1-材料性能-工程材料及其熱處理-10

1、工程材料及其熱處理11 工程材料及其熱處理12 教學(xué)目的教學(xué)目的： 為了后續(xù)課程的開(kāi)展，簡(jiǎn)要介紹工程為了后續(xù)課程的開(kāi)展，簡(jiǎn)要介紹工程 材料（金屬）的力學(xué)性能測(cè)定原理及其材料（金屬）的力學(xué)性能測(cè)定原理及其 常用力學(xué)性能指標(biāo)。常用力學(xué)性能指標(biāo)。 重點(diǎn)重點(diǎn)： 強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性等。強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性等。 難點(diǎn)難點(diǎn)： 熟記常用指標(biāo)并能在選材中初步熟記常用指標(biāo)并能在選材中初步 應(yīng)用及識(shí)讀。應(yīng)用及識(shí)讀。 工程材料及其熱處理13 工程材料性能包括工程材料性能包括使用性能和工藝性能使用性能和工藝性能. . 使用性能反映材料在使用過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)使用性能反映材料在使用過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái) 的特性，如物理性能

2、、化學(xué)性能、力學(xué)性能等。的特性，如物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能等。 通常情況下，以材料的力學(xué)性能作為主要依通常情況下，以材料的力學(xué)性能作為主要依 據(jù)來(lái)選工程材料。據(jù)來(lái)選工程材料。 一、力學(xué)性能一、力學(xué)性能 金屬的力學(xué)性能是金屬的力學(xué)性能是指金屬在力的作用下所顯指金屬在力的作用下所顯 示的與彈性和非彈性反應(yīng)相關(guān)或涉及應(yīng)力示的與彈性和非彈性反應(yīng)相關(guān)或涉及應(yīng)力- -應(yīng)變應(yīng)變 關(guān)系的性能。關(guān)系的性能。 金屬力學(xué)性能所用的指標(biāo)和依據(jù)稱(chēng)為金屬力學(xué)性能所用的指標(biāo)和依據(jù)稱(chēng)為金屬的金屬的 工程材料及其熱處理14 力學(xué)性能判據(jù)力學(xué)性能判據(jù)。 主要力學(xué)性能有強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性等主要力學(xué)性能有強(qiáng)度、塑性、硬度、韌

3、性等 1. 1.強(qiáng)度強(qiáng)度 強(qiáng)度是指金屬抵抗強(qiáng)度是指金屬抵抗永久變形永久變形（塑性變形）和（塑性變形）和 斷裂斷裂的能力的能力。 工程上常用的強(qiáng)度判據(jù)是在工程上常用的強(qiáng)度判據(jù)是在拉伸試驗(yàn)中所測(cè)拉伸試驗(yàn)中所測(cè) 得拉伸曲線及試樣測(cè)得的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度得拉伸曲線及試樣測(cè)得的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。 (1)(1)屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 【 ReRe 】 屈服強(qiáng)度是拉伸試樣在試驗(yàn)過(guò)程中屈服強(qiáng)度是拉伸試樣在試驗(yàn)過(guò)程中力不增加力不增加 ( (保持恒定保持恒定) )仍能繼續(xù)伸長(zhǎng)仍能繼續(xù)伸長(zhǎng)( (變形變形) )時(shí)的應(yīng)力時(shí)的應(yīng)力。 工程材料及其熱處理15 可用符號(hào)可用符號(hào)R Re e表示表示 R Re e=F=Fe e/S

