金屬的力學(xué)性能

1、第一篇第一篇 機(jī)械工程機(jī)械工程材料材料材料n材料是人類用于制造物品、器件、構(gòu)件、機(jī)器或其他產(chǎn)品的物質(zhì)基礎(chǔ)物質(zhì)基礎(chǔ)。n 20世紀(jì)70年代開始人們把信息信息、材料材料和能能源源譽(yù)為當(dāng)代文明的三大支柱。 其中材料又是信息和能源的物質(zhì)基礎(chǔ)。 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 （使用過程）（使用過程）（加工過程）（加工過程）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

2、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)的物理意義和測定方法各性能指標(biāo)的物理意義和測定方法n力學(xué)性能力學(xué)性能 材料在外力作用下所表現(xiàn)出的特性。材料在外力作用下所表現(xiàn)出的特性。外力作用下材料的變形外力作用下材料的變形 作用在機(jī)件上的外力載荷載荷FFF = F （MPa）外力外力 內(nèi)力內(nèi)力應(yīng)力應(yīng)力FF靜載荷動載荷= F /SSFSF（1 1）彈性變形：）彈性變形： 材料受外力作用時產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后恢復(fù)其原來材料受外力作用時產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后恢復(fù)

3、其原來形狀，這種形狀，這種隨外力消失而消失的變形隨外力消失而消失的變形，稱為，稱為彈性變形彈性變形。兩種基本變形兩種基本變形FFF （2 2）塑性變形）塑性變形: : 材料在外力作用下材料在外力作用下產(chǎn)生永久的不可恢復(fù)的變形產(chǎn)生永久的不可恢復(fù)的變形，稱為稱為塑性變形塑性變形。FFF第一節(jié)第一節(jié) 強(qiáng)度和塑性強(qiáng)度和塑性一、一、拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)及拉伸曲線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)象拉伸實(shí)驗(yàn)拉伸實(shí)驗(yàn)kbb b 極限載荷點(diǎn)極限載荷點(diǎn)0lkl0dFee e 彈性極限點(diǎn)彈性極限點(diǎn)sS S 屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)K K 斷裂點(diǎn)斷裂點(diǎn)拉伸曲線拉伸曲線FFLkdl應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲

4、線0SF0ll縮頸sFeFbFo 二、應(yīng)力與應(yīng)變曲線二、應(yīng)力與應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)力 ：單位面積上試樣承受的載荷。這里用試樣承受的載荷除以單位面積上試樣承受的載荷。這里用試樣承受的載荷除以試樣的原始橫截面積試樣的原始橫截面積S 0表示表示: 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：單位長度的伸長量。這里用試樣的伸長量除以試樣的原始單位長度的伸長量。這里用試樣的伸長量除以試樣的原始標(biāo)距表示標(biāo)距表示: l伸長量伸長量(mm ) = l 0原始長度原始長度( 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，單位不同形狀和拉

5、伸曲線相同，單位不同材料在外力作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。材料在外力作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。（1 1） 屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度（S）指材料在外力作用下，產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的應(yīng)力。指材料在外力作用下，產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的應(yīng)力。 S S =Fs/S =Fs/S0 0 （MPaMPa）它表征了材料抵抗微量塑性變形的能力塑性變形的能力。屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 是塑性材料選材和評定的依據(jù)。是塑性材料選材和評定的依據(jù)。1、強(qiáng)度：、強(qiáng)度：kbFesl0ll0SF2 . 0s100%0.2%2 . 0Fb b =Fb/S0 （MPa）（2 2）抗拉強(qiáng)度）抗拉強(qiáng)度（b ）抗拉強(qiáng)度是材料在拉斷前抗拉強(qiáng)度是材料在拉斷前

6、承受最大載荷時的應(yīng)力。承受最大載荷時的應(yīng)力。 它表征了材料在拉伸條件下所能承受的最大應(yīng)力。抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 是脆性材料選材的依據(jù)。是脆性材料選材的依據(jù)。常用常用 和和 作為衡量塑性的指標(biāo)。作為衡量塑性的指標(biāo)。伸長率：伸長率：材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不引起破壞的能力。材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不引起破壞的能力。斷面收縮率斷面收縮率: :%10000lllk%10000sssk0lkl0dFFLkd良好的塑性是金屬材料進(jìn)行良好的塑性是金屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。塑性加工的必要條件。 2 2、塑性：、塑性：練習(xí)題一練習(xí)題一n拉力試樣的原標(biāo)距長度為拉力試樣的原標(biāo)距長度為50mm，直徑

7、為直徑為10mm，經(jīng)經(jīng)拉力試驗(yàn)后，將已斷裂的試樣對接起來測量，若最后拉力試驗(yàn)后，將已斷裂的試樣對接起來測量，若最后的標(biāo)距長度為的標(biāo)距長度為71mm，頸縮區(qū)的最小直徑為頸縮區(qū)的最小直徑為4.9mm，試求該材料的伸長率和斷面收縮率的值？試求該材料的伸長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%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。

