第四章金屬材料力學性能

1、第四章第四章 金屬材料的力學性能金屬材料的力學性能第一節(jié)第一節(jié) 強度與塑性強度與塑性第二節(jié)第二節(jié) 硬度硬度第三節(jié)第三節(jié) 沖擊韌性沖擊韌性第四節(jié)第四節(jié) 疲勞強度和斷裂韌性疲勞強度和斷裂韌性第五節(jié)第五節(jié) 金屬材料的物理化學性能金屬材料的物理化學性能第一節(jié)第一節(jié) 強度與塑性強度與塑性一、靜拉伸試驗及試樣一、靜拉伸試驗及試樣通常用靜拉伸試驗來測量金屬材料的強度與塑性指標。如將通常用靜拉伸試驗來測量金屬材料的強度與塑性指標。如將被測試金屬材料加工成如圖被測試金屬材料加工成如圖4-1所示的圓柱形光滑試樣。所示的圓柱形光滑試樣。通過拉伸試驗可以揭示材料在靜載荷作用下的力學行為，即通過拉伸試驗可以揭示材料在靜

2、載荷作用下的力學行為，即彈性變形、屈服階段、塑性變形、斷裂等基本過程，還可以彈性變形、屈服階段、塑性變形、斷裂等基本過程，還可以確定材料的最基本的力學性能指標。確定材料的最基本的力學性能指標。彈性變形階段彈性變形階段(Oe段段)當載荷不超過當載荷不超過Fe時，拉伸曲線時，拉伸曲線Oe為直為直線段，試樣變形完全是彈性的，卸載后試樣即恢復原狀。線段，試樣變形完全是彈性的，卸載后試樣即恢復原狀。屈服階段屈服階段(es段段)當載荷超過當載荷超過Fe時，若卸載的話，試樣的伸時，若卸載的話，試樣的伸長只能部分地恢復，而保留一部分殘余變形。長只能部分地恢復，而保留一部分殘余變形。下-頁 返回第一節(jié)第一節(jié) 強

3、度與塑性強度與塑性強化階段強化階段(sb段段) 在屈服以后，如果要使試樣繼續(xù)伸長，必在屈服以后，如果要使試樣繼續(xù)伸長，必須不斷加載。隨著塑變形增大，試樣的抗變形能力也在逐步須不斷加載。隨著塑變形增大，試樣的抗變形能力也在逐步增加，這種現(xiàn)象被稱為形變強化或加工硬化。增加，這種現(xiàn)象被稱為形變強化或加工硬化?？s頸階段或局部變形階段縮頸階段或局部變形階段(bk段段) 當載荷達到最大值當載荷達到最大值Fb時，時，試樣的直徑發(fā)生局部收縮，稱為試樣的直徑發(fā)生局部收縮，稱為“縮頸縮頸”。試樣變化所需載。試樣變化所需載荷也隨之降低，這時伸長主要集中于縮頸部位，直至斷裂。荷也隨之降低，這時伸長主要集中于縮頸部位，

4、直至斷裂。二、強度二、強度強度是材料抵抗塑性變形或斷裂的能力。強度的大小用應力強度是材料抵抗塑性變形或斷裂的能力。強度的大小用應力來表示，即單位面積上材料抵抗變形或斷裂的內力來表示，即單位面積上材料抵抗變形或斷裂的內力0FS上-頁 下-頁 返回第一節(jié)第一節(jié) 強度與塑性強度與塑性此外，還用伸長除以試樣原始標距長度的值稱為應變此外，還用伸長除以試樣原始標距長度的值稱為應變按作用力性質不同，強度可分為屈服點按作用力性質不同，強度可分為屈服點(屈服強度屈服強度)、抗拉強、抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度等。在工程上常用屈服度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度等。在工程上常用屈服強度和抗拉強度來表示金

