第一章金屬材料的力學(xué)性能教案

復(fù)習(xí)舊1、材料的發(fā)展歷史2、工程材料的分類講授新第一章金材料的學(xué)性能材料的性能有使用性能和工藝性能兩類使用性是保證工件的正常工作應(yīng)具備的性能主要包括力學(xué)性能物理性能、化學(xué)性能等。工藝性是材料在被加工過程中適應(yīng)各種冷熱加工的性能，包括鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、熱處理性能、切削加工性能等。力學(xué)性是指金屬在外力作用下所顯示的性能能。金屬力學(xué)性能指標(biāo)有：強(qiáng)度、剛度、塑性、硬度、韌性和疲勞強(qiáng)度等。第一節(jié)一、拉伸試驗(yàn)及力—伸長(zhǎng)曲線

剛度、度與塑性L原始標(biāo)距長(zhǎng)度；L—拉斷后試樣標(biāo)距長(zhǎng)度01d原始直徑。0

d拉斷后試樣斷口直徑1國際上常用的是L=5d（短試樣），Ld長(zhǎng)試樣）0000

????

拉伸曲線]：拉伸試驗(yàn)中記錄的拉伸力F與伸長(zhǎng)量Δ（某一拉伸力時(shí)試樣的長(zhǎng)度與原始長(zhǎng)度的差Δ）的F—ΔL線稱為拉伸曲線圖。Oe：為純彈性變形階段，卸去載荷時(shí)，試樣能恢復(fù)原狀Es段：屈服階段Sb段：強(qiáng)化階段，試樣產(chǎn)生均勻的塑性變形，并出現(xiàn)了強(qiáng)化?Bk段：局部塑性變形階段二、剛剛度:金屬材料抵抗彈變的能力指標(biāo)：彈性模量EE=σ/ε

(Gpa)彈性范圍內(nèi).應(yīng)力與應(yīng)變的比值（或線形關(guān)系，正比）E↑剛度↑一定應(yīng)力作用下彈性變形↓三、強(qiáng)度指標(biāo)σ=F/S

o強(qiáng)度：強(qiáng)度是指材料抵抗塑性變形和斷裂的能力。強(qiáng)度表：度一般用拉伸曲線上所對(duì)應(yīng)某點(diǎn)的應(yīng)力來表示。單位采用N/mm

2

(或MPa兆帕）σ=F/A

oσ——應(yīng)力（MPa）；F——拉力（N）；S—截面積（mmo

2

）。常用的強(qiáng)度判據(jù)主要有屈服點(diǎn)、條件屈服強(qiáng)度（也稱為規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力）和抗拉強(qiáng)度等。1、屈服點(diǎn)與條件屈服強(qiáng)度[服強(qiáng)度s??產(chǎn)生屈服時(shí)的應(yīng)力（屈服點(diǎn)），亦表示材料發(fā)生明顯塑性變形時(shí)的最低應(yīng)力值。[規(guī)定余伸長(zhǎng)應(yīng)力：σ

r0.2

?

產(chǎn)生0.2%殘余伸長(zhǎng)率時(shí)的應(yīng)力。σ

r0.2

=Fr0.2/A

o2、抗拉強(qiáng)度[拉強(qiáng)度：σ

b????

斷裂前最大載荷時(shí)的應(yīng)力（強(qiáng)度極限）σγ0.2常常難以測(cè)出，所以，脆性材料沒有屈服強(qiáng)度指標(biāo)，只有抗拉強(qiáng)度指標(biāo)用于零件的設(shè)計(jì)計(jì)算。

22s

強(qiáng)度意：一般機(jī)械零件或工具使用時(shí)不允許發(fā)生塑性變形故屈服點(diǎn)σ是機(jī)械設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算的主要依據(jù)；抗拉強(qiáng)度代表材料抵抗拉斷的能力，若應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度，則會(huì)發(fā)生斷裂而造成事故。三、塑性指標(biāo)材料產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力稱為塑性用的塑性指標(biāo)是斷后伸長(zhǎng)率δ和斷面收縮率。一般通過拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)定。1、斷后伸長(zhǎng)率斷后伸長(zhǎng)率是指試樣拉斷后標(biāo)距的伸長(zhǎng)量與原標(biāo)距長(zhǎng)度的百分比。用符號(hào)δ表示。δ（-L/1002、斷面收縮率斷面收縮率是指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，用符號(hào)ψ表示：ψ（/A010塑性直接影響到零件的成形及使用。第二節(jié)

沖擊韌定義：指在沖擊載荷作用下材料抵抗沖擊力的作用而不被破壞的能力是材料強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)。衡量指沖擊韌度a(a＝A/F)kkka值測(cè)定方法：次彎曲沖擊實(shí)驗(yàn)法，K物理意：樣在沖斷時(shí)單位橫截面積上所消耗的沖擊功。值越大，表示材料的沖擊韌性越好。K

A，單位為K第三節(jié)

疲勞強(qiáng)交變載：荷大小和方向隨時(shí)間發(fā)生周期變化的載荷。疲勞斷：零件在變載荷下經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間工作而發(fā)生低應(yīng)力斷裂的現(xiàn)象成為疲勞斷裂。疲勞斷過程：裂紋萌生、疲勞裂紋擴(kuò)展、最后斷裂。疲勞抗指標(biāo)：疲勞極限，又稱疲勞強(qiáng)度σ表示。材料經(jīng)過無限次應(yīng)－1力循環(huán)不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力，即疲勞曲線上水平部分對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。

