金属材料的力学性能

金属材料与热处理单元一金属材料的力学性能单元二金属材料的工艺性能内容掌握金属材料的强度和塑性的概念；掌握金属材料的疲劳强度的概念；掌握金属材料冲击韧性的概念；掌握材料硬度的概念和三种硬度表示方法；了解材料性能的表示方法。教学目的和要求一、强度、塑性；二、疲劳强度；三、冲击韧性；四、硬度教学内容摘要利用强度、硬度和塑性等指标综合评价材料。教学重点、难点教学难点强度、硬度、塑性和韧性的概念。教学重点金属材料的基本知识1.金属材料的类型：其他材料20%金属材料80%具有金属光泽。具有较好的延展性，容易加工成型。易导电、传热，是热和电的良导体。2.金属材料的特点：3.金属材料性能使用性能力学性能(强度、硬度、塑性、韧性等)物理性能（指熔点、导热性、导电性、磁性等）化学性能(抗氧化性、抗腐蚀性等)其它性能(耐磨性、热硬性、消振性等)工艺性能——加工成形的性能静载荷是指外力的大小和方向不变或变化很缓慢的载荷；冲击载荷是指突然增加的载荷；疲劳载荷则是指大小和方向随时间作周期性变化的载荷。根据载荷作用性质不同静载荷冲击载荷疲劳载荷是指金属材料在外加载荷作用下所表现出来的抵抗能力。1.1金属材料的力学性能工件在不同载荷形式下产生的变形抗拉强度抗压强度抗弯强度抗剪强度根据所加载荷形式的不同，强度表现为：拉伸试验（金属的抗拉强度和塑性都是通过拉伸试验测定）GB/T228.1-2010拉伸试样（低碳钢）d0L0长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0液压式万能电子材料试验机拉伸试验机拉伸试验（应力—应变）曲线e—弹性极限点S—屈服点b—极限载荷点（缩颈点）K—断裂点（1）弹性变形阶段（2）屈服变形阶段（3）强化阶段（4）缩颈阶段拉伸过程变化的三个阶段拉伸试样的颈缩现象弹性与塑性弹性:金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能回复其原来形状的性能，叫做弹性。弹性变形:随着外力消失而消失的变形，叫做弹性变形。塑性变形:在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形，叫做塑性变形。脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。灰铸铁的拉伸曲线强度：用于表示金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力。工程上常用的强度衡量指标屈服点屈服强度抗拉强度注意：一般多用抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。1.1.1强度对具有明显屈服现象的材料金属材料产生屈服现象的最低应力值称为屈服强度，用ReL表示，即对无明显屈服现象的金属材料常用其产生0.2%塑性应变所对应的应力值作为名义屈服点，称为名义(条件)屈服强度，用Rp0.2表示。如高碳钢、铜合金、铝合金等。F0.2S0Rp0.2=（MPa）（MPa）条件屈服强度:1.屈服点、屈服强度屈服强度—是塑性材料选材和评定的依据。屈服强度:0SFReLeL脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。2.抗拉强度（强度极限）是指试样在拉断前所承受的最大应力。即：2mm式中：Fm——试样在拉断前所受到的最大载（N）；So——试样原始横截面积（）。Rm——抗拉强度抗拉强度—是脆性材料选材的依据。（MPa）0SFRmm屈强比（ReL/Rm）：0.6~0.85屈强比高，材料利用率越高；屈强比低，零件的可靠性越高——综合考虑材料利用率和安全性1.1.2塑性塑性:金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致引起破坏的性能。塑性的衡量（塑性指标）：伸长率A和断面收缩率Z。A、Z越高，材料的塑性越好A2~5%属脆性材科A≈5~10%属韧性材料A10%属塑性材料良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。2.伸长率（A）是指试样拉断后的标距伸长量与原始标距之比。用A表示，即1.断面收缩率（Z）是指试样拉断处横截面积的收缩量与原始横截面积之比。用下式表示，即：%100-00LLLAu%100-00SSSZu1.1.3硬度硬度的含义布氏硬度洛氏硬度维氏硬度是指材料抵抗其它更硬物体压入其表面的能力。即表示金属材料抵抗局部变形的能力。硬度的表示方法常用的表示方法压入法划痕法回跳法用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后，测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值。1.布氏硬度（1）布氏硬度测量原理布氏硬度计淬火钢球HBS（硬度值450的材料）硬质合金钢球HBW（硬度值450~650的材料）（2）压头：（3）表示方法例如：350HBS、600HBW一般，数字+布氏硬度符号或后面依次注明压头直径、实验力以及保存时间。单位为MPa（通常不标明）布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。缺点：压痕大，不宜测量成品零件或薄件的硬度，以及比压头还硬的材料。布氏硬度适用于：常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火钢材的硬度。调质处理钢、原材料，毛坯。当HBS450时有效（HBW450-650)（4）布氏硬度特点用锥顶角为120°的金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后卸除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值。实际测量时，硬度值一般有硬度计的刻度盘上直接读出。