5、屬材料強度的指標。強度和抗拉強度來表示金屬材料強度的指標。1.屈服強度屈服強度(屈服點屈服點)在拉伸過程中，出現(xiàn)載荷不增加而試樣還繼續(xù)伸長的現(xiàn)象稱在拉伸過程中，出現(xiàn)載荷不增加而試樣還繼續(xù)伸長的現(xiàn)象稱為屈服。為屈服。0ll0ssFS上-頁 下-頁 返回第一節(jié)第一節(jié) 強度與塑性強度與塑性大多數(shù)工程材料都沒有明顯的屈服現(xiàn)象，因此通常規(guī)定產生大多數(shù)工程材料都沒有明顯的屈服現(xiàn)象，因此通常規(guī)定產生0. 2%殘余伸長所對應的單位面積的載荷殘余伸長所對應的單位面積的載荷(Fo. z)作為條件作為條件屈服強度屈服強度 2.抗拉強度抗拉強度(強度極限強度極限)當拉伸試樣屈服以后，欲繼續(xù)變形，必須不斷增加載荷。當當

6、拉伸試樣屈服以后，欲繼續(xù)變形，必須不斷增加載荷。當載荷達到最大值載荷達到最大值Fn(單位為單位為N)后，試樣的某一部位截面開始后，試樣的某一部位截面開始急劇縮小，出現(xiàn)了急劇縮小，出現(xiàn)了“縮頸縮頸”，致使載荷下降，直到最后斷裂。，致使載荷下降，直到最后斷裂。0.20.20FS0bbFS上-頁 下-頁 返回第一節(jié)第一節(jié) 強度與塑性強度與塑性零件在工作時承受的單位面積最大載荷不允許超過抗拉強度，零件在工作時承受的單位面積最大載荷不允許超過抗拉強度，否則會發(fā)生斷裂破壞。否則會發(fā)生斷裂破壞。三、塑性三、塑性塑性是指斷裂前材料產生永久變形的能力，塑性指標有伸長塑性是指斷裂前材料產生永久變形的能力，塑性指標

7、有伸長率和斷面收縮率，兩者均為無單位量綱。率和斷面收縮率，兩者均為無單位量綱。1.伸長率伸長率如圖如圖4-3所示，在拉伸試驗中，試樣拉斷后，標距的伸長與所示，在拉伸試驗中，試樣拉斷后，標距的伸長與原始標距的百分比稱為伸長率。其數(shù)值可由下式求出原始標距的百分比稱為伸長率。其數(shù)值可由下式求出:100100%lll上-頁 下-頁 返回第一節(jié)第一節(jié) 強度與塑性強度與塑性 2.斷面收縮率斷面收縮率試樣拉斷后，縮頸處截面積的最大縮減量與原橫斷面積的百試樣拉斷后，縮頸處截面積的最大縮減量與原橫斷面積的百分比稱為斷面收縮率。其數(shù)值可由下式求出分比稱為斷面收縮率。其數(shù)值可由下式求出:010100%SSS上-頁

8、返回第二節(jié)第二節(jié) 硬度硬度硬度是指材料抵抗另一硬物體壓入其內的能力，即受壓時抵硬度是指材料抵抗另一硬物體壓入其內的能力，即受壓時抵抗局部塑性變形的能力。硬度是金屬材料的一個重要的力學抗局部塑性變形的能力。硬度是金屬材料的一個重要的力學性能指標，不僅可以間接地反映材料的強度硬度試驗，還可性能指標，不僅可以間接地反映材料的強度硬度試驗，還可以提供耐磨性的度量。以提供耐磨性的度量。一、洛氏硬度一、洛氏硬度1.洛氏硬度測量原理洛氏硬度測量原理洛氏硬度測量是一種壓入硬度試驗，但它不是測定壓痕的面洛氏硬度測量是一種壓入硬度試驗，但它不是測定壓痕的面積，而是測定壓痕的深度，以深度的大小表示材料的硬度值。積，

