金屬的力學(xué)性能

金屬的力學(xué)性能使用性能工藝性能物理性能化學(xué)性能力學(xué)性能材料物理性能化學(xué)性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能物理性能化學(xué)性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能力學(xué)性能力學(xué)性能力學(xué)性能力學(xué)性能力學(xué)性能力學(xué)性能鍛造性能鑄造性能焊接性能熱處理性能鍛造性能鑄造性能鍛造性能焊接性能鑄造性能鍛造性能熱處理性能焊接性能鑄造性能鍛造性能鍛造性能鑄造性能鍛造性能焊接性能鑄造性能鍛造性能鑄造性能鍛造性能焊接性能鑄造性能鍛造性能熱處理性能焊接性能鑄造性能鍛造性能鍛造性能鑄造性能鍛造性能焊接性能鑄造性能鍛造性能熱處理性能焊接性能鑄造性能鍛造性能鑄造性能鍛造性能焊接性能鑄造性能鍛造性能第2頁,共30頁，2024年2月25日，星期天什么叫做金屬呢？所謂金屬，是指凡是由一種金屬元素組成的物質(zhì)（純金屬），或者由一種金屬元素和另外一種或者幾種元素熔合而成的具有金屬特性的新物質(zhì)（合金），我們就把它統(tǒng)稱為金屬。第3頁,共30頁，2024年2月25日，星期天

在工業(yè)生產(chǎn)中，我們用大量的金屬材料制成各種機(jī)械零件和工程構(gòu)件，但是，為了改進(jìn)生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，還必須正確選用金屬材料，充分發(fā)揮金屬材料的作用，因此，我們首先必須了解金屬的機(jī)械性能。那么，什么是金屬的機(jī)械性能呢？所謂金屬的機(jī)械性能是指金屬在受拉伸、壓縮、彎曲、沖擊等外力作用時，所表現(xiàn)出來的抵抗變形或破壞的能力。常用的金屬的機(jī)械性能一般包括強(qiáng)度、韌性、塑性和抗疲勞性等。第4頁,共30頁，2024年2月25日，星期天彈性變形：外力去除后能夠恢復(fù)的變形叫做彈性變形。塑性變形：外力去除后不能夠恢復(fù)的變形叫做塑性變形。補(bǔ)充知識：第5頁,共30頁，2024年2月25日，星期天強(qiáng)度：金屬在外力（靜載荷）作用下，所表現(xiàn)出來的抵抗塑性變形或者斷裂的能力。金屬抵抗外力的能力越大則其強(qiáng)度越高。意即，強(qiáng)度越高，表明材料可以承受較高的載荷而不致引起塑性變形或斷裂。強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度當(dāng)所受外力是拉力時，材料表現(xiàn)出來的抵抗變形或者破壞的能力當(dāng)所受外力與材料的軸線相垂直，并在作用后使材料彎曲，這時材料所表現(xiàn)出來的抵抗的能力。當(dāng)所受外力是壓力時，材料表現(xiàn)出來的抵抗變形或者破壞的能力一、強(qiáng)度第6頁,共30頁，2024年2月25日，星期天圖8-1圓柱形拉伸試樣

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228—2002規(guī)定，拉伸試驗(yàn)是指沿試樣軸向用靜拉伸力進(jìn)行拉伸，并測量拉伸力和相應(yīng)的伸長量，來確定其力學(xué)性能的試驗(yàn)。拉伸時，一般要將拉伸試樣拉至斷裂，試驗(yàn)一般在室溫10～35℃范圍內(nèi)進(jìn)行。

1.拉伸試樣

通常采用圓柱形試樣，其尺寸按照國家標(biāo)準(zhǔn)金屬拉伸試驗(yàn)試樣中的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行制作。試樣分為短試樣和長試樣兩種。拉伸試樣如圖8-1所示，圖8-1a所示為標(biāo)準(zhǔn)試樣，圖8-1b所示為拉斷后的試樣。拉伸試驗(yàn)第7頁,共30頁，2024年2月25日，星期天圖8-2拉伸試驗(yàn)機(jī)示意圖