疲勞斷的原因：般認(rèn)為是，由于材料表面與內(nèi)部的缺陷（夾雜、劃痕、尖角等造成局部應(yīng)力集中，形成微裂紋。隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加，微裂紋逐漸擴(kuò)展使零件的有效承載面積逐漸減小以致于最后承受不起所加載荷而突然斷裂。提高材疲勞抗力的施：過合理選材改善材料的結(jié)構(gòu)形狀避免應(yīng)力集中，減小材料和零件的缺陷；提高零件表面光潔度；對(duì)表面進(jìn)行強(qiáng)化，噴丸處理等，可以提高材料的疲勞抗力。第四節(jié)

硬度硬度是指材料抵抗局部變形特別是塑性變形壓痕或劃痕的能力他是衡量材料軟硬的指標(biāo)。一、布氏硬度布氏硬測(cè)量原理：采用直徑為D的球形壓頭相應(yīng)的試驗(yàn)力F壓入材料的表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，用讀數(shù)顯微鏡測(cè)量殘余壓痕平均直d，用球冠形壓痕單位表面積上所受的壓力表示硬度值際測(cè)量可通過測(cè)出d值后查表獲得硬度值HBS—表示用淬火鋼球壓頭測(cè)量的布氏硬度值。適用范圍：小于HBW—表示用硬質(zhì)合金壓頭測(cè)量的布氏硬度值。適用范圍：布氏硬表示方法：符號(hào)HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間。布氏硬特點(diǎn)：點(diǎn)：測(cè)量數(shù)值穩(wěn)定，準(zhǔn)確，能較真實(shí)地反映材料的平均硬度；?????????????缺點(diǎn)：壓痕較大，操作慢，不適用批量生產(chǎn)的成品件和薄形件布氏硬測(cè)量范圍：于原材料與半成品硬度測(cè)量可用于測(cè)量鑄鐵非鐵金屬（有色金屬）、硬度較低的鋼（如退火、正火、調(diào)質(zhì)處理的鋼）布氏硬度數(shù)值通過布氏硬度試驗(yàn)測(cè)定。布氏硬度值是試驗(yàn)力除以壓痕球形表面積所得的商用淬火鋼球壓頭時(shí)用符號(hào)HBS，使用硬質(zhì)合金球壓頭時(shí)用符號(hào)HBW當(dāng)F、D一定時(shí)，布氏硬度值僅與壓痕直徑d的大小有關(guān)。布氏硬度習(xí)慣上只寫出硬度值而不必注明單位，其標(biāo)注方法是，符號(hào)或HBW之前為硬度值，符號(hào)后面按順序用數(shù)值表示試驗(yàn)條件。

布氏硬度值的測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。二、洛氏硬度洛氏硬測(cè)量原理：金剛石圓錐或淬火鋼球壓頭，在試驗(yàn)壓力F

的作用下，將壓頭壓入材料表面，保持規(guī)定時(shí)間后，去除主試驗(yàn)力，保持初始試驗(yàn)力，用殘余壓痕深度增量計(jì)算硬度值實(shí)際測(cè)量時(shí)可通過試驗(yàn)機(jī)的表盤直接讀出洛氏硬度的數(shù)值。氏硬度量條件：洛氏硬度可以測(cè)量從軟到硬較大范圍的硬度值根據(jù)被測(cè)對(duì)象硬度值大小不同，可用不同的壓頭和試驗(yàn)力，如下表。常用洛硬度的試驗(yàn)件和應(yīng)范圍硬度符號(hào)

壓頭類型

總試驗(yàn)力（kgf）

硬度范圍

應(yīng)用舉例HRA120

o

金剛石圓錐

588.4(60)

20~88

硬質(zhì)合金碳化物淺層表面硬化鋼等φ1.588mm淬火980.7(10HRB20~100鋼球0)

退火正火鋼鋁合金銅合金、鑄鐵HRC120o金剛石圓錐

1471(150)

20~70

淬火鋼調(diào)質(zhì)鋼深層表面硬化鋼洛氏硬特點(diǎn)：點(diǎn)：測(cè)量迅速、簡(jiǎn)便、壓痕小、硬度測(cè)量范圍大，?????????????????缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、重復(fù)性不如布氏硬度測(cè)定結(jié)果波動(dòng)較大，穩(wěn)定性較差，故需測(cè)試三點(diǎn)，取其算術(shù)平均值，一般不適宜測(cè)試組織不均勻的材料。三、維氏硬度維氏硬度是將相對(duì)面夾角為的正四棱錐體金剛石壓頭以選定的試驗(yàn)力（49.03~980.7N）壓入被測(cè)材料或零件表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，用測(cè)量的壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度計(jì)算硬度的一種壓痕硬度試驗(yàn)。試驗(yàn)原理如課件中所示。維氏硬度的表示符號(hào)為，測(cè)量范圍是5~1000HV，標(biāo)注方法與布氏硬度相同值寫在符號(hào)的前面試驗(yàn)條件寫在符號(hào)的后面對(duì)于鋼及鑄鐵的試驗(yàn)力保持時(shí)間為10~15s時(shí)，可以不標(biāo)出。

課堂小力學(xué)性小結(jié)力學(xué)

性能判據(jù)含義性能

名稱抗拉強(qiáng)度

符號(hào)σb

試樣拉斷前能承受的大應(yīng)力拉伸試驗(yàn)產(chǎn)屈服現(xiàn)象的應(yīng)力，樣產(chǎn)生明顯強(qiáng)度

屈服點(diǎn)

σ

s

塑性變形規(guī)定殘余延強(qiáng)度

σ

規(guī)定殘余伸率為0.2%的應(yīng)力試樣橫截面的最大縮量與原始截面積的百斷面收縮率

ψ塑性