(1)洛氏硬度测量原理2.洛氏硬度洛氏硬度计(2)洛氏硬度的分类及应用HRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不可直接比较大小表示为：硬度值+三种不同的标尺代号。（无单位）例如：20~85HRA20~100HRB20~70HRC（3）洛氏硬度表示方法HR=(k-h)/0.002不写单位（4）洛氏硬度特点：优点：缺点：测量操作简单，方便快捷，压痕小；测量范围大，能测较薄工件。测量精度较低，可比性差，不同标尺的硬度值不能比较。是生产中应用最广泛的硬度试验方法。可用于成品检验和薄件表面硬度检验。不适于测量组织不均匀材料。（5）洛氏硬度应用：布氏硬度与洛氏硬度的比较洛式硬度压痕很小，测量值有局部性，须测数点求平均值，适用成品和薄片，归于无损检测一类；布式硬度压痕较大，测量值准，不适用成品和薄片，一般不归于无损检测一类。洛式硬度的硬度值是一无名数，没有单位。（因此习惯称洛式硬度为多少度是不正确的。）布式硬度的硬度值有单位，且和抗拉强度有一定的近似关系。洛式硬度直接在表盘上显示、也可以数字显示，操作方便，快捷直观，适用于大量生产中。布式硬度需要用显微镜测量压痕直径，然后查表或计算，操作较繁琐。在一定条件下，HB与HRC可以查表互换。其心算公式可大概记为：1HRC≈1/10HB。维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕3.维氏硬度（HV）小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计维氏硬度（HV）测试计用压头为锥面夹角为136º的金刚石四棱锥体。以一定的试验力将压头压入试样表面，保持规定时间卸载后，在试样表面留下一个四方锥形的压痕，测量压痕两对角线长度，以此计算出硬度值。（2）表示方法维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。例如：580HV/30/20（1）维氏硬度测量原理优点：适用范围广，从极软到极硬材料都可测量;测量精度高，可比性强；能测较薄工件。缺点：测量操作较麻烦，测量效率低。（4）应用：广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度检验。不适于大批生产和测量组织不均匀材料。（3）特点：维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。1.1.4冲击韧性1.冲击韧性是指金属材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。摆锤式一次冲击试验小能量多次冲击试验冲击韧性的测定方法摆锤式一次冲击试验摆锤式冲击实验机试验原理试样被冲断过程中吸收的能量即冲击吸收功（Ak）等于摆锤冲击试样前后的势能差。()kuAmgHh(J)冲击韧度ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸收功。ak=AkAq(J/cm²)标准冲击试样有两种，一种是Ｕ形缺口试样，另一种是Ｖ形缺口试样。它们的冲击韧度值分别以aKU和aKV。材料的ak值愈大，韧性就愈好；材料的ak值愈小，材料的脆性愈大。通常把ak值小的材料称为脆性材料研究表明，材料的ak值随试验温度的降低而降低。2.断裂韧性低应力脆断工程零（构）件有时在应力低于许用应力的情况下也会发生突然断裂，称为低应力脆断。低应力脆断的原因由于实际应用的材料中常常存在一些裂纹和本身缺陷，如夹杂物、气孔等或加工和使用过程中产生的缺陷，裂纹在应力的作用下失稳而扩展，最终导致零（构）件断裂。1.1.5疲劳强度①疲劳破坏零件、工具等即使在低于材料屈服强度的交变载荷作用下，经过一定的循环次数后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳断裂。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。②疲劳破坏材料在对称载荷下的应力变化规律。③疲劳强度材料交变应力和断裂前应力循环次数之间的关系。有色金属的循环次数一般取N=108钢材的循环次数一般取N=107钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:R-1=(0.45～0.55)Rm疲劳曲线1④产生疲劳破坏的原因材料有杂质、表面划伤等缺陷应力集中微裂纹裂纹扩展破坏⑤提高疲劳强度措施材料方面保证冶炼质量，减少夹杂物和热加工产生的气孔和疏松等缺陷。设计方面尽量使零件避免尖角、缺口和截面突变，以避免应力集中及其所引起的疲劳裂纹。工艺方面降低零件表面粗糙度，并避免表面划痕、碰伤，防止这些地方出现形成疲劳裂纹；采用表面强化方法，如化学热处理、表面淬火、喷丸处理和表面涂层等，降低材料表面形成裂纹的可能性。1.2金属材料的物理性能和化学性能1.金属材料的物理性能：比重、密度、熔点、导电性、导热性、磁性、热膨胀系数。2.金属材料的化学性能：耐酸性、耐碱性、抗氧化性。成形工艺的应用重要环节：热处理？1.3金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能：是指用不同的加工手段所表现出来的难易程度。铸造性能（流动性、收缩、偏析等）锻压性能切削加工性焊接性热处理性能小结：1.强度、塑性的拉深实验测试；三种不同硬度的测试方法。2.强度、塑性、韧性、硬度以及疲劳强度的含义、特点、表示方法、及衡量指标。3.力学性能的实际应用，提高疲劳强度的措施。本单元了解了金属材料的类型和性能。重点学习了金属材料的力学性能的指标：强度、塑性、韧性、硬度以及疲劳强度。研究的意义：1.性能决定了材料的用途。2.性能决定了材料和零部件生产方法。3.性能的变化规律为改变材料性能达到人们需求提供途径。材料性能总结课后作业题1.什么是金属材料力学的性能？它与什么因素有关？2.什么是强度？塑性？硬度？韧性？谢谢大家！