第一章金屬的力學(xué)性能

1、第一篇第一篇 機(jī)械工程材料基礎(chǔ)機(jī)械工程材料基礎(chǔ)材料的性能材料的性能使用性能工藝性能 物理性能 化學(xué)性能 力學(xué)性能 熱處理性能鑄造性能焊接性能鍛造性能切削加工性能 材料分類材料分類復(fù)合材料復(fù)合材料金屬材料金屬材料陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料第一章第一章 金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能 本節(jié)重點(diǎn)：本節(jié)重點(diǎn)：金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能, ,包括材料的強(qiáng)包括材料的強(qiáng) 度度 、硬度、塑性、沖擊韌性、疲勞、硬度、塑性、沖擊韌性、疲勞 強(qiáng)度等。強(qiáng)度等。本節(jié)難點(diǎn)：本節(jié)難點(diǎn)：各性能指標(biāo)的物理意義和測(cè)定方法各性能指標(biāo)的物理意義和測(cè)定方

2、法第一節(jié)第一節(jié) 拉伸試驗(yàn)及強(qiáng)度和塑性拉伸試驗(yàn)及強(qiáng)度和塑性一、拉伸試驗(yàn)及拉伸曲線一、拉伸試驗(yàn)及拉伸曲線拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象2、應(yīng)力與應(yīng)變曲線、應(yīng)力與應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)力 ：?jiǎn)挝幻娣e上試樣承受的載荷。這里用試樣承受的載荷除以試樣的原始橫截面積S 0表示: F 載荷載荷( N ) = ( M pa ) S 0 原始橫截面積原始橫截面積( mm2)應(yīng)變應(yīng)變：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量。這里用試樣的伸長(zhǎng)量除以試樣的原始標(biāo)距表示: l伸長(zhǎng)量(mm ) = l 0原始長(zhǎng)度原始長(zhǎng)度( mm)應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線（ - 曲線曲線）: 形狀和拉伸曲線相同，單位不同 op段：比例彈性變形

3、階段； pe段：非比例彈性變形階段； 平臺(tái)或鋸齒（s段）：屈服階段； sb段：均勻塑性變形階段，是強(qiáng)化階段。 b點(diǎn)：形成了“縮頸”。 bk段：非均勻變形階段，承載下降，到k點(diǎn)斷裂。二、常用強(qiáng)度判據(jù) 強(qiáng)度強(qiáng)度: 材料在外力作用，抵抗塑性變形材料在外力作用，抵抗塑性變形 和斷裂的能力。和斷裂的能力。工程上工程上常用常用的金屬材料的的金屬材料的強(qiáng)度指標(biāo)強(qiáng)度指標(biāo)： 規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力（規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力（ p ） 屈服點(diǎn)（屈服點(diǎn)（ s ）或規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力（）或規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力（ r） 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度(b)1、規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力0.010.05pp：規(guī)定非比例伸長(zhǎng)率為0.01%時(shí)的應(yīng)力規(guī)定非比例伸長(zhǎng)

4、率為0.05%時(shí)的應(yīng)力0ppFS試驗(yàn)非比例伸長(zhǎng)為規(guī)定量時(shí)的拉力（N）試驗(yàn)原始橫截面積（mm2）是一些重要零件設(shè)計(jì)的力學(xué)依據(jù)2、屈服點(diǎn)和規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力0rrFS產(chǎn)生規(guī)定殘余伸長(zhǎng)時(shí)的拉力（N）規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力0.2:r規(guī)定殘余伸長(zhǎng)率為0.2%時(shí)的應(yīng)力0ssFS材料屈服時(shí)的拉力（N） 屈服點(diǎn)（屈服極限）0.2原標(biāo)準(zhǔn)（GB228-76）： 屈服強(qiáng)度3、抗拉強(qiáng)度（曾稱強(qiáng)度極限）0bbFS拉伸過(guò)程中最大的拉力（N）抗拉強(qiáng)度：材料在拉伸條件下所能承受最大力的應(yīng)力值是設(shè)計(jì)和選材的主要依據(jù)之一，是工程技術(shù)上的主要強(qiáng)度指標(biāo)。三、塑性判據(jù)三、塑性判據(jù) 塑性塑性: 材料在外力作用，抵抗塑性變形材料在外力作用，抵抗塑