4、/S0 0 (MPa) (MPa) 式中：式中：F Fe e外力外力 （N N） S S0 0試樣橫截面積試樣橫截面積 （mmmm2 2） 國(guó)標(biāo)規(guī)定，應(yīng)區(qū)分為國(guó)標(biāo)規(guī)定，應(yīng)區(qū)分為上屈服強(qiáng)度上屈服強(qiáng)度R ReH eH和 和下屈下屈 服強(qiáng)度服強(qiáng)度R ReL eL，單位為 ，單位為N/mmN/mm2 2, ,=1=1MPaMPa。 有些金屬材料有些金屬材料( (鑄鐵鑄鐵) )沒(méi)有明顯的屈服沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 (2)(2)抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度【 R Rm m 】 抗拉強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度是指拉伸試樣拉斷前所承受的指拉伸試樣拉斷前所承受的 工程材料及其熱處理16 最大拉應(yīng)力最大拉應(yīng)力, ,用符號(hào)用符號(hào)R R

5、m m表示表示, ,單位為單位為N/mmN/mm2 2=1MPa=1MPa 。 R Rm m=F=Fm m/S/S0 0 (MPa)(MPa) 式中：式中： F Fm m最大外力最大外力 （N N） S S0 0試樣橫截面積試樣橫截面積 （mmmm2 2） 上述兩指標(biāo)是按照上述兩指標(biāo)是按照GB/T228-2002GB/T228-2002標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)將待測(cè)將待測(cè) 試材料制成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，在拉伸試驗(yàn)機(jī)上通過(guò)試材料制成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，在拉伸試驗(yàn)機(jī)上通過(guò) 拉伸試驗(yàn)法測(cè)得拉伸試驗(yàn)法測(cè)得。 工程上用的材料，除要求有較高的工程上用的材料，除要求有較高的R Rm m，還，還 工程材料及其熱處理17 希望有一定的希望

6、有一定的屈強(qiáng)比屈強(qiáng)比（R Re e /R /Rm m）。）。 屈強(qiáng)比越小，零件可靠性越高屈強(qiáng)比越小，零件可靠性越高，使用中若超，使用中若超 載不會(huì)立即斷裂；但屈強(qiáng)比太小，則材料強(qiáng)度的載不會(huì)立即斷裂；但屈強(qiáng)比太小，則材料強(qiáng)度的 有效利用率降低。有效利用率降低。 抗拉強(qiáng)度是設(shè)計(jì)和選材時(shí)的主要依據(jù)抗拉強(qiáng)度是設(shè)計(jì)和選材時(shí)的主要依據(jù)。 2. 2.塑性塑性 塑性是指斷裂前材料發(fā)生不可逆永久變形的塑性是指斷裂前材料發(fā)生不可逆永久變形的 能力能力。 塑性判據(jù)是通過(guò)拉伸試驗(yàn)時(shí)，以拉伸試樣塑性判據(jù)是通過(guò)拉伸試驗(yàn)時(shí)，以拉伸試樣 斷裂時(shí)的最大相對(duì)塑性變形量表示的。斷裂時(shí)的最大相對(duì)塑性變形量表示的。 工程材料及其熱處理

7、18 常用的塑性判據(jù)是常用的塑性判據(jù)是斷后伸長(zhǎng)率【斷后伸長(zhǎng)率【A A】和和斷面斷面 收縮率【收縮率【Z Z】。 A=(LA=(Lu u-L-L0 0)/L)/L0 0 100100 式中：式中： L Lu u斷后標(biāo)距；斷后標(biāo)距； L L0 0 原始標(biāo)距原始標(biāo)距。 Z=(SZ=(S0 0-S-Su u)/S)/S0 0 100100 式中：式中： S S0 0原始橫截面積；原始橫截面積； S Su u 斷后最小橫截面積。斷后最小橫截面積。 工程材料及其熱處理19 數(shù)值大小是通過(guò)拉伸試驗(yàn)與計(jì)算法獲得。數(shù)值大小是通過(guò)拉伸試驗(yàn)與計(jì)算法獲得。 材料的材料的A A和和Z Z數(shù)值越大，表示材料塑性越好，數(shù)值