1—試樣2—工作臺3—立柱4—工作活塞

5—表盤6—拉桿7—上夾頭8—下夾頭2.試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。圖8-2所示為拉伸試驗(yàn)機(jī)示意圖。將試樣裝在拉伸試驗(yàn)機(jī)的上、下夾頭上，起動拉伸試驗(yàn)機(jī)，在軸向拉力的作用下，試樣受到拉伸。同時，記錄裝置記錄下拉伸過程中的力-伸長曲線。第8頁,共30頁，2024年2月25日，星期天圖8-3退火低碳鋼的力-伸長曲線3.力-伸長曲線

在拉伸試驗(yàn)中，拉伸力F和試樣伸長量ΔL之間的關(guān)系曲線，稱為力-伸長曲線。圖8-3所示為退火低碳鋼的力-伸長曲線圖。Fp是試樣保持彈性變形的最大拉伸力冷變形強(qiáng)化彈性變形屈服縮頸與斷裂Fe屈服拉伸力極限拉伸力Fm第9頁,共30頁，2024年2月25日，星期天圖8-4上屈服強(qiáng)度與下屈服強(qiáng)度強(qiáng)度指標(biāo)

金屬材料強(qiáng)度指標(biāo)常用的有屈服強(qiáng)度、規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等。1.屈服強(qiáng)度

當(dāng)金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時，在試驗(yàn)期間達(dá)到塑性變形發(fā)生而力不增加的應(yīng)力點(diǎn)，應(yīng)區(qū)分上屈服強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度。屈服強(qiáng)度是工程技術(shù)上極為重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一，也是大多數(shù)機(jī)械零件選材和設(shè)計(jì)的依據(jù)。第10頁,共30頁，2024年2月25日，星期天圖8-5規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度2.規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度

工業(yè)上常使用的一些金屬材料，如高碳鋼、鑄鐵等，在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時并沒有明顯的屈服現(xiàn)象，也不會產(chǎn)生縮頸現(xiàn)象，這就需要人為規(guī)定一個相當(dāng)于屈服強(qiáng)度的強(qiáng)度指標(biāo)，即規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度。第11頁,共30頁，2024年2月25日，星期天3.抗拉強(qiáng)度

抗拉強(qiáng)度是指試樣拉斷前承受的最大標(biāo)稱拉應(yīng)力，用符號Rm表示，單位為MPa。Rm可用下式計(jì)算

Rm是金屬由均勻塑性變形向局部集中塑性變形過渡的臨界值，也是金屬在靜拉伸條件下的最大承載能力。對于塑性金屬來說，拉伸試樣在承受最大拉應(yīng)力之前，變形是均勻一致的。但超過Rm后，金屬開始出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，產(chǎn)生集中變形。第12頁,共30頁，2024年2月25日，星期天表8-1金屬強(qiáng)度與塑性新、舊標(biāo)準(zhǔn)對照表

金屬材料的塑性指標(biāo)主要有斷后伸長率和斷面收縮率，用拉斷試樣時的最大相對變形量來表示。二、塑性（塑性：在外力作用下金屬材料產(chǎn)生塑性變形而不致引起斷裂的能力。）第13頁,共30頁，2024年2月25日，星期天1.斷后伸長率

在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時，拉伸試樣在力的作用下產(chǎn)生塑性變形，原始試樣中的標(biāo)距長度會不斷伸長。試樣拉斷后斷后標(biāo)距的殘余伸長與原始標(biāo)距之比的百分率為斷后伸長率，用符號A表示。A可用下式計(jì)算2.斷面收縮率

試樣拉斷后橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分率稱為斷面收縮率。斷面收縮率用符號Z表示。Z值可用下式計(jì)算標(biāo)距：試樣部分原始長度A和Z越大，則塑性越好。良好的塑性是金屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。第14頁,共30頁，2024年2月25日，星期天塑性對材料的意義：1、是金屬材料進(jìn)行壓力加工的必要條件；2、提高安全性，因?yàn)榱慵诠ぷ鲿r萬一超載，也會由于塑性變形而使材料強(qiáng)化而避免突然斷裂。3、強(qiáng)度與塑性是一對相互矛盾的性能指標(biāo)。第15頁,共30頁，2024年2月25日，星期天

