機械工程材料雙語教學ppt第二章--Mechanical Properties of metals

1、11.2.1 Elastic Deformation 彈性變形彈性變形 圖1 日本SHIMADZU(島津)AG-I 250KN精密萬能試 驗機（河科大材料學院）圖2 拉伸部分的局部放大圖21.2.1 Elastic Deformation 彈性變形彈性變形 圖4 拉深試棒實物圖圖3 標準拉深試樣簡圖31.2.1 Elastic Deformation 彈性變形彈性變形 We define engineering stress and engineering strain as follows:工程應力工程應力 工程應變工程應變 0AF000lllllF圖圖1-1 圓柱試樣的拉伸示意圖圓柱試樣的

2、拉伸示意圖F 外力外力A0 試樣的原始截面積試樣的原始截面積Fl l0A0 l0a) 拉伸前拉伸前b) 拉伸后拉伸后41.2.1 Elastic Deformation 彈性變形彈性變形 Youngs Modulus (Elastic Modulus) 彈性模量彈性模量 The ratio of stress to strain, /, in the linear elastic region is called Youngs Modulus. 剛度（剛度（stiffness）：）：指材料在受力時抵抗彈性變形的能力，它表示材料彈性變形的難易程度，用彈性模量E表示，E大則剛度大；E小則剛度小。

3、在彈性范圍內(nèi)，應力與應變的關系服從胡克定律 (Hookes law) 和分別為正應力正應力和切應力切應力； 和分別為正應變正應變和切應變切應變 = E = G 5拉伸試棒頸縮拉伸試棒頸縮照片照片斷裂的試斷裂的試棒棒圖3 低碳鋼拉深試驗圖6oe線線: 即外力不超過即外力不超過 Fe 時，試棒只發(fā)生時，試棒只發(fā)生彈性變形彈性變形 若去除外力，試棒就恢復到原長度若去除外力，試棒就恢復到原長度es線線：當外力超過：當外力超過 F。時，試棒除發(fā)生彈性變形外，。時，試棒除發(fā)生彈性變形外， 還發(fā)生塑性變形（還發(fā)生塑性變形（彈塑性變形彈塑性變形）；）； 外力去除后，試棒不能恢復到原有長度外力去除后，試棒不能恢

4、復到原有長度低碳鋼的拉伸圖低碳鋼的拉伸圖7屈服點（屈服點（S） ：如繼續(xù)增大外力，超過：如繼續(xù)增大外力，超過s點時，拉伸曲線上就出點時，拉伸曲線上就出現(xiàn)了近似水平的線段，此時試棒所受外力雖不再增加，但變形卻現(xiàn)了近似水平的線段，此時試棒所受外力雖不再增加，但變形卻繼續(xù)增加，這種現(xiàn)象稱為繼續(xù)增加，這種現(xiàn)象稱為“屈服屈服”，S點稱為點稱為屈服點屈服點。1.2.2 Plastic Deformation 塑性變形塑性變形低碳鋼的拉伸圖低碳鋼的拉伸圖8 脆性材料脆性材料（如普通鑄鐵、鎂合金），甚至斷裂時也不發(fā)生（如普通鑄鐵、鎂合金），甚至斷裂時也不發(fā)生塑性變形，通常規(guī)定產(chǎn)生塑性變形，通常規(guī)定產(chǎn)生0.2%

5、的塑性變形時的應力作為屈服強的塑性變形時的應力作為屈服強度，以度，以0.2 表示。表示。（一）屈服強度（一）屈服強度（ s ） 材料產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的應力為材料的屈服強度，單位為MPa )(sMPaAFsFs試棒產(chǎn)生屈服時所承受的最大外力(N) A試棒原始截面面積(mm2)9 試棒屈服時，產(chǎn)生試棒屈服時，產(chǎn)生加工硬化加工硬化（冷作硬化冷作硬化），載荷繼續(xù)增加時，），載荷繼續(xù)增加時，變形才能增加，直到載荷增加打最大值變形才能增加，直到載荷增加打最大值 Fb ，此時試棒產(chǎn)生徑縮，此時試棒產(chǎn)生徑縮（二）抗拉強度（二）抗拉強度（b）)(bbMPaAF 材料產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的應力為材料的屈服強度，單位為MP

6、a Fb試棒拉斷前能承受的最大外力(N) A試棒原始截面面積(mm2)10 一般機器構件是不允許產(chǎn)生微小塑性變形的，因此機械設計應采用屈服強度應采用屈服強度s 或或0.2 但抗拉強度抗拉強度 b 測定方便測定方便，數(shù)據(jù)較準確，應此設計零件時也可直接采用抗拉強度指標，但需使用較大的安全系數(shù) 由上可知，強度強度是表征金屬材料抵抗過量塑性變形塑性變形或斷裂斷裂的物理性能。（二）抗拉強度（二）抗拉強度（b）11 材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力稱為塑性。塑性指標用伸長率伸長率和斷面收縮率收縮率表示（三）塑性（三）塑性12單詞和詞組翻譯單詞和詞組翻譯 英譯漢英譯漢materialmateria