5、性變形 和斷裂的能力。和斷裂的能力。常用的塑性判據(jù)常用的塑性判據(jù)： 拉伸時(shí)的拉伸時(shí)的斷后伸長(zhǎng)率斷后伸長(zhǎng)率和和斷面收縮率斷面收縮率1、斷后伸長(zhǎng)率由于同一材料用不同長(zhǎng)度的試樣測(cè)得的斷后伸長(zhǎng)由于同一材料用不同長(zhǎng)度的試樣測(cè)得的斷后伸長(zhǎng)率率數(shù)值不同，因此應(yīng)注明試樣尺寸比例。數(shù)值不同，因此應(yīng)注明試樣尺寸比例。10100%oLLL試樣拉斷后的標(biāo)距（mm）1L oL 試樣原始標(biāo)距（mm）2、斷面收縮率010100%SSL試樣斷裂后縮頸處的最小橫截面積（mm2）1S oS 試樣原始截面積（mm2）強(qiáng)度是表征材料變形抗力指標(biāo)，強(qiáng)度是表征材料變形抗力指標(biāo)，塑性是描述變形能力的指標(biāo)。塑性是描述變形能力的指標(biāo)。注：注：

6、練習(xí)題一練習(xí)題一 拉力試樣的原標(biāo)距長(zhǎng)度為50mm，直徑為10mm，經(jīng)拉力試驗(yàn)后，將已斷裂的試樣對(duì)接起來(lái)測(cè)量，若最后的標(biāo)距長(zhǎng)度為71mm，頸縮區(qū)的最小直徑為4.9mm，試求該材料的伸長(zhǎng)率和斷面收縮率的值？解：=（71-50）/50 x100%=42% S0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2) S1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2)=(S0-S1)/S0 x100%=24%練習(xí)題二練習(xí)題二 某工廠買回一批材料（要求：s230MPa；b410MPa；523%；50%）做短試樣（0=50；0=10mm）拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如下：Fs=19KN，F(xiàn)b=34.5KN；l1=63.1mm

7、；d1=6.3mm;問(wèn)買回的材料合格嗎？解： 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算如下：sFss(19x1000)/(3.14x52 )=242 230MPa b Fb s(34.5x1000)/(3.14x52 )=439.5 410MP5 l l 0 x100% (63.1-50)/50 x100%=26.2% 23% S S 0 x100% 60.31% 50%材料的各項(xiàng)指標(biāo)均合格，因此買回的材料合格。第二節(jié)第二節(jié) 硬硬 度度硬度：硬度：硬度試驗(yàn)方法硬度試驗(yàn)方法壓入法壓入法 劃痕法劃痕法回跳法回跳法指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力（金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形

8、、壓痕（金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力）或劃痕的能力）布氏硬度（布氏硬度（HB）洛氏硬度（洛氏硬度（HR）維氏硬度（維氏硬度（HRC）顯微硬度顯微硬度 莫氏硬度莫氏硬度肖氏硬度肖氏硬度一、布氏硬度1、測(cè)定原理布氏硬度計(jì)布氏硬度計(jì) 試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測(cè)的材料不同，球直徑、試驗(yàn)試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測(cè)的材料不同，球直徑、試驗(yàn)力及試驗(yàn)力保持時(shí)間按表力及試驗(yàn)力保持時(shí)間按表-1選擇選擇材料材料種類種類布氏硬度范圍布氏硬度范圍HBS（HBW）試樣厚度試樣厚度/mm0.102球的直徑球的直徑/mm試驗(yàn)力試驗(yàn)力F/KN（k g f)試驗(yàn)力保持時(shí)試驗(yàn)力保持時(shí)間間/s鋼、鑄鐵鋼、鑄鐵140-45063

9、4223010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)126631010.05.09.807(1000)2.452(250)12非鐵金屬非鐵金屬130634262.510.02.452(250)60表表1-1 布氏硬度試驗(yàn)規(guī)范布氏硬度試驗(yàn)規(guī)范)/()(2102. 0222mmNdDDDFSFHB壓2、符號(hào)HBS：淬火鋼球作壓頭HBW：硬質(zhì)合金作壓頭3、表示方法XXX HBS(W) XX / XXX / XX硬度值壓頭直徑（mm2）試驗(yàn)力保持 時(shí)間（s） 試驗(yàn)力（0.102N）500HBW5/750例：表示用直徑5mm硬質(zhì)合金球在7355N試驗(yàn)力作用下保

10、持1015s測(cè)得的布氏硬度值為500120HBS10/1000/30表示用直徑10mm鋼球壓頭在9807N試驗(yàn)力作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為120布氏硬度試驗(yàn)法一般用于試驗(yàn)各種硬度不布氏硬度試驗(yàn)法一般用于試驗(yàn)各種硬度不高的鋼材、鑄鐵、有色金屬等，也用于試高的鋼材、鑄鐵、有色金屬等，也用于試驗(yàn)經(jīng)淬火、回火但硬度不高的鋼件。驗(yàn)經(jīng)淬火、回火但硬度不高的鋼件。4、適用范圍二、洛氏硬度測(cè)定原理硬度硬度符號(hào)符號(hào)壓頭類壓頭類型型載荷載荷F/k g 硬度有效范圍硬度有效范圍使用范圍使用范圍HRA金剛石金剛石圓錐體圓錐體6070 08585適用于測(cè)量硬質(zhì)合金、鋼表、淬火適用于測(cè)量硬質(zhì)合金、鋼表、淬火層或滲