8、越大，表示材料塑性越好， 可用鍛壓等壓力加工方法成形；可用鍛壓等壓力加工方法成形； 若零件使用中稍有超載，也會(huì)因其塑性變形若零件使用中稍有超載，也會(huì)因其塑性變形 而不致突然斷裂，增加了材料使用的安全可靠性而不致突然斷裂，增加了材料使用的安全可靠性 表達(dá)材料塑性時(shí)表達(dá)材料塑性時(shí), ,通常用斷后伸長(zhǎng)率通常用斷后伸長(zhǎng)率A A表示表示。 3. 3.硬度硬度 硬度是指硬度是指材料抵抗局部變形，特別是塑性變材料抵抗局部變形，特別是塑性變 形、壓痕或劃痕的能力形、壓痕或劃痕的能力。 工程材料及其熱處理110 硬度是衡量金屬軟硬的性能指標(biāo)，常用的硬度硬度是衡量金屬軟硬的性能指標(biāo)，常用的硬度 判據(jù)有布氏硬度和洛

9、氏硬度兩種。判據(jù)有布氏硬度和洛氏硬度兩種。 布氏硬度用符號(hào)布氏硬度用符號(hào)HBWHBW表示。表示。 洛氏硬度用符號(hào)洛氏硬度用符號(hào)HRAHRA、HRBHRB和和HRCHRC等表示，等表示， 其中其中HBWHBW( (HBSHBS) )值和值和HRCHRC值在生產(chǎn)中常用來(lái)表值在生產(chǎn)中常用來(lái)表 示材料（或零部件）的硬度。示材料（或零部件）的硬度。 硬度值的大小是在硬度計(jì)上通過(guò)硬度實(shí)驗(yàn)法硬度值的大小是在硬度計(jì)上通過(guò)硬度實(shí)驗(yàn)法 測(cè)得。測(cè)得。 HBWHBW適用于測(cè)量較軟的金屬或未經(jīng)淬火的適用于測(cè)量較軟的金屬或未經(jīng)淬火的 鋼件，布氏硬度值有效范圍小于鋼件，布氏硬度值有效范圍小于650HBW650HBW； 工程

10、材料及其熱處理111 HRC HRC適用于測(cè)定經(jīng)熱處理淬硬的鋼件，有適用于測(cè)定經(jīng)熱處理淬硬的鋼件，有 效范圍在效范圍在20HRC20HRC70HRC70HRC。 表示方法為數(shù)字在前，硬度符號(hào)在后。表示方法為數(shù)字在前，硬度符號(hào)在后。 如如160HBW160HBW180HBW180HBW( (規(guī)定規(guī)定差值差值30)30) 46HRC46HRC50HRC50HRC（規(guī)定（規(guī)定差值差值55）。）。 數(shù)字越大，材料硬度越高。數(shù)字越大，材料硬度越高。 4. 4.韌性韌性 韌性是指金屬在斷裂前吸收變形能量的能韌性是指金屬在斷裂前吸收變形能量的能 力。力。 金屬韌性的判據(jù)用金屬韌性的判據(jù)用沖擊吸收功沖擊吸收功

11、（符號(hào)（符號(hào)A AK K） 工程材料及其熱處理112 表示，它是通過(guò)沖擊試驗(yàn)確定的。表示，它是通過(guò)沖擊試驗(yàn)確定的。 在實(shí)際應(yīng)用中常用在實(shí)際應(yīng)用中常用沖擊韌度值（符號(hào)沖擊韌度值（符號(hào)a ak k）來(lái)）來(lái) 表示材料的韌性，兩者關(guān)系為表示材料的韌性，兩者關(guān)系為a ak kA AK K/S/S ，單位，單位 J/cmJ/cm2 2。 a ak k值越大，材料韌性越好值越大，材料韌性越好。 實(shí)踐證明，材料的多次重復(fù)沖擊抗力取決實(shí)踐證明，材料的多次重復(fù)沖擊抗力取決 于材料強(qiáng)度與韌性的綜合力學(xué)性能。于材料強(qiáng)度與韌性的綜合力學(xué)性能。 沖擊能量高時(shí)沖擊能量高時(shí)，主要，主要決定于材料的韌性決定于材料的韌性； 沖擊

