金屬材料的力學(xué)性能3

1、第一章第一章 工程材料的性能工程材料的性能工藝性能工藝性能在制造機械零件的過程中，材料適應(yīng)各種冷、在制造機械零件的過程中，材料適應(yīng)各種冷、熱加工和熱處理的性能。熱加工和熱處理的性能。使用性能使用性能材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、沖壓性能、鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、沖壓性能、切削加工性能、熱處理工藝性能切削加工性能、熱處理工藝性能第一節(jié)第一節(jié) 靜載時材料的力學(xué)性能靜載時材料的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能 指材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能，主要有指材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能，主要有強度、塑性、強度、塑性

2、、硬度、沖擊韌度硬度、沖擊韌度和和疲勞強度疲勞強度等。等。材料的性能材料的性能強度與塑性強度與塑性 作用在機件上的外力載荷FFF = F （MPa）外力 內(nèi)力應(yīng)力FF靜載荷動載荷= F /SSFSF一一. .常用術(shù)語常用術(shù)語1. 1.應(yīng)力與應(yīng)變應(yīng)力與應(yīng)變應(yīng)力：應(yīng)力：物體內(nèi)部任一截面單位面積上的相互作用力。物體內(nèi)部任一截面單位面積上的相互作用力。同截面垂直的稱為同截面垂直的稱為“正應(yīng)力正應(yīng)力”或或“法向應(yīng)力法向應(yīng)力”，同，同截面相切的稱為截面相切的稱為“剪應(yīng)力剪應(yīng)力”或或“切應(yīng)力切應(yīng)力”。0lkl0dFFkd拉伸前拉伸前拉伸后拉伸后應(yīng)變：應(yīng)變：物體形狀尺寸所發(fā)生的物體形狀尺寸所發(fā)生的相對改變。相

3、對改變。物體內(nèi)部某處的線段在變形后物體內(nèi)部某處的線段在變形后長度的改變值同線段原長之比長度的改變值同線段原長之比值稱為值稱為“線應(yīng)變線應(yīng)變”0ll（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)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。2. 2.兩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拉伸試驗拉伸試驗0lkl0dFFLkd

4、拉伸前拉伸前拉伸后拉伸后kbb 極限載荷點Fee 彈性極限點sS 屈服點K 斷裂點拉伸曲線l應(yīng)力應(yīng)變曲線0SF0llsFeFbFo材料的拉伸曲線材料的拉伸曲線1 1、oeoe段段：直線、彈性變形：直線、彈性變形2 2、eses段段：曲線、彈性變形：曲線、彈性變形+ +塑性變形塑性變形5 5、b b點點出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，即試樣局部出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，即試樣局部截面明顯縮小試樣承載能力降低，截面明顯縮小試樣承載能力降低，拉伸力達到最大值，而后降低，但拉伸力達到最大值，而后降低，但變形量增大，變形量增大，K K點時試樣發(fā)生斷裂。點時試樣發(fā)生斷裂。3 3、s ss s段段：水平線（略有波動）：水平線（略有波動）

5、明顯的塑性變形屈服現(xiàn)象，作用明顯的塑性變形屈服現(xiàn)象，作用的力基本不變，試樣連續(xù)伸長。的力基本不變，試樣連續(xù)伸長。4 4、sbsb曲線曲線：彈性變形：彈性變形+ +均勻塑性變均勻塑性變形形 s1 1強度強度材料在外力作用下，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） 彈性極限彈性極限（ e e）指金屬材料能保持彈性變形的最大應(yīng)力。指金屬材料能保持彈性變形的最大應(yīng)力。 e e =F =Fe e/S/S0 0 （MPaMPa）它表征了材料抵抗彈性變形的能力。（2 2） 屈服強度屈服強度（S）指材料在外力作用下，產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的最小應(yīng)力。指材料在外力作用下，產(chǎn)生屈

6、服現(xiàn)象時的最小應(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。當(dāng)材料單位面積上所受的應(yīng)力 e es s時，材料將產(chǎn)生明顯的塑性變形。條件屈服強度: 0.2=F 0.2/S0 （MPa）屈服強度屈服強度 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)。2 . 0s0.2%l0 2 . 0FbkFesl 對于低塑性材料或脆性材料：對于低塑性材料或脆性材料： b =Fb/S0 （MPa）（3 3）抗拉強度）抗拉強度（b ）抗拉強度是材料在拉斷前承受最大載荷時的應(yīng)力。抗拉強度是材料在拉斷前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