硬度是衡量金屬軟硬程度的一種力學(xué)性能。硬度的大小通過硬度試驗(yàn)測定。

硬度試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)都是在靜態(tài)力作用下測定材料力學(xué)性能的方法。由于硬度試驗(yàn)不需要制作專門試樣，方法簡便迅速，基本上不損傷試樣，而且可以直接在工件上進(jìn)行測試，因而在生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。硬度是一項(xiàng)綜合的力學(xué)性能指標(biāo)，從金屬表面的局部壓痕即可反映出材料的強(qiáng)度和塑性，因此在零件圖上常常標(biāo)注各種硬度指標(biāo)來作為技術(shù)要求。硬度值的高低直接影響機(jī)械零件的耐磨性，一般情況下硬度值越高，耐磨性也越好。三、硬度

硬度測量方法有壓入法、劃痕法、回彈法等，其中應(yīng)用最為普遍的是壓入法。第16頁,共30頁，2024年2月25日，星期天圖8-6布氏硬度試驗(yàn)原理圖

根據(jù)GB/T231.1—2002的規(guī)定，布氏硬度是在布氏硬度計(jì)上進(jìn)行的一項(xiàng)硬度試驗(yàn)方法。它是在規(guī)定的試驗(yàn)力作用下，將一定直徑的硬質(zhì)合金球壓入試樣表面，保持一定的時間后去除試驗(yàn)力，測量試樣表面的壓痕直徑d，然后根據(jù)壓痕直徑d計(jì)算其硬度值或從表8-2中查出該材料的布氏硬度值。原理如圖8-6所示。1、布氏硬度第17頁,共30頁，2024年2月25日，星期天布氏硬度值是指壓痕單位表面積上所承受的平均壓力，用符號HBW表示。布氏硬度值可用下式計(jì)算式中，只有d是變數(shù)，因此試驗(yàn)時只要測量出壓痕直徑d(mm)，即可通過計(jì)算或查表得出HBW值。布氏硬度值一般都不標(biāo)出單位，只寫明硬度的數(shù)值。第18頁,共30頁，2024年2月25日，星期天布氏硬度的標(biāo)注方法：在硬度符號的前面，標(biāo)注測定的硬度值，在硬度符號的后面，用相應(yīng)的數(shù)字注明壓頭球直徑、試驗(yàn)力數(shù)字和與規(guī)定時間（10~15s）不同的試驗(yàn)力保持時間。一般試驗(yàn)力保持時間為10~15s時不需注明。例：350HBW5/75、600HBW1/30/20注：力的單位通常為公斤力kgf，注：1kgf=9.8N，kgf即一千克的力的意思

第19頁,共30頁，2024年2月25日，星期天圖8-7洛氏硬度試驗(yàn)原理圖

洛氏硬度是用錐角為120°的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的淬火鋼球作為壓頭，在洛氏硬度計(jì)上進(jìn)行的一項(xiàng)硬度試驗(yàn)方法，如圖8-7所示。試驗(yàn)時，先加初試驗(yàn)力，然后再加主試驗(yàn)力，將壓頭壓入試樣表面之后，去除主試驗(yàn)力，在保留初試驗(yàn)力的情況下，根據(jù)試樣壓痕深度來確定金屬的硬度大小。2、洛氏硬度第20頁,共30頁，2024年2月25日，星期天洛氏硬度的標(biāo)注方法：在硬度符號HR的前面應(yīng)該注明硬度數(shù)值，HR后面應(yīng)該注明使用的標(biāo)尺。如50HRC表示用“C”標(biāo)尺測定的洛氏硬度值為50。布氏硬度優(yōu)點(diǎn)：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定缺點(diǎn)：壓痕大，對金屬的損傷大，不能用于太薄件及比壓頭還硬的材料洛氏硬度優(yōu)點(diǎn)：操作簡便、壓痕小、適用范圍廣缺點(diǎn)：壓痕小，測量結(jié)果的準(zhǔn)確性、重復(fù)性不如不是硬度試驗(yàn)。區(qū)別第21頁,共30頁，2024年2月25日，星期天

