29金属材料的力学性能

多媒体技术金属材料的力学性能◇金属材料的常用五大力学性能指标。◇掌握金属力学性能的基本概念及其指标；◇认识拉伸曲线图，掌握强度、塑性的衡量指标及其意义；◇掌握常用硬度的测试方法及适用范围。◇掌握冲击韧度、疲劳强度的衡量指标及其意义。知识目标：●能力目标：●◇能根据拉伸曲线图比较不同金属材料的强度、塑性；◇能根据材料及其热处理状态，正确选用硬度测试方法；◇能根据力学性能指标合理选用金属材料。重点及难点：●北极星导弹美国空客泰坦尼克号●引言●铸造性●锻造性●焊接性●热处理工艺性●切削加工性●金属材料的性能：●物理性能●化学性能●力学性能使用性能保证机械零件能正常使用应具备的性能工艺性能各种加工过程中表现出来的性能使用性能、工艺性能金属的力学性能金属材料在各种载荷(外力)作用下表现出来的抵抗变形和破坏的能力。●载荷（外力）形式：●静载荷●冲击载荷●疲劳载荷●拉伸●压缩●弯曲●剪切●扭转●载荷分类：包括：强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳强度一、强度●拉伸试验1、拉伸试验机2、拉伸试样长试样（1）圆柱形试样短试样（2）板状试样L0、d0是规定的标准值通常，L0取100mm或者50mm3、拉伸曲线分析（低碳钢）弹性变形变微量塑变屈服均匀塑变缩颈局部塑变断裂4、低碳钢的应力-应变曲线应力σ=F/A0应变ε=△L/L0几种常见金属材料的应力-应变曲线1-铝青铜2-低碳钢（C，0.35%）3-硬铝4-铜●强度——金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。抵抗塑性变形和断裂的能力越大，则强度越高。按载荷作用方式不同，强度可分为：抗拉强度、抗弯强度、抗压强度、抗剪切强度工程上常用的强度指标：屈服强度、抗拉强度1、屈服强度●强度指标屈服1）符号σs2）大小σs=Fs/Ao3）意义屈服强度表示材料抵抗塑性变形的能力；是塑性材料选材的依据。（产生屈服现象的最低应力）弹变塑变2、抗拉强度●强度指标0.2铸铁的应力-应变曲线有些金属材料在拉伸时无明显的屈服现象（如左图的铸铁），无法测定其屈服强度σs。按GB/T228-2002规定，可用条件屈服强度σ0.2表示。含义：残余变形量为0.2%时的应力值。2、抗拉强度●强度指标缩颈1）符号σb2）大小σb=Fb/Ao3）意义材料抵抗断裂的能力；是选材的依据（断裂前的最大应力）塑变断裂金属材料在断裂前产生永久变形的能力。●塑性指标●伸长率（δ）●断面收缩率（φ）二、塑性δ=（L1-L0）/L0×100%试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比●伸长率（δ）L0——试样原始标距（mm）L1——试样拉断后标距（mm）注意：当L0=10d0时，伸长率用（10）表示；当L0=5d0时，伸长率用5表示；直径d0相同时，L0，。只有当L0/d0为常数时，塑性值才有可比性；同一材料的试样长短不同，测得的伸长率数值是不相等的（一般有5）；比较不同材料的伸长率时，应采用尺寸规格一样的试样。●断面收缩率（φ）试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。A0——试样原始横截面积（mm2）A1——试样拉断后缩颈处最小横截面积（mm2）φ=(A0-A1)/A0×100%说明：用断面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形；●塑性指标●塑性好，利于材料成形加工（锻压、轧制等）；●塑性好，可以防止过载，避免突然断裂；●伸长率和断面收缩率数值越大，材料的塑性越好；拉伸试样的缩颈现象●塑性意义材料抵抗表面局部塑性变形的能力。衡量金属软硬程度的一种性能指标。三、硬度●硬度指标布氏硬度维氏硬度洛氏硬度●布氏硬度（1）试验原理●布氏硬度（2）计算公式●布氏硬度（3）试验规范GB/T231.1——2002压头：10mm、5mm、2.5mm、1mmF/D2：30、15、10、5、2.5、1试验力：钢铁材料为10～15s，有色金属为30s，布氏硬度值＜35时为60s（4）表示方法符号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压头直径、载荷及载荷保持时间（10～15s不标注）。如120HBW10/1000/30表示直径为10mm的硬质合金球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下，保持30s测得的布氏硬度值为120。