7、的最大應(yīng)力?？估瓘姸瓤估瓘姸?是脆性材料選材的依據(jù)。是脆性材料選材的依據(jù)。物理意義是在于它反映了最大均勻變形的抗力屈服強度與抗拉強度的比值 S S / b稱為屈強比。屈強比小，工程構(gòu)件的可靠性高，說明即使外載荷或某些意外因素使金屬變形，也不至于立即斷裂。但若屈強比過小，則材料強度的有效利用率太低。2. 2. 塑性塑性常用常用 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：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:%10000lllk%10000ssskF0d0lklFLkd良好的塑性是金屬材料進行塑性加工的必要條件。

8、3 3剛度剛度 在彈性階段：材料在外力作用下抵抗彈性變形的能力稱為剛度。材料在外力作用下抵抗彈性變形的能力稱為剛度。比例系數(shù)比例系數(shù)E 稱為彈性模量，它反映材料對彈性變形稱為彈性模量，它反映材料對彈性變形的抗力，代表材料的的抗力，代表材料的“剛度剛度” 。 lFEE所以：E 材料抵抗彈性變形的能力越大。材料抵抗彈性變形的能力越大。彈性模量的大小主要取決于材料的本性，隨溫度升高而彈性模量的大小主要取決于材料的本性，隨溫度升高而逐漸降低。逐漸降低。 4 4、硬度、硬度n定義：材料抵抗表面局部彈塑性變形的能力。定義：材料抵抗表面局部彈塑性變形的能力。 1) 1)布氏硬度布氏硬度HBHB)(2102.

9、 022dDDDFHB布氏硬度計布氏硬度計n壓頭為鋼球時壓頭為鋼球時，布氏硬度用符號，布氏硬度用符號HBS表示，適用于布氏硬度表示，適用于布氏硬度值在值在450以下的材料。以下的材料。n壓頭為硬質(zhì)合金球時壓頭為硬質(zhì)合金球時，用符號，用符號HBW表示，適用于布氏硬度在表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。以下的材料。l120HBS10/1000/30 表表示直徑為示直徑為10mm的鋼球在的鋼球在1000kgf載荷作用下保持載荷作用下保持30s測得的布氏硬度測得的布氏硬度值為值為120。 布氏硬度壓痕布氏硬度壓痕表示方法：表示方法：硬度值+HBS(HBW)+D+F+tn布氏硬度的優(yōu)點：布氏硬度的

10、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。n缺點：缺點：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。料。n應(yīng)用：應(yīng)用：適于測量適于測量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼, 鑄鐵及有色金屬的鑄鐵及有色金屬的硬度。硬度。n材料的材料的 b與與HB之間的經(jīng)驗關(guān)系：之間的經(jīng)驗關(guān)系： 對于低碳鋼對于低碳鋼: b(MPa)3.6HB 對于高碳鋼：對于高碳鋼： b(MPa)3.4HB 對于鑄鐵：對于鑄鐵： b(MPa)1HB或或 b(MPa) 0.6(HB-40)2) 洛氏硬度洛氏硬度h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計洛氏硬

11、度計n洛氏硬度用符號洛氏硬度用符號HR表示，表示，HR=k-(h1-h0)/0.002n根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為A、B、C。 n符號符號HR前面的數(shù)字為硬度值，前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。后面為使用的標(biāo)尺。lHRA用于測量高硬度材料用于測量高硬度材料, 如硬如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。lHRB用于測量低硬度材料用于測量低硬度材料, 如有如有色金屬和退火、正火鋼等。色金屬和退火、正火鋼等。lHRC用于測量中等硬度材料，如用于測量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。l洛

12、氏硬度的優(yōu)點：洛氏硬度的優(yōu)點：操作簡便，壓操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。痕小，適用范圍廣。l缺點：缺點：測量結(jié)果分散度大。測量結(jié)果分散度大。鋼球壓頭與鋼球壓頭與金剛石壓頭金剛石壓頭洛氏硬度壓痕洛氏硬度壓痕3) 3) 維氏硬度維氏硬度維氏硬度計維氏硬度計維氏硬度試驗原理維氏硬度試驗原理維氏硬度壓痕維氏硬度壓痕n維氏硬度用符號維氏硬度用符號HV表示表示，符號前的數(shù)字為硬度值，后面的符號前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。n維氏硬度保留了布氏硬度和維氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的優(yōu)點。洛氏硬度的優(yōu)點。 小負荷維氏硬度計小負荷維氏