9、而是測定壓痕的深度，以深度的大小表示材料的硬度值。2.洛氏硬度種類洛氏硬度種類根據(jù)壓頭的種類和總載荷的大小，洛氏硬度常用的表示方式根據(jù)壓頭的種類和總載荷的大小，洛氏硬度常用的表示方式主要有主要有HRA, HRB, HRC和和HRF四種。四種。下-頁 返回第二節(jié)第二節(jié) 硬度硬度(1) HRA 壓頭采用壓頭采用120金剛石圓錐，載荷金剛石圓錐，載荷588. 399N,測測量范圍量范圍HRA70以上，主要測定零件表面硬化層、硬質等材以上，主要測定零件表面硬化層、硬質等材料的硬度料的硬度;(2)HRB 壓頭采用壓頭采用1.588mm直徑鋼球，載荷直徑鋼球，載荷980. 665 N,測量范圍測量范圍HR

10、B25100，主要測定軟鋼、銅合金等材料，主要測定軟鋼、銅合金等材料的硬度。的硬度。(3)HRC 壓頭采用壓頭采用120金剛石圓錐，載荷金剛石圓錐，載荷1470. 998 N，測量范圍測量范圍HRC2067，主要測定調質鋼、淬火鋼等材料的，主要測定調質鋼、淬火鋼等材料的硬度。硬度。(4)HRF 壓頭采用壓頭采用1.588mm直徑鋼球，載荷直徑鋼球，載荷588.399 N，測量范圍，測量范圍HRF25100，常用來測量鎂合金、鋁合金等，常用來測量鎂合金、鋁合金等材料的硬度。材料的硬度。上-頁 下-頁 返回第二節(jié)第二節(jié) 硬度硬度3.洛氏硬度的書寫方式洛氏硬度的書寫方式符號符號HR前面的數(shù)值為硬度值

11、，后面為使用的標尺前面的數(shù)值為硬度值，后面為使用的標尺4.洛氏硬度的優(yōu)缺點洛氏硬度的優(yōu)缺點(1)優(yōu)點操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。優(yōu)點操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。(2)缺點洛氏硬度測量結果分散度大，需多次測量取平均值。缺點洛氏硬度測量結果分散度大，需多次測量取平均值。二、布氏硬度二、布氏硬度1.布氏硬度測量原理布氏硬度測量原理如圖如圖4 -5，將直徑為，將直徑為D的球體的球體(鋼球或硬質合金球鋼球或硬質合金球)在一定載在一定載荷荷F作用下壓入試樣表面，保持一定時間后卸除載荷，測量作用下壓入試樣表面，保持一定時間后卸除載荷，測量其壓痕直徑，以用單位壓痕球冠面積上所承受的載荷來表示其壓痕直徑，以

12、用單位壓痕球冠面積上所承受的載荷來表示上-頁 下-頁 返回第二節(jié)第二節(jié) 硬度硬度 布氏硬度值。布氏硬度值。2.布氏硬度的書寫方式布氏硬度的書寫方式符號符號HBS或或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號后面的數(shù)字之前的數(shù)字表示硬度值，符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。3.布氏硬度的優(yōu)缺點布氏硬度的優(yōu)缺點(1)優(yōu)點優(yōu)點測量誤差小、數(shù)據(jù)穩(wěn)定測量誤差小、數(shù)據(jù)穩(wěn)定布氏硬度和強度有較好的對應關系。布氏硬度和強度有較好的對應關系。2220.102FFHBS HBWSD D Dd上-頁 下-頁 返回第二節(jié)第二節(jié) 硬度硬度(2)布氏硬度的缺點布氏硬

13、度的缺點只適用于低硬度材料如鑄鐵、有色金屬、低合金結構鋼和結只適用于低硬度材料如鑄鐵、有色金屬、低合金結構鋼和結構調質鋼等的硬度測量構調質鋼等的硬度測量;壓痕大，不能用于薄壁件或成品件，常用于原材料、毛坯、壓痕大，不能用于薄壁件或成品件，常用于原材料、毛坯、半成品的硬度測量半成品的硬度測量;只有只有F/D2的值為常數(shù)的布氏硬度才有可比性。的值為常數(shù)的布氏硬度才有可比性。三、維氏硬度三、維氏硬度1.維氏硬度測量原理維氏硬度測量原理維氏硬度測量原理與布氏硬度相同，不同點是壓頭為維氏硬度測量原理與布氏硬度相同，不同點是壓頭為136金剛石四方角錐體，所加負荷較小，所測硬度值精確。金剛石四方角錐體，所加

