轴承等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疲劳强度（疲劳极限）：在无数次交变载荷作用下，不致引起断裂的最大应力σ-1。循环次数钢的疲劳曲线疲劳断裂产生的原因金属晶体内部缺陷：夹杂、气孔；结构、表面形状及尺寸：划痕、结构截面的突变。断裂过程：应力集中微裂纹扩展断裂防止措施：合理的结构、表面粗糙度、强化表面等。1943年美国某T-2油轮发生断裂练习题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＞410MP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。谢谢大家！作业P18习题1、2、5,6.