12、能量低時(shí)沖擊能量低時(shí)，主要，主要決定于強(qiáng)度決定于強(qiáng)度。 5. 5.疲勞疲勞 工程材料及其熱處理113 材料在循環(huán)應(yīng)力的應(yīng)變作用下材料在循環(huán)應(yīng)力的應(yīng)變作用下, ,在一處或幾在一處或幾 處產(chǎn)生處產(chǎn)生局部永久性累積損傷局部永久性累積損傷, ,經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后 產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過(guò)程產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過(guò)程, ,稱(chēng)為稱(chēng)為疲勞疲勞. . 金屬疲勞的判據(jù)是金屬疲勞的判據(jù)是疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度。 在工程上，疲勞強(qiáng)度是指在一定的應(yīng)力循在工程上，疲勞強(qiáng)度是指在一定的應(yīng)力循 環(huán)次數(shù)環(huán)次數(shù)( (一般規(guī)定：一般規(guī)定：鋼鐵材料的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)取鋼鐵材料的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)取 10107 7，有色金

13、屬取，有色金屬取10108 8) )下不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。下不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。 光滑試樣光滑試樣對(duì)稱(chēng)彎曲疲勞強(qiáng)度用符號(hào)對(duì)稱(chēng)彎曲疲勞強(qiáng)度用符號(hào)-1 -1表示 表示 工程材料及其熱處理114 由于疲勞強(qiáng)度斷裂前無(wú)明顯的塑性變形，由于疲勞強(qiáng)度斷裂前無(wú)明顯的塑性變形， 斷裂是突然發(fā)生的，危險(xiǎn)性很大。斷裂是突然發(fā)生的，危險(xiǎn)性很大。 影響金屬疲勞強(qiáng)度的因素很多，影響金屬疲勞強(qiáng)度的因素很多，如零件外形、如零件外形、 受力狀態(tài)、表面質(zhì)量和周?chē)橘|(zhì)等。受力狀態(tài)、表面質(zhì)量和周?chē)橘|(zhì)等。 合理設(shè)計(jì)零件結(jié)構(gòu)、避免應(yīng)力集中、降低表合理設(shè)計(jì)零件結(jié)構(gòu)、避免應(yīng)力集中、降低表 面粗糙度值以及進(jìn)行表面強(qiáng)化面粗糙度值以及進(jìn)行

14、表面強(qiáng)化等，可以提高工件等，可以提高工件 的疲勞強(qiáng)度。的疲勞強(qiáng)度。 工程材料及其熱處理115 練習(xí)思考題練習(xí)思考題 1. 1.下列硬度要求或?qū)懛ㄊ欠袂‘?dāng)？為什么？下列硬度要求或?qū)懛ㄊ欠袂‘?dāng)？為什么？ (1)HRC12(1)HRC121717； (2)HRC =50(2)HRC =5060 Kgf/mm60 Kgf/mm2 2； (3)70HRC(3)70HRC75HRC 75HRC ； (4)230 HBW (4)230 HBW ； 2. 2.整體硬度要求整體硬度要求230HBW230HBW250HBW250HBW的軸類(lèi)的軸類(lèi) 零件，精加工后再抽查，應(yīng)選用什么硬度計(jì)測(cè)量零件，精加工后再抽查，應(yīng)選用什么硬度計(jì)測(cè)量 硬度較合適？硬度較合適？ 工程材料及其熱處理116 3. 3.一緊固螺釘在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有塑性變形，一緊固螺釘在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有塑性變形， 是因?yàn)槁葆敳牧系牧W(xué)性能哪一判據(jù)的值不足？是因?yàn)槁葆敳牧系牧W(xué)性能哪