14、負荷較小，所測硬度值精確。上-頁 下-頁 返回第二節(jié)第二節(jié) 硬度硬度2.維氏硬度優(yōu)點維氏硬度優(yōu)點維氏硬度保留了洛氏硬度和布氏硬度的優(yōu)點，既可以測極軟維氏硬度保留了洛氏硬度和布氏硬度的優(yōu)點，既可以測極軟到極硬材料的硬度，又不存在布氏硬度到極硬材料的硬度，又不存在布氏硬度F/D2關系的約束，關系的約束，不同的不同的HV可相互比較。維氏硬度適用于各種金屬材料，尤可相互比較。維氏硬度適用于各種金屬材料，尤其是表面層其是表面層(如化學熱處理層、電鍍層如化學熱處理層、電鍍層)的硬度測量，精度較的硬度測量，精度較高。高。上-頁 返回第三節(jié)第三節(jié) 沖擊韌性沖擊韌性材料抵抗沖擊載荷作用的能力稱為沖擊韌性。許多機

15、械零件材料抵抗沖擊載荷作用的能力稱為沖擊韌性。許多機械零件和工具在工作中，往往要受到沖擊載荷的作用，如發(fā)動機活和工具在工作中，往往要受到沖擊載荷的作用，如發(fā)動機活塞、連桿、曲軸等零件在作功行程中受到很大的沖擊載荷塞、連桿、曲軸等零件在作功行程中受到很大的沖擊載荷;汽汽車起步、換擋、制動時鋼板彈簧、齒輪、傳動軸、半軸等零車起步、換擋、制動時鋼板彈簧、齒輪、傳動軸、半軸等零件會受到很大的沖擊載荷。件會受到很大的沖擊載荷。沖擊試驗試樣的類型分為沖擊試驗試樣的類型分為V型和型和U型缺口兩種試樣。圖型缺口兩種試樣。圖4-7所所示為示為U型缺口標準試樣的形狀和尺寸。測定材料的沖擊韌性型缺口標準試樣的形狀和

16、尺寸。測定材料的沖擊韌性一般是在一次擺錘沖擊試驗機上進行，如圖一般是在一次擺錘沖擊試驗機上進行，如圖4-8所示。所示。實際上，在沖擊載荷下工作的零件，很少是受大能量一次沖實際上，在沖擊載荷下工作的零件，很少是受大能量一次沖擊而破壞的，往往是經受小能量多次沖擊，因沖擊損傷的累擊而破壞的，往往是經受小能量多次沖擊，因沖擊損傷的累積引起的斷裂，故用積引起的斷裂，故用ak值反映沖擊韌性具有一定的局限性。值反映沖擊韌性具有一定的局限性。返回第四節(jié)第四節(jié) 疲勞強度和斷裂韌性疲勞強度和斷裂韌性一、疲勞強度一、疲勞強度1.概述概述軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等零件在工作過程中各點的應軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等

17、零件在工作過程中各點的應力隨時間做周期性的變化，這種周期性變化的應力稱為交變力隨時間做周期性的變化，這種周期性變化的應力稱為交變應力。在交變應力作用下，雖然零件所承受的應力低于材料應力。在交變應力作用下，雖然零件所承受的應力低于材料的屈服點，但經過較長時間的工作會產生裂紋或突然發(fā)生完的屈服點，但經過較長時間的工作會產生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的這一過程稱為疲勞。全斷裂的這一過程稱為疲勞。2.各種材料的疲勞強度各種材料的疲勞強度材料承受的交變應力與材料斷裂前承受交變應力的循環(huán)次數(shù)材料承受的交變應力與材料斷裂前承受交變應力的循環(huán)次數(shù)之間的關系可用疲勞曲線來表示，圖之間的關系可用疲勞曲線來表示，圖4

