第一章金屬力學(xué)性能與工藝性能

1、第一章,材料是在不同的外界條件下使用的，如在載荷、溫度、介質(zhì)、電場(chǎng)等作用下將表現(xiàn)出不同的行為，即材料的使用性能。使用性能主要包括：力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。,力學(xué)性能是指材料在載荷(外力)作用下所表現(xiàn)出的特性。,載荷金屬材料在加工及使用過程中所受的外力,根據(jù)載荷作用性質(zhì)的不同分： （1）靜載荷大小不變或變化過程緩慢的載荷。 （2）沖擊載荷在短時(shí)間內(nèi)以較高速度作用于零件上的載荷。 （3）交變載荷大小、方向或大小和方向隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的載荷。,一、強(qiáng)度：是指材料在外力作用下抵抗變 形與斷裂的能力。 通常材料的強(qiáng)度和塑性是根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)(GB6397-86) 規(guī)定進(jìn)行靜拉伸試驗(yàn)測(cè)量得到的。,1

2、-1金屬的力學(xué)性能,WE-2000CI型 液壓式萬能試驗(yàn)機(jī),拉伸試樣,1.彈性變形階段（oe）,應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線特點(diǎn)（-曲線）,2.塑性變形階段（eb）,3.斷裂點(diǎn)（k）,1.彈性變形階段（oe）,應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線特點(diǎn)（-曲線）,直線oe的斜率定義為材料的彈性模量（剛度）E E= / 彈性模量E 反映了材料產(chǎn)生彈性變形的難易程度，保證了材料不發(fā)生過量彈性變形。,材料的彈性模量取決于材料本身，合金化、熱處理及冷熱變形對(duì)其影響不大。,應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線特點(diǎn)（-曲線）,2.塑性變形階段（eb）,載荷基本不變的情況下試樣繼續(xù)伸長(zhǎng)的現(xiàn)象稱作屈服。 s ： 屈服點(diǎn) s ：屈服強(qiáng)度,b：最大應(yīng)力點(diǎn) “縮

3、頸” b ：抗拉強(qiáng)度,3.斷裂點(diǎn)（k）,強(qiáng)度指標(biāo)： 1.彈性極限e ：是指材料由彈性過渡到彈-塑性變形的最大應(yīng)力。 2.屈服強(qiáng)度s ：是指材料產(chǎn)生明顯塑性變形時(shí)的應(yīng)力。 需要注意的是，對(duì)于高碳鋼等一些相對(duì)脆性的金屬材料往往沒有明顯的屈服平臺(tái)，規(guī)定產(chǎn)生0.2%殘余應(yīng)變時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值作為其屈服極限，稱為條件屈服強(qiáng)度，記作0.2。 3.抗拉強(qiáng)度b ：是指材料拉伸時(shí)所能承受的最大應(yīng)力。,二、塑性：是指材料在外力作用下產(chǎn)生 塑性變形而不破壞的能力。,a.材料可通過局部塑性變形來削減應(yīng)力峰，緩解應(yīng)力集中，從而防止突然破壞。 b.通過發(fā)生塑性變形和因此引起的形變強(qiáng)化，可提高抵抗過載的能力。 c.如果零件失

4、效前產(chǎn)生塑性變形，由于塑性變形可吸收大量能量，可使失效的破壞性降到最小。 d.好的塑性有利于壓力加工成型工藝。,塑性指標(biāo)：一般用伸長(zhǎng)率()或斷面收縮率()來反映材料塑性的好壞。,1.伸長(zhǎng)率： =(L1-L0)/L0,2.斷面收縮率： =(S0-S1)/S0,測(cè)量方法：靜載壓入法 根據(jù)壓頭和載荷的不同，主要有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)和維氏硬度 (HV) 等。,定義：硬度反映了材料表面抵抗其他硬物壓入的能力。,意義：硬度能較敏感地反映材料的成分與組織結(jié)構(gòu)的變化，與強(qiáng)度、耐磨性以及工藝性能往往存在一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，故可用來檢驗(yàn)原材料和控制冷熱加工質(zhì)量。,三、硬度：,將一定直徑的淬火鋼球或硬質(zhì)合

5、金球，在規(guī)定載荷下壓入被測(cè)金屬的表面，并保持一定時(shí)間，然后卸除載荷，以金屬表面球形壓痕單位面積上所承受載荷的大小來表示被測(cè)金屬材料的硬度。,布氏硬度：1900年瑞典工程師布利涅爾（Brinell）提出,幾點(diǎn)說明： 1.布氏硬度的單位為MPa，一般不標(biāo)出； 2.淬火鋼球?yàn)閴侯^測(cè)出的硬度值以HBS表示，適用于硬度值在450以下的材料；硬質(zhì)合金球?yàn)閴侯^測(cè)出的硬度值以HBW表示，適用于硬度值在450-650的材料； 3.布氏硬度值要注明鋼球直徑、載荷大小、加載時(shí)間。如10mm淬火球在9.81kN（ 1000kgf）載荷下，保持30s測(cè)得的布氏硬度值為150時(shí)，應(yīng)標(biāo)注為150HBS10/1000/30

