金屬材料的力學(xué)性能

JINSHUCAILLIAODELIXUEXINGNENG多媒體技術(shù)金屬材料的力學(xué)性能

金屬材料的常用五大力學(xué)性能指標(biāo)。

掌握金屬力學(xué)性能的基本概念及其指標(biāo)；

認(rèn)識拉伸曲線圖，掌握強度、塑性的衡量指標(biāo)及其意義；

掌握常用硬度的測試方法及適用范圍。

掌握沖擊韌度、疲勞強度的衡量指標(biāo)及其意義。知識目標(biāo)：●能力目標(biāo)：●

能根據(jù)拉伸曲線圖比較不同金屬材料的強度、塑性；

能根據(jù)材料及其熱處理狀態(tài)，正確選用硬度測試方法；

能根據(jù)力學(xué)性能指標(biāo)合理選用金屬材料。重點及難點：●北極星導(dǎo)彈美國空客泰坦尼克號●引言●

鑄造性●鍛造性●焊接性●熱處理工藝性●切削加工性●金屬材料的性能：●

物理性能●

化學(xué)性能●

力學(xué)性能使用性能保證機械零件能正常使用應(yīng)具備的性能工藝性能各種加工過程中表現(xiàn)出來的性能使用性能、工藝性能金屬的力學(xué)性能金屬材料在各種載荷(外力)作用下表現(xiàn)出來的抵抗變形和破壞的能力。

●載荷（外力）形式：●靜載荷●沖擊載荷●疲勞載荷●拉伸●壓縮●彎曲●

剪切●扭轉(zhuǎn)

●載荷分類：包括：強度、塑性、硬度、沖擊韌度、疲勞強度一、強度●拉伸試驗1、拉伸試驗機2、拉伸試樣長試樣（1）圓柱形試樣短試樣（2）板狀試樣

L0、d0是規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值通常，L0取100mm或者50mm3、拉伸曲線分析

（低碳鋼）彈性變形變微量塑變屈服均勻塑變縮頸局部塑變斷裂4、低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)力σ=F/A0

應(yīng)變ε=△L/L0幾種常見金屬材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線1-鋁青銅2-低碳鋼（C，0.35%）3-硬鋁4-銅●強度——金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。抵抗塑性變形和斷裂的能力越大，則強度越高。按載荷作用方式不同，強度可分為：抗拉強度、抗彎強度、抗壓強度、抗剪切強度工程上常用的強度指標(biāo)：屈服強度、抗拉強度1、屈服強度●強度指標(biāo)屈服1）符號σs2）大小σs=Fs/Ao3）意義屈服強度表示材料抵抗塑性變形的能力；是塑性材料選材的依據(jù)。（產(chǎn)生屈服現(xiàn)象的最低應(yīng)力）彈變塑變2、抗拉強度●強度指標(biāo)0.2鑄鐵的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有些金屬材料在拉伸時無明顯的屈服現(xiàn)象（如左圖的鑄鐵），無法測定其屈服強度σs。按GB/T228-2002規(guī)定，可用條件屈服強度σ0.2

表示。含義：殘余變形量為0.2%

時的應(yīng)力值。2、抗拉強度●強度指標(biāo)縮頸1）符號σb2）大小σb=Fb/Ao3）意義材料抵抗斷裂的能力；是選材的依據(jù)（斷裂前的最大應(yīng)力）塑變斷裂金屬材料在斷裂前產(chǎn)生永久變形的能力。●塑性指標(biāo)●

伸長率（δ）●

斷面收縮率（φ）二、塑性δ=（L1-L0）/L0×100%試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長量與原始標(biāo)距的百分比●

伸長率（δ）L0——試樣原始標(biāo)距（mm）L1——試樣拉斷后標(biāo)距（mm）注意：當(dāng)L0=10d0時，伸長率用（10）表示；當(dāng)L0=5d0時，

伸長率用5表示；直徑d0

相同時，L0，。只有當(dāng)L0/d0

為常數(shù)時，塑

性值才有可比性；同一材料的試樣長短不同，測得的伸長率數(shù)值

是不相等的（一般有5>）；

比較不同材料的伸長率時，應(yīng)采用尺寸規(guī)格一樣的

試樣?！?/p>

斷面收縮率（φ）試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。A0——試樣原始橫截面積（mm2）A1——試樣拉斷后縮頸處最小橫截面積（mm2）φ

=(A0-A1)/A0×100%說明：用斷面縮率表示塑性比伸長率更接近真實變形；●塑性指標(biāo)●

塑性好，利于材料成形加工（鍛壓、軋制等）；●

塑性好，可以防止過載，避免突然斷裂；●

伸長率和斷面收縮率數(shù)值越大，材料的塑性越好；拉伸試樣的縮頸現(xiàn)象●塑性意義材料抵抗表面局部塑性變形的能力。衡量金屬軟硬程度的一種性能指標(biāo)。三、硬度●硬度指標(biāo)布氏硬度維氏硬度洛氏硬度●