13、硬度計顯微維氏硬度計顯微維氏硬度計1 1沖擊韌度（沖擊韌性）沖擊韌度（沖擊韌性） A AKUKU =mg =mg（H H1 1 H H2 2）（）（J J） = = A AKUKU/S /S （J/cmJ/cm2 2） 材料抵抗沖擊載荷而不破壞材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力。的能力。 1H2H第二節(jié)第二節(jié) 動態(tài)時材料的力學(xué)性能動態(tài)時材料的力學(xué)性能n材料的材料的值愈值愈大大，韌性就愈好韌性就愈好；材料的；材料的值愈值愈小小，材料材料的脆性愈大的脆性愈大n通常把通常把值值小小的材料稱為的材料稱為脆性材料脆性材料n研究表明，材料的研究表明，材料的值隨試驗值隨試驗溫度的降低而降低溫度的降低而降低。 加

14、載速度越快，溫度越低，表面及冶金質(zhì)量越差，加載速度越快，溫度越低，表面及冶金質(zhì)量越差， 在值在值越低。越低。TITANIC建造中的建造中的Titanic 號號TITANIC的沉沒的沉沒與船體材料的質(zhì)量與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)直接有關(guān)Titanic 號鋼板號鋼板（左圖）（左圖）和和近代船用鋼板近代船用鋼板（右圖）（右圖）的沖擊試驗結(jié)果的沖擊試驗結(jié)果Titanic近代船用鋼板近代船用鋼板2 2疲勞強度疲勞強度n工程上一些機件工作時受交變應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)力作用，即使工作工程上一些機件工作時受交變應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)力作用，即使工作應(yīng)力低于材料的應(yīng)力低于材料的 s ，但經(jīng)過一定循環(huán)周次后仍會發(fā)生斷裂，這，但經(jīng)過一

15、定循環(huán)周次后仍會發(fā)生斷裂，這樣的斷裂現(xiàn)象稱之為樣的斷裂現(xiàn)象稱之為疲勞。疲勞。 n據(jù)統(tǒng)計，約據(jù)統(tǒng)計，約80%80%的機件失效為疲勞破壞。的機件失效為疲勞破壞。n當(dāng)零件所受的應(yīng)力低于某一值時，即使循環(huán)周次無窮多也不發(fā)當(dāng)零件所受的應(yīng)力低于某一值時，即使循環(huán)周次無窮多也不發(fā)生斷裂，稱此應(yīng)力值為生斷裂，稱此應(yīng)力值為疲勞強度疲勞強度或或疲勞極限疲勞極限1N0N鋼：有色金屬：N0 循環(huán)基數(shù)影響疲勞強度的因素影響疲勞強度的因素:內(nèi)部缺陷、表面劃痕、殘留應(yīng)力等內(nèi)部缺陷、表面劃痕、殘留應(yīng)力等 有的大型轉(zhuǎn)動零件、高壓容器、橋梁等，常在其工件應(yīng)力遠低于 S S的情況下突然發(fā)生斷裂低應(yīng)力脆性斷裂。1943年美國年美國T

16、-2油輪發(fā)生斷裂油輪發(fā)生斷裂北極星導(dǎo)彈北極星導(dǎo)彈第三節(jié)第三節(jié) 斷裂韌度（斷裂韌性）斷裂韌度（斷裂韌性） n產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因與機件內(nèi)部存在著微裂紋和其它缺陷以及它們的擴展。裂紋擴展的基本形式裂紋擴展的基本形式2/1)( cca n材料中存在裂紋時，在裂紋尖端就會產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而形成裂紋尖端應(yīng)力場。應(yīng)力強度因子：描述裂紋尖端附近應(yīng)力場強度的指標(biāo)。aYKI Y為與裂紋形狀、加載方式和試樣幾何尺寸有關(guān)的無量綱系數(shù)CCICaYK C為斷裂應(yīng)力，aC為臨界裂紋半長nK KIC，材料必發(fā)生裂紋失穩(wěn)擴展而脆斷。nK KIC，材料中裂紋不擴展或擴展緩慢。 KIC可通過試驗來測定，它與材料成分、熱處理及加工工藝等有關(guān)n隨應(yīng)力的增大，KI不斷增大，當(dāng)KI增大到某一定值時，這可使裂紋前沿的內(nèi)應(yīng)力大到足以使材料分離，從而導(dǎo)致裂紋突然擴展，材料快速發(fā)生斷裂。n這個應(yīng)力強度因子的臨界值，稱為材料的斷裂韌度，用KIC表示。n斷裂韌性：材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴展的能力。力學(xué)性能力學(xué)性能bs強度塑性剛度硬度韌性疲勞強度三、力學(xué)性能與失效形式的關(guān)系三、力學(xué)性能與失效形式的關(guān)系失效形式失效形式斷裂塑性變形過量彈變磨損材料性能總結(jié)材料性能總結(jié)決定材料性能實質(zhì)：決定材料性能實質(zhì)：構(gòu)成材料原子的類型：構(gòu)成材料原子的類型：材料的成分描述了組成