布氏硬度压痕优点：测量误差小，数据稳定。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料，操作麻烦。适于测量退火、正火、调质钢，铸铁及有色金属的硬度。●布氏硬度（5）优缺点及应用范围●洛氏硬度（1）试验原理•洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002•根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计●洛氏硬度•符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。HRA用于测量高硬度材料,如硬质合金、表淬层和渗碳层。HRB用于测量低硬度材料,如有色金属和退火、正火钢等。HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。缺点：测量结果分散度大。钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕●洛氏硬度维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕●维氏硬度•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。•根据载荷范围不同，规定了三种测定方法—维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。•维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。●维氏硬度显微维氏硬度计小负荷维氏硬度计●硬度测试方法比较方法压头符号原理优点缺点表示方法应用范围布氏硬度HBW洛氏硬度HRAHRBHRC维氏硬度HV金刚石圆锥压痕面积测量准确损伤大操作繁450HBW软材料：有色,软钢毛坯半成品淬火钢球压痕深度损伤小较迅速不够准确不连续45HRC表层薄而硬有色,软钢成品、薄件各种淬火钢金刚石四棱锥压痕面积准确连续性不适于成批800HV从软到硬更宜：更薄更硬硬质合金球金刚石圆锥●金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。●冲击试验意义●判断材料的韧、脆性：αk高为塑材●检验材料的冷脆、裂纹、白点等●冲击材料的选材依据四、冲击韧度冲击试验●指标为冲击韧性值ak(通过冲击实验测得)。冲击韧性值（ak）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=S0(J/m2)测定冲击韧性值的意义1）评定材料相对韧性的大小2）评定材料的变脆倾向材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。韧TITANIC建造中的Titanic号TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果Titanic近代船用钢板1、疲劳现象：某些零件（如齿轮、主轴、弹簧）受力较小，甚至远低于材料屈服点，长时间工作后发生突然断裂的现象。2、疲劳断裂特点：1）受力小，甚至远低于材料的屈服点；2）受力为交变应力；3）断裂前无明显塑性变形，具有突然性3、疲劳强度：1）材料经相当次数循环而不发生断裂的最大应力；2）符号为σ－1；3）σ-1越高，断裂前循环次数越多，零件寿命越长五、疲劳强度4、疲劳试验：5、疲劳断裂原因与提高疲劳强度途径：影响疲劳强度的因素：应力集中；材料内部组织缺陷；机加工精度；表面状态、残余应力提高疲劳强度的途径：零件结构设计尽量避免尖角、缺口和截面突变；减少材料组织缺陷；减小表面粗糙度；采用表面强化处理。动静万能疲劳试验机六、小结塑性判据强度判据疲劳强度σ-1韧性判据动载维氏硬度5～1000HV受循环交变载荷零件的选材、检验依据金属力学性能静载屈服点抗拉强度σb—断裂前的最大应力断后伸长率δ＞5%断面收缩率φ＞10%硬度判据布氏硬度＜650HBW洛氏硬度冲击韧度αk受冲击零件的选材、检验依据疲劳判据σs—塑性材料产生明显塑性变形的抗力（抵抗塑性变形的指标）σ0.2—脆性材料无明显塑性变形的抗力（抵抗断裂的指标）设计选材依据、检查材料标准可满足一般零件设计选材参考安全可靠保证用于测成品、薄件测薄而硬度金属测定简单、不伤工件20～80HRA20～70HRC测定麻烦、结果准确测有色金属，退火、正火钢、灰铸铁件的半成品、毛坯测软材料测淬火钢连续测定、精确可靠测更薄更硬材料20～100HRB