8、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、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（HV） 莫氏硬度莫氏硬度肖氏硬度肖氏硬度一、布氏硬度1、測定原理布氏硬度計(jì)布氏硬度計(jì) 試驗(yàn)時，根據(jù)被測的材料不同，球直徑、試驗(yàn)力及試試驗(yàn)時，根據(jù)被測的材料不同，球直徑、試驗(yàn)力及試驗(yàn)力保持時間按表驗(yàn)力保持時間按表-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）試樣厚試樣厚度度/mm0.102球的直球的直徑徑/mm試驗(yàn)力試驗(yàn)力F/KN（k g f)試驗(yàn)力試

9、驗(yàn)力保持時保持時間間/s鋼、鋼、鑄鐵鑄鐵140-450634223010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)126631010.05.09.807(1000)2.452(250)12非鐵非鐵金屬金屬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、符號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 時間（s） 試驗(yàn)力（0.102N）500HBW

10、5/750例：表示用直徑5mm硬質(zhì)合金球在7355N試驗(yàn)力作用下保持1015s測得的布氏硬度值為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)各種布氏硬度試驗(yàn)法一般用于試驗(yàn)各種硬度硬度不高的鋼材、鑄鐵、有色金屬不高的鋼材、鑄鐵、有色金屬等，也用于試等，也用于試驗(yàn)驗(yàn)經(jīng)淬火、回火但硬度不高的鋼件經(jīng)淬火、回火但硬度不高的鋼件。 壓痕大，用于壓痕大，用于毛坯，原料，半成品毛坯，原料，半成品表面表面硬度的測量。硬度的測量。4、適用范圍 二、洛氏硬度測定原理硬度硬度符號符號壓頭類壓頭類型型載荷載荷F/k

11、 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適用于測量硬質(zhì)合金、鋼表、淬火適用于測量硬質(zhì)合金、鋼表、淬火層或滲碳層層或滲碳層HRB直徑為直徑為1.588mm鋼鋼球球10025100100（相當(dāng)（相當(dāng)6060230230HBHB）適用于測量非鐵金屬退火、適用于測量非鐵金屬退火、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，根據(jù)被測的材料不同，壓頭的類型、試驗(yàn)力及按試驗(yàn)時，根據(jù)被測的材料不同，壓頭的類型、試驗(yàn)力及按表表-2選擇，對應(yīng)

12、的洛氏硬度標(biāo)尺為選擇，對應(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、符號002. 0hkHR3、表示方法、表示方法硬度值+HR52HRC70HRA例： 洛氏硬度洛氏硬度HRC可以用于硬度很高的材可以用于硬度很高的材料，在鋼件熱處理質(zhì)量檢查中應(yīng)用最多。料，在鋼件熱處理質(zhì)量檢查中應(yīng)用最多。 由于表面壓痕小，測量值不準(zhǔn)確，用由于表面壓痕小，測量值不準(zhǔn)確，用于于薄件、成品件薄件、成品件的測量。的測量。4、適用范圍、適用范圍第三節(jié) 韌性和疲勞強(qiáng)度在設(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，

13、必須考慮所用材料的沖擊吸收功或沖擊韌度。一、擺錘式一次一、擺錘式一次沖擊試驗(yàn)原理沖擊試驗(yàn)原理擺錘試驗(yàn)機(jī)沖擊韌性沖擊韌性 AK = G（H1 H2）（J） ak = AK /S （J/m2） 材料抵抗沖擊載荷作用下斷裂的能力。 1H2H在沖擊載荷下工作的零件，很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少是受大能量一次沖擊而破壞的；往往是受小能量多次重復(fù)的；往往是受小能量多次重復(fù)沖擊而破壞的。沖擊而破壞的。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

14、沖擊方向。將質(zhì)量為m的擺錘安放到規(guī)定的高度的擺錘安放到規(guī)定的高度H，然后下落，將試樣打斷，并擺過支點(diǎn)升到某一高度然后下落，將試樣打斷，并擺過支點(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，折斷時所吸收的功為沖擊吸收功為次作用下，折斷時所吸收的功為沖擊吸收功為Ak。1、試樣沖斷時所消耗的、試樣沖斷時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

15、 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)部組織和缺陷有關(guān)。三、三、 疲勞極限疲勞極限交變應(yīng)力：交變應(yīng)力：是指大小和方向構(gòu)隨時間周期變化的應(yīng)力。是指大小和方向構(gòu)隨時間周期變化的應(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)生完全斷裂的過程。然發(fā)生完全斷裂的過程。在多次交變應(yīng)力作用，金屬會在遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度在多次交變應(yīng)力作用，金屬會在遠(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。1n 循環(huán)基數(shù)鋼：據(jù)統(tǒng)計(jì)，約據(jù)統(tǒng)計(jì)，約80%80%的機(jī)件失效