7、ls Sciencematerials Engineeringmechanical Propertiestechnology classificationintroductionheat treatmentsubstance applicationmetal polymer ceramic composite Semiconductor漢譯英漢譯英合金合金黑色金屬黑色金屬有色金屬有色金屬金屬的金屬的非金屬的非金屬的鐵鐵碳碳強度強度韌性韌性疲勞強度疲勞強度剛度剛度彈性模量彈性模量載荷載荷131.2.3 Hardness 硬度硬度 定義：金屬表面局部體積內(nèi)抵抗更硬物體壓入的能力稱為硬度。 硬度愈高

8、，表明金屬抵抗局部塑性變形的能力愈大，塑性變形愈困難。 意義：硬度能較敏感地反映材料的成分與組織結(jié)構的變化，故可用來檢驗原材料和控制冷熱加工質(zhì)量。 測試金屬硬度常用的指標種類有: （1） 布氏硬度 (HB) （2） 洛氏硬度 (HR) （3） 維氏硬度 (HV)141.2.3 Hardness 硬度硬度1） 布氏硬度（1890年，由瑞典工程師布利涅爾（Brinell）提出） 布氏硬度測量過程151.2.3 Hardness 硬度硬度根據(jù)國標GB231-84規(guī)定，硬度值寫在布氏硬度符號前。 a. 當壓頭用淬火鋼球時，符號為HBS。適用于硬度值在450以下的材料 ；因為硬度太高時，將使淬火鋼球產(chǎn)生

9、變形。 b. 當壓頭用硬質(zhì)合金球時，符號為HBW。適用于硬度值在450-650的材料 。 布氏硬度公式 161.2.3 Hardness 硬度硬度2）洛氏硬度（1919年，美國洛克威爾提出） 原理：利用一定的載荷，將夾角為120。的金剛石錐體或直徑1.588 mm的淬火鋼球壓入試樣，去除載荷后，根據(jù)壓痕深度確定硬度值。 測試洛氏硬度時，直接從表盤讀取數(shù)值即可 洛氏硬度測量過程171.2.3 Hardness 硬度硬度HRAHRBHRC 壓壓 頭頭 金剛石圓錐體 1.5875鋼球 金剛石圓錐體總載荷總載荷 /N 588.37 980.67 1471.07 應應 用用 高硬度材料，如硬質(zhì)合金較軟材

10、料 ，如退火鋼、銅、鋁淬火鋼等硬材料范范 圍圍 60-88HRA 20-100HRB 20-70HRC 表表1-1 1-1 洛氏硬度的分類洛氏硬度的分類181.2.3 Hardness 硬度硬度 d. HRC和HRA適用于測量淬火鋼等較硬材料的硬度；HRB適用于退火鋼、有色金屬等較軟的材料。 3）維氏硬度 (英國的維克斯Vickers公司) 壓頭：錐面夾角138。的金剛石四方角錐體，在載荷作用下，壓出對角線長為d的正方形，測量d的長度，即可算出壓痕面積A，單位面積所承受的壓力為維氏硬度，用符號HV表示： 洛氏硬度與布氏硬度的近似關系：硬度與強度之間有一定聯(lián)系，但無理論聯(lián)系，有經(jīng)驗數(shù)據(jù)：191.

11、2.4 Toughness 韌性韌性材料在工作中經(jīng)常要承受機械沖擊，比如下面視頻中的鍛錘錘鍛加工201.2.4 Toughness 韌性韌性擺錘沖擊試驗機擺錘沖斷試樣所作的功：沖擊韌性：Ak=G ( H-H1 )ak= (J/cm2) 0AAk211.2.4 Toughness 韌性韌性沖擊試驗動畫演示221.2.4 Toughness 韌性韌性 沖擊韌性 沖擊韌性試驗還經(jīng)常用于測定材料由韌性向脆性的轉(zhuǎn)變溫度，即韌脆(也稱冷脆)轉(zhuǎn)變溫度。 Body-centered cubic metals, including ferritic steels, undergo a large change

12、in energy absorbed during fracture over a limited tem-perature range. The phenomenon is called the ductile-to-brittle tran-sition. In these materials the fracture behaviors is ductile at high tem-perature and brittle at low temperature.韌性向脆性的轉(zhuǎn)變dktl 易延展的231.2.4 Toughness 韌性韌性 沖擊韌性a. 一般來說，低碳鋼和低強度鋼的韌脆轉(zhuǎn)