11、碳層層或滲碳層HRB直徑為直徑為1.588mm鋼球鋼球10025100100（相當(dāng)（相當(dāng)6060230230HBHB）適用于測(cè)量非鐵金屬退火、適用于測(cè)量非鐵金屬退火、退退火等火等HRC金剛石金剛石圓錐體圓錐體150206767( (相當(dāng)相當(dāng)HB230HB230700)700)適用于調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等適用于調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測(cè)的材料不同，壓頭的類型、試驗(yàn)力及按試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測(cè)的材料不同，壓頭的類型、試驗(yàn)力及按表表-2選擇，對(duì)應(yīng)的洛氏硬度標(biāo)尺為選擇，對(duì)應(yīng)的洛氏硬度標(biāo)尺為HRA、HRB、HRC三種三種表表1-2 常用的三種洛氏硬度的試驗(yàn)條件及應(yīng)用范圍常用的三種洛氏硬度的試驗(yàn)條件及應(yīng)用范圍2

12、、符號(hào)002. 0hkHR3、表示方法硬度值+HR52HRC70HRA例：洛氏硬度洛氏硬度HRC可以用于硬度很高可以用于硬度很高的材料，在鋼件熱處理質(zhì)量檢查的材料，在鋼件熱處理質(zhì)量檢查中應(yīng)用最多。中應(yīng)用最多。4、適用范圍第三節(jié) 沖擊吸收功在設(shè)計(jì)和制造受沖擊載荷的零件和工具（如鍛錘、沖床、鉚釘槍等）時(shí)，必須考慮所用材料的沖擊吸收功或沖擊韌度。一、擺錘式一次沖擊試驗(yàn)原理擺錘試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)在專門的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，把試樣放在試驗(yàn)機(jī)的支承面上，試驗(yàn)在專門的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，把試樣放在試驗(yàn)機(jī)的支承面上，試樣的缺口背向擺錘沖擊方向。將質(zhì)量為試樣的缺口背向擺錘沖擊方向。將質(zhì)量為m的擺錘安放到規(guī)定的高

13、度的擺錘安放到規(guī)定的高度H，然后下落，將試樣打斷，并擺過(guò)支點(diǎn)升到某一高度然后下落，將試樣打斷，并擺過(guò)支點(diǎn)升到某一高度h，試樣在沖擊試驗(yàn)力一試樣在沖擊試驗(yàn)力一次作用下，折斷時(shí)所吸收的功為沖擊吸收功為次作用下，折斷時(shí)所吸收的功為沖擊吸收功為Ak。1、試樣沖斷時(shí)所消耗的、試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功沖擊功A k為為: A k = m g H m g h (J)2、沖擊韌度沖擊韌度a k AK a k = (J/cm) Sk二、沖擊吸收功和沖擊韌度就是試樣缺口處單位截面積上就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。所消耗的沖擊功。沖擊吸收功 Ak 作為材料韌性判據(jù)，與溫度、試樣形狀、尺寸、表面粗糙度、內(nèi)部

14、組織和缺陷有關(guān)。第四節(jié) 疲勞極限交變應(yīng)力：交變應(yīng)力：是指大小和方向構(gòu)隨時(shí)間周期變化的應(yīng)力。材料的疲勞：材料的疲勞：材料在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下，在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累計(jì)損傷，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。在多次交變應(yīng)力作用，金屬會(huì)在遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度在多次交變應(yīng)力作用，金屬會(huì)在遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度b，甚至小甚至小于屈服點(diǎn)于屈服點(diǎn)s。的應(yīng)力下失效（出現(xiàn)裂紋或完全斷裂）的應(yīng)力下失效（出現(xiàn)裂紋或完全斷裂） 疲勞破壞的原因：疲勞破壞的原因：應(yīng)力集中微裂紋擴(kuò)展斷裂破壞。疲勞曲線：疲勞曲線：實(shí)驗(yàn)證明，一般鋼鐵材料所受交變應(yīng)力最大值實(shí)驗(yàn)證明，一般鋼鐵材料所受交變應(yīng)力最大值max與與其失效前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（疲勞壽命）其失效前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（疲勞壽命） N的曲線關(guān)系。的曲線關(guān)系。第五節(jié) 斷 裂