6、又如:500HBW5/750表示用5mm的硬質(zhì)合金球在7.335kN （ 750kgf ）載荷作用下保持10-15s測(cè)得的布氏硬度值為500。,洛氏硬度：1919年美國洛克威爾提出。,用錐頂角120的金剛石圓錐體或淬火鋼球作為壓頭，在一定試驗(yàn)力的作用下，將壓頭壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定的保持時(shí)間后，卸除主試驗(yàn)力，根據(jù)殘余壓痕深度計(jì)算被測(cè)材料的硬度。洛氏硬度值可直接從硬度計(jì)讀取。,洛氏硬度的分類,HRA HRB HRC 壓頭 : 金剛石 直徑 金剛石 圓錐體 1.5875鋼球 圓錐體 總載荷 /N : 588.37 980.67 1471.07 應(yīng)用 ： 高硬度 較軟材料， 淬火鋼 材料，如 如退火鋼

7、， 等硬材料 硬質(zhì)合金 銅鋁等 范圍： 60-88HRA 20-100HRB 20-70HRC,維氏硬度的試驗(yàn)原理與布氏硬度相同，但維氏硬度試驗(yàn)是用兩面夾角為136的金剛石四棱錐體作為壓頭。試驗(yàn)時(shí)測(cè)出壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度以計(jì)算壓痕的表面積，以F/A的數(shù)值表示維氏硬度值。,維氏硬度：英國的維克斯Vickers公司,HV=1.8544F/d2(MPa),維氏硬度載荷小，壓痕深度淺，適應(yīng)于測(cè)量較薄的材料或表面硬化層的硬度，所以維氏硬度廣泛用來測(cè)定金屬鍍層、薄片金屬以及化學(xué)熱處理后的表面硬度。,壓痕面積大，能反映較大范圍的組成的平均性能，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，準(zhǔn)確，重復(fù)性強(qiáng),布氏硬度,洛氏硬度,維氏硬度,優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn),硬

8、度值可直接讀出，簡(jiǎn)便，壓痕小，可在關(guān)鍵表面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。,代表性差,壓痕清晰，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，載荷小，壓痕淺，適合薄件、表面層，且軟硬材料均適用，范圍廣。,硬度值測(cè)定麻煩,壓痕直徑測(cè)量麻煩，不適于成品、薄件,定義：韌性是指材料在塑性變形和斷裂的全過程中吸收能量的能力，是材料強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)。 衡量材料韌性的力學(xué)性能指標(biāo)稱之為韌度。我們考察較多的是材料的沖擊韌性和斷裂韌性，與之對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能指標(biāo)為沖擊韌度（k）和斷裂韌度（KIC）。,四、沖擊韌度,定義：沖擊韌性是用來評(píng)價(jià)材料在沖擊載荷作用下的脆斷 傾向的，它是指材料在沖擊加載下吸收塑性變形功和斷裂功的能力。 沖擊韌度為其力學(xué)性能指標(biāo)，表示單位面積

9、吸收的沖擊功，用一次擺錘沖擊試驗(yàn)法來測(cè)定。（k=Ak /A）,沖擊韌性,意義：用來反映材料對(duì)一次或少次數(shù)大能量沖擊破壞的抵抗能力和在此工作條件下材料對(duì)缺口的敏感性。,五、疲勞強(qiáng)度,疲勞斷裂的概念 零件在交變載荷作用下經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間工作而發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象(交變載荷是指大小、方向隨時(shí)間發(fā)生周期性循環(huán)變化的載荷),疲勞斷裂的特點(diǎn) (1)斷裂時(shí)的應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料靜載下的抗拉強(qiáng)度，甚至屈服強(qiáng)度, 疲勞斷裂屬低應(yīng)力脆斷。 (2)斷裂前無論是韌性材料還是脆性材料均無明顯的塑性變形，是一種無預(yù)兆、突然發(fā)生的斷裂，因此危險(xiǎn)性極大。,疲勞斷裂的基本過程,裂紋的產(chǎn)生 裂紋擴(kuò)展斷裂,斷裂,疲勞抗力指標(biāo) 疲勞強(qiáng)度 （疲勞極限） 材料在“無數(shù)”次重復(fù)交變載荷的作用下而 不破壞的最大應(yīng)力。,材 料 本 質(zhì),零 件 表 面 狀 況,載 荷 類 型,工 作 溫 度,腐 蝕 介 質(zhì),影 響 因 素,工藝性能：是指制造各種機(jī)械零件或工具的過程中，對(duì)各種不同加工方法的適應(yīng)能力。,1-2金屬的工藝性能,一、鑄造性能： 包括流動(dòng)性、收縮性、偏析。,二、鍛造性能（壓力加工性能）,金屬材料在壓力加工中承受壓力發(fā)生變形而不被破壞的能力。 主要取決于：塑性和變形抗力。,三、焊接性能：指金屬對(duì)焊接加