布氏硬度（1）試驗原理●

布氏硬度（2）計算公式●

布氏硬度（3）試驗規(guī)范

GB/T231.1——2002

壓頭：10mm、5mm、2.5mm、1mmF/D2：30、15、10、5、2.5、1試驗力：鋼鐵材料為10～15s，

有色金屬為30s，

布氏硬度值＜35時為60s（4）表示方法符號HBW之前的數(shù)字表示硬度值,符號后面的數(shù)字按順序分別表示壓頭直徑、載荷及載荷保持時間（

10～15s不標(biāo)注）。

如120HBW10/1000/30表示直徑為10mm的硬質(zhì)合金球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下，保持30s測得的布氏硬度值為120。布氏硬度壓痕優(yōu)點：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料，操作麻煩。適于測量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼，鑄鐵及有色金屬的硬度。●

布氏硬度（5）優(yōu)缺點及應(yīng)用范圍●

洛氏硬度（1）試驗原理洛氏硬度用符號HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002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。

h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計●

洛氏硬度符號HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。HRA用于測量高硬度材料,如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。HRB用于測量低硬度材料,如有色金屬和退火、正火鋼等。HRC用于測量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。洛氏硬度的優(yōu)點：操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。缺點：測量結(jié)果分散度大。鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕●

洛氏硬度維氏硬度計維氏硬度試驗原理維氏硬度壓痕●

維氏硬度維氏硬度用符號HV表示，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。根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了三種測定方法—維氏硬度試驗、小負(fù)荷維氏硬度試驗、顯微維氏硬度試驗。維氏硬度保留了布氏硬度和

洛氏硬度的優(yōu)點。

●

維氏硬度顯微維氏硬度計小負(fù)荷維氏硬度計●硬度測試方法比較方法壓頭符號原理優(yōu)點缺點表示方法應(yīng)用范圍布氏硬度HBW洛氏硬度HRAHRBHRC維氏硬度HV金剛石圓錐壓痕面積測量準(zhǔn)確損傷大操作繁450HBW軟材料：有色,軟鋼毛坯半成品淬火鋼球壓痕深度損傷小較迅速

不夠

準(zhǔn)確不連續(xù)45HRC表層薄而硬有色,軟鋼成品、薄件各種淬火鋼金剛石四棱錐壓痕面積

準(zhǔn)確連續(xù)性不適于

成批800HV從軟到硬更宜：更薄更硬

硬質(zhì)合金球金剛石圓錐●金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力?！駴_擊試驗意義●判斷材料的韌、脆性：αk

高為塑材●檢驗材料的冷脆、裂紋、白點等●沖擊材料的選材依據(jù)四、沖擊韌度沖擊試驗●指標(biāo)為沖擊韌性值ak(通過沖擊實驗測得)。沖擊韌性值（ak）試樣沖斷時所消耗的沖擊功Ak為：

Ak

=mgh–mgh′(J)沖擊韌性值（ak）就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。Akak=S0(J/m2)

測定沖擊韌性值的意義

1）評定材料相對韌性的大小

2）評定材料的變脆傾向

材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變溫度。材料的使用溫度應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。韌TITANIC建造中的Titanic號TITANIC的沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)Titanic號鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗結(jié)果Titanic近代船用鋼板1、疲勞現(xiàn)象：某些零件（如齒輪、主軸、彈簧）受力較小，甚至遠(yuǎn)低于材料屈服點，長時間工作后發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象。2、疲勞斷裂特點：1）受力小，甚至遠(yuǎn)低于材料的屈服點；2）受力為交變應(yīng)力；3）斷裂前無明顯塑性變形，具有突然性3、疲勞強度：1）材料經(jīng)相當(dāng)次數(shù)循環(huán)而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力；2）符號為σ－1；3）σ-1越高，斷裂前循環(huán)次數(shù)越多，零件壽命越長五、疲勞強度4、疲勞試驗：5、疲勞斷裂原因與提高疲勞強度途徑：影響疲勞強度的因素：應(yīng)力集中；材料內(nèi)部組織缺陷；機加工精度；表面狀態(tài)、殘余應(yīng)力提高疲勞強度的途徑：零件結(jié)構(gòu)設(shè)計盡量避免尖角、缺口和截面突變；減少材料組織缺陷；減小表面粗糙度；采用表面強化處理。動靜萬能疲勞試驗機六、小結(jié)塑性判據(jù)強度判據(jù)疲勞強度σ-1韌性判據(jù)動載維氏硬度5～1000HV受循環(huán)交變載荷零件的選材、檢驗依據(jù)

金屬力學(xué)性能靜載屈服點抗拉強度σb—斷裂前的最大應(yīng)力斷后伸長率δ＞5%斷面收縮率φ＞10%硬度判據(jù)布氏硬度＜650HBW洛氏硬度沖擊韌度αk受沖擊零件的選材、檢驗依據(jù)疲勞判據(jù)