金屬材料的力學(xué)性能 (課堂PPT)

JINSHUCAILLIAODELIXUEXINGNENG,多媒體技術(shù),金屬材料的力學(xué)性能,1,.,金屬材料的常用五大力學(xué)性能指標(biāo)。,掌握金屬力學(xué)性能的基本概念及其指標(biāo)；認(rèn)識(shí)拉伸曲線圖，掌握強(qiáng)度、塑性的衡量指標(biāo)及其意義；掌握常用硬度的測(cè)試方法及適用范圍。掌握沖擊韌度、疲勞強(qiáng)度的衡量指標(biāo)及其意義。,知識(shí)目標(biāo)：,能力目標(biāo)：,能根據(jù)拉伸曲線圖比較不同金屬材料的強(qiáng)度、塑性；能根據(jù)材料及其熱處理狀態(tài)，正確選用硬度測(cè)試方法；能根據(jù)力學(xué)性能指標(biāo)合理選用金屬材料。,重點(diǎn)及難點(diǎn)：,2,.,3,.,鑄造性鍛造性焊接性熱處理工藝性切削加工性,金屬材料的性能：,物理性能化學(xué)性能力學(xué)性能,使用性能、工藝性能,4,.,金屬的力學(xué)性能,金屬材料在各種載荷(外力)作用下表現(xiàn)出來(lái)的抵抗變形和破壞的能力。,載荷（外力）形式：,載荷分類(lèi)：,包括：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度、疲勞強(qiáng)度,5,.,一、強(qiáng)度,6,.,2、拉伸試樣,長(zhǎng)試樣,（1）圓柱形試樣,短試樣,（2）板狀試樣,L0、d0是規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值通常，L0取100mm或者50mm,7,.,3、拉伸曲線分析（低碳鋼）,彈性變形變,微量塑變,屈服,均勻塑變,縮頸,局部塑變,斷裂,8,.,4、低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,應(yīng)力=F/A0應(yīng)變=L/L0,9,.,幾種常見(jiàn)金屬材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,1-鋁青銅2-低碳鋼（C，0.35%）3-硬鋁4-銅,10,.,抵抗塑性變形和斷裂的能力越大，則強(qiáng)度越高。,按載荷作用方式不同，強(qiáng)度可分為：抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度,工程上常用的強(qiáng)度指標(biāo)：屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度,11,.,1、屈服強(qiáng)度,屈服,1）符號(hào),s,2）大小,s=Fs/Ao,3）意義,屈服強(qiáng)度表示材料抵抗塑性變形的能力；是塑性材料選材的依據(jù)。,（產(chǎn)生屈服現(xiàn)象的最低應(yīng)力）,彈變,塑變,2、抗拉強(qiáng)度,12,.,鑄鐵的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,有些金屬材料在拉伸時(shí)無(wú)明顯的屈服現(xiàn)象（如左圖的鑄鐵），無(wú)法測(cè)定其屈服強(qiáng)度s。按GB/T228-2002規(guī)定，可用條件屈服強(qiáng)度0.2表示。,含義：殘余變形量為0.2%時(shí)的應(yīng)力值。,13,.,2、抗拉強(qiáng)度,強(qiáng)度指標(biāo),縮頸,1）符號(hào),b,2）大小,b=Fb/Ao,3）意義,材料抵抗斷裂的能力；是選材的依據(jù),（斷裂前的最大應(yīng)力）,塑變,斷裂,14,.,金屬材料在斷裂前產(chǎn)生永久變形的能力。,塑性指標(biāo),伸長(zhǎng)率,（）,斷面收縮率,（）,二、塑性,=（L1-L0）/L0100%,試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長(zhǎng)量與原始標(biāo)距的百分比,L0試樣原始標(biāo)距（mm）L1試樣拉斷后標(biāo)距（mm）,注意：當(dāng)L0=10d0時(shí)，伸長(zhǎng)率用（10）表示；當(dāng)L0=5d0時(shí)，伸長(zhǎng)率用5表示；直徑d0相同時(shí)，L0，。只有當(dāng)L0/d0為常數(shù)時(shí)，塑性值才有可比性；同一材料的試樣長(zhǎng)短不同，測(cè)得的伸長(zhǎng)率數(shù)值是不相等的（一般有5）；比較不同材料的伸長(zhǎng)率時(shí)，應(yīng)采用尺寸規(guī)格一樣的試樣。,15,.,試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。,A0試樣原始橫截面積（mm2）A1試樣拉斷后縮頸處最小橫截面積（mm2）,=(A0-A1)/A0100%,說(shuō)明：用斷面縮率表示塑性比伸長(zhǎng)率更接近真實(shí)變形；,塑性指標(biāo),16,.,塑性好，利于材料成形加工（鍛壓、軋制等）；,塑性好，可以防止過(guò)載，避免突然斷裂；,伸長(zhǎng)率和斷面收縮率數(shù)值越大，材料的塑性越好；,拉伸試樣的縮頸現(xiàn)象,塑性意義,17,.,材料抵抗表面局部塑性變形的能力。衡量金屬軟硬程度的一種性能指標(biāo)。,三、硬度,18,.,硬度指標(biāo),19,.,布氏硬度,（1）試驗(yàn)原理,20,.,布氏硬度,（2）計(jì)算公式,21,.,布氏硬度,（3）試驗(yàn)規(guī)范GB/T231.12002壓頭：10mm、5mm、2.5mm、1mmF/D2：30、15、10、5、2.5、1試驗(yàn)力：鋼鐵材料為1015s，有色金屬為30s，布氏硬度值35時(shí)為60s,（4）表示方法符號(hào)HBW之前的數(shù)字表示硬度值,符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示壓頭直徑、載荷及載荷保持時(shí)間（1015s不標(biāo)注）。