18、-9所示為疲勞曲線示所示為疲勞曲線示意圖。金屬承受的交變應力越大，則斷裂時應力循環(huán)次數(shù)意圖。金屬承受的交變應力越大，則斷裂時應力循環(huán)次數(shù)N越少。越少。下-頁 返回第四節(jié)第四節(jié) 疲勞強度和斷裂韌性疲勞強度和斷裂韌性二、斷裂韌性二、斷裂韌性橋梁、船舶、大型軋輥、轉子等在設計時保證了足夠的延伸橋梁、船舶、大型軋輥、轉子等在設計時保證了足夠的延伸率、韌性和屈服強度，但仍不免破壞，有時會發(fā)生低應力脆率、韌性和屈服強度，但仍不免破壞，有時會發(fā)生低應力脆斷，原因是構件或零件內部存在或大或小的裂紋，裂紋在應斷，原因是構件或零件內部存在或大或小的裂紋，裂紋在應力作用下可失穩(wěn)而擴展，導致機件破斷。材料抵抗裂紋失穩(wěn)

19、力作用下可失穩(wěn)而擴展，導致機件破斷。材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展斷裂的能力叫斷裂韌性。擴展斷裂的能力叫斷裂韌性。上-頁 返回第五節(jié)第五節(jié) 金屬材料的物理化學性能金屬材料的物理化學性能一、金屬的物理性能一、金屬的物理性能1.密度密度密度是指單位體積物質的質量。密度小于密度是指單位體積物質的質量。密度小于4. 5 x 103的金屬的金屬稱為輕金屬，如鋁、鎂、欽及其合金。稱為輕金屬，如鋁、鎂、欽及其合金。2.熔點熔點金屬從固態(tài)向液態(tài)轉變時的溫度稱為熔點。純金屬都有固定金屬從固態(tài)向液態(tài)轉變時的溫度稱為熔點。純金屬都有固定的熔點。熔點高的金屬稱為難熔金屬，如鎢、鋁、釩等，可的熔點。熔點高的金屬稱為難熔金屬，如鎢

20、、鋁、釩等，可以用來制造耐高溫零件，如在火箭、導彈、燃氣輪機和噴氣以用來制造耐高溫零件，如在火箭、導彈、燃氣輪機和噴氣飛機等方面得到廣泛應用。飛機等方面得到廣泛應用。3.導電性導電性傳導電流的能力稱導電性，用電阻率來衡量。電阻率越小，傳導電流的能力稱導電性，用電阻率來衡量。電阻率越小，金屬材料導電性越好。金屬導電性以銀為最好，銅、鋁次之，金屬材料導電性越好。金屬導電性以銀為最好，銅、鋁次之，合金的導電性比純金屬差。合金的導電性比純金屬差。下-頁 返回第五節(jié)第五節(jié) 金屬材料的物理化學性能金屬材料的物理化學性能4.磁性磁性金屬材料根據(jù)磁性可分為鐵磁性材料、順磁性材料和抗磁性金屬材料根據(jù)磁性可分為鐵

21、磁性材料、順磁性材料和抗磁性材料。鐵磁性材料在外磁場中能強烈地被磁化，如鐵、鉆等材料。鐵磁性材料在外磁場中能強烈地被磁化，如鐵、鉆等可用于制造變壓器、電動機、測量儀表等。順磁性材料在外可用于制造變壓器、電動機、測量儀表等。順磁性材料在外磁場中只能微弱地被磁化，如錳、鉻等。磁場中只能微弱地被磁化，如錳、鉻等。5.導熱性導熱性導熱性通常用熱導率來衡量，熱導率越大，導熱性越好。金導熱性通常用熱導率來衡量，熱導率越大，導熱性越好。金屬的導熱性以銀為最好，銅、鋁次之，合金的導熱性比純金屬的導熱性以銀為最好，銅、鋁次之，合金的導熱性比純金屬差。屬差。6.熱膨脹性熱膨脹性金屬材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性稱為熱膨脹性。金屬材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性稱為熱膨脹性。上-頁 下-頁 返回第五節(jié)第五節(jié) 金屬材料的物理化學性能金屬材料的物理化學性能 由膨脹系數(shù)大的材