強(qiáng)度、塑性、硬度等力學(xué)性能指標(biāo)都是在靜態(tài)力作用下測定的。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，有些零件受到的是動態(tài)力，是高速作用的載荷沖擊，如壓力機(jī)的沖頭、鍛錘的錘桿、汽車變速齒輪及飛機(jī)的起落架等，這些工件除要求具有一定的強(qiáng)度、塑性、硬度等力學(xué)性能外，還必須具有足夠的韌性，以滿足實(shí)際性能的需要。

韌性是指金屬材料在動態(tài)力作用下抵抗斷裂的能力，也即金屬在斷裂前吸收變形能量的能力。動態(tài)力，特別是沖擊載荷，比靜態(tài)力的破壞性要大得多。因此，需要采用測定沖擊載荷下的沖擊吸收功來確定韌性，用沖擊韌度表示。為了測定金屬的沖擊吸收功，通常都采用夏比沖擊試驗(yàn)。四、沖擊韌度第22頁,共30頁，2024年2月25日，星期天圖8-8夏比沖擊試驗(yàn)原理圖

1—固定支座2—帶缺口的試樣3—刻度盤4—擺錘

夏比沖擊試驗(yàn)是在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。試驗(yàn)時，將帶有缺口的試樣安放在試驗(yàn)機(jī)的機(jī)架上，使試樣的缺口位于兩固定支座中間，并背向擺錘的沖擊方向，如圖8-8所示。將一定質(zhì)量的擺錘升高至h1，則擺錘具有勢能AKV1(V形缺口試樣)。沖擊力方向1、實(shí)驗(yàn)原理第23頁,共30頁，2024年2月25日，星期天圖8-9沖擊試樣

a)U形缺口試樣b)V形缺口試樣2、沖擊試樣

為了使試驗(yàn)結(jié)果不受其他因素影響，沖擊試樣要根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)制作，如圖8-9所示。第24頁,共30頁，2024年2月25日，星期天圖8-10沖擊吸收功-溫度曲線3.沖擊韌度

用試樣斷口處截面面積去除沖擊吸收功即得沖擊韌度。以V形缺口試樣為例，其計(jì)算式為4.沖擊吸收功-溫度關(guān)系曲線

沖擊吸收功與試驗(yàn)溫度有關(guān)。有些金屬在室溫時并不顯示脆性，而在較低溫度下則可能發(fā)生脆斷。沖擊吸收功與溫度之間的關(guān)系曲線如圖8-10金屬的韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，說明金屬的低溫抗沖擊性能越好第25頁,共30頁，2024年2月25日，星期天圖8-11多次沖擊彎曲試驗(yàn)示意圖

多次沖擊彎曲試驗(yàn)如圖8-11所示。試驗(yàn)時將試樣放在試驗(yàn)機(jī)支座上，使試樣受到試驗(yàn)機(jī)錘頭的小能量多次沖擊，在一定沖擊能量下測定被測試樣。記錄開始出現(xiàn)裂紋和最后破裂的沖擊次數(shù)，并以此作為其多次沖擊抗力指標(biāo)。研究結(jié)果表明：多次沖擊抗力取決于金屬的強(qiáng)度和塑性指標(biāo)。小能量多次沖擊的脆斷問題，主要由金屬的強(qiáng)度決定；大能量多次沖擊的脆斷問題，主要取決于金屬的塑性。金屬在多次沖擊下的破壞過程包括裂紋產(chǎn)生、裂紋擴(kuò)張和瞬時斷裂三個階段，其破壞是每次沖擊損傷積累的結(jié)果，與每一次沖擊的破壞過程不同。第26頁,共30頁，2024年2月25日，星期天圖8-12對稱循環(huán)交變應(yīng)力

應(yīng)力是對稱循環(huán)應(yīng)力，其最大值σmax和最小值σmin的絕對值相等，即σmax/σmin=-1，如圖8-12所示。許多零件工作時承受的應(yīng)力值通常都低于材料的屈服強(qiáng)度或規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度，零件在這種循環(huán)載荷作用下，經(jīng)過一定循環(huán)次數(shù)后仍會產(chǎn)生裂紋或發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為金屬的疲勞。第27頁,共30頁，2024年2月25日，星期天圖8-13疲勞斷裂的斷口示意圖研究表明：疲勞斷裂首先是在零件局部區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中造成的。首先，形成微小的