如120HBW10/1000/30表示直徑為10mm的硬質(zhì)合金球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下，保持30s測(cè)得的布氏硬度值為120。,22,.,布氏硬度壓痕,優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料，操作麻煩。適于測(cè)量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼，鑄鐵及有色金屬的硬度。,布氏硬度,（5）優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用范圍,23,.,洛氏硬度,（1）試驗(yàn)原理,24,.,洛氏硬度用符號(hào)HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根據(jù)壓頭類(lèi)型和主載荷不同，分為九個(gè)標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為A、B、C。,洛氏硬度,25,.,符號(hào)HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。,HRA用于測(cè)量高硬度材料,如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。HRB用于測(cè)量低硬度材料,如有色金屬和退火、正火鋼等。HRC用于測(cè)量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，壓痕小，適用范圍廣。缺點(diǎn)：測(cè)量結(jié)果分散度大。,洛氏硬度,26,.,維氏硬度,27,.,維氏硬度用符號(hào)HV表示，符號(hào)前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時(shí)間。根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了三種測(cè)定方法維氏硬度試驗(yàn)、小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)、顯微維氏硬度試驗(yàn)。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)。,維氏硬度,28,.,硬度測(cè)試方法比較,金剛石圓錐,壓痕面積,測(cè)量準(zhǔn)確,損傷大操作繁,450HBW,軟材料：有色,軟鋼毛坯半成品,淬火鋼球,壓痕深度,損傷小較迅速,不夠準(zhǔn)確不連續(xù),45HRC,表層薄而硬,有色,軟鋼成品、薄件,各種淬火鋼,金剛石四棱錐,壓痕面積,準(zhǔn)確連續(xù)性,不適于成批,800HV,從軟到硬更宜：更薄更硬,硬質(zhì)合金球,金剛石圓錐,29,.,金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。,四、沖擊韌度,沖擊試驗(yàn),指標(biāo)為沖擊韌性值ak(通過(guò)沖擊實(shí)驗(yàn)測(cè)得)。,30,.,沖擊韌性值（ak）,試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功Ak為：,Ak=mghmgh(J),沖擊韌性值（ak）就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。,31,.,測(cè)定沖擊韌性值的意義1）評(píng)定材料相對(duì)韌性的大小2）評(píng)定材料的變脆傾向,材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱(chēng)韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱(chēng)韌脆轉(zhuǎn)變溫度。材料的使用溫度應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。,韌,32,.,TITANIC,建造中的Titanic號(hào),TITANIC的沉沒(méi)與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān),33,.,Titanic號(hào)鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果,34,.,五、疲勞強(qiáng)度,35,.,36,.,5、疲勞斷裂原因與提高疲勞強(qiáng)度途徑：,影響疲勞強(qiáng)度的因素：應(yīng)力集中；材料內(nèi)部組織缺陷；機(jī)加工精度；表面狀態(tài)、殘余應(yīng)力,提高疲勞強(qiáng)度的途徑：零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)盡量避免尖角、缺口和截面突變；減少材料組織缺陷；減小表面粗糙度；采用表面強(qiáng)化處理。,動(dòng)靜萬(wàn)能疲勞試驗(yàn)機(jī),37,.,六、小結(jié),塑性判據(jù),強(qiáng)度判據(jù),疲勞強(qiáng)度-1,韌性判據(jù),動(dòng)載,維氏硬度51000HV,受循環(huán)交變載荷零件的選材、檢驗(yàn)依據(jù),金屬力學(xué)性能,靜載,屈服點(diǎn),抗拉強(qiáng)度b斷裂前的最大應(yīng)力,斷后伸長(zhǎng)率5%,斷面收縮率10%,硬度判據(jù),布氏硬度650HBW,洛氏硬度,沖擊韌度k,受沖擊零件的選材、檢驗(yàn)依據(jù),疲勞判據(jù),s塑性材料產(chǎn)生明顯塑性變形的抗力,（抵抗塑性變形的指標(biāo)）,0.2脆性材料無(wú)明顯塑性變形的抗力,（抵抗斷