13、變溫度較低且比較明顯;而高碳鋼和高強度鋼看不出明顯的韌脆轉(zhuǎn)變溫度b. 為避免脆性破壞，多采用0.20% C以下的低碳鋼。鋼中加入錳、鎳等元索，可使韌脆轉(zhuǎn)變溫度降低。 241.2.4 Toughness 韌性韌性 沖擊韌性“硫”使鋼產(chǎn)生“熱脆性”，使鋼在熱加工時產(chǎn)生斷裂；“磷”使鋼產(chǎn)生“冷脆性”，歷史上很多有名的災難性事件就是由“冷脆”引起的： （1） 1938年，比利時哈塞爾特城，氣溫-15，阿爾伯運河上的一座鋼橋，突然出現(xiàn)裂縫，幾分鐘內(nèi)就斷成幾節(jié)； （2） 1954年冬天，1萬2千噸級的英國油輪“世界協(xié)和號”，正行駛在愛爾蘭海面上，突然油輪中部出現(xiàn)裂縫，隨后一分為二。真實案例251.2.4

14、Toughness 韌性韌性 沖擊韌性“硫”使鋼產(chǎn)生“熱脆性”的原因： 硫在鋼中形成FeS和MnS，它們不溶于鋼液，且與鋼互補浸潤，鋼凝固時會被排擠在晶界處呈長條狀金屬夾雜物，且其熔點低，鋼凝固時它們?nèi)詾橐簯B(tài)，因此S促使鋼件熱裂紋。“磷”使鋼產(chǎn)生“冷脆性”的原因： 磷在鋼液中以Fe2P形式存在， Fe2P也是低熔點相，聚集于鋼的晶界處，消弱了晶粒的連接，特別是韌性下降。因此磷是促進鑄鋼件冷裂的重要原因之一。 真實案例261.2.5 Fatigue Strength 疲勞強度疲勞強度 1）交變應力 如軸、齒輪、連桿等所承受的載荷，不僅大小改變，同時方向也改變，這種載荷在零件內(nèi)部引起隨時間而不斷變

15、化的應力，稱為交變應力。 下圖為對稱循環(huán)交變應力，用-1表示。2）疲勞斷裂 金屬材料在交變應力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。271.2.5 Fatigue Strength 疲勞強度疲勞強度 斷裂時的應力遠低于材料靜載下的抗拉強度，甚至屈服強度, 疲勞斷裂屬低應力脆斷； 斷裂是突然發(fā)生的，不產(chǎn)生明顯的塑性變形，是一種無預兆、突然發(fā)生的斷裂，因此危險性極大。 3）疲勞斷裂的特點4）疲勞斷裂的基本過程 裂紋產(chǎn)生：材料本身的缺陷和結(jié)構等原因，使零件受力時局部產(chǎn)生應力集中，形成疲勞裂紋源，達到一定條件時，產(chǎn)生裂紋。 裂紋擴展：裂紋形成后，在交變應力下不斷擴展。 最后斷裂：隨著疲勞裂紋的擴展，有效承

16、載面逐漸減小，當應力達到材料的斷裂強度或斷裂韌度時，發(fā)生快速斷裂。281.2.5 Fatigue Strength 疲勞強度疲勞強度 5）疲勞破壞斷口宏觀特征 疲勞裂紋擴展部分，特征：經(jīng)過摩擦而較光滑，像細瓷斷口一樣。 突然斷裂區(qū)（最后斷裂區(qū)），特征：對塑性材料斷口呈纖維狀，對脆性材料則是結(jié)晶狀。291.2.5 Fatigue Strength 疲勞強度疲勞強度 6）疲勞強度（疲勞極限） 材料在“無數(shù)”次重復交變載荷的作用下而不破壞的最大應力。 當交變應力循環(huán)對稱時，疲勞極限用1表示。 注：試驗時，鋼材的循環(huán)次數(shù)以107為基數(shù)。7）影響疲勞極限的因素 (1) 材料本質(zhì)：材料的成分、組織以及純度和夾雜物對疲勞極限有顯著影響。 (2) 零件表面狀況：疲勞裂紋源大多起始于零件的表面。零件表面的加工缺陷大大降低了疲勞極限。 (3) 載荷類型：載荷類型不同，疲勞極限不一樣。 (4) 工作溫度：溫度升高，裂紋易產(chǎn)生和擴展，故降低了疲勞極限。 (5) 腐蝕介質(zhì)：零件在腐蝕環(huán)境中，疲勞極限明顯降低。 301.2.6 斷裂韌度斷裂韌度 1）斷裂韌度 斷裂韌度表征了材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力。2