金屬材料的強(qiáng)度與塑性PPT課件.pptVIP

22 金屬材料的力學(xué)性能 第一講 金屬材料的強(qiáng)度與塑性,1,.,導(dǎo)讀,金屬材料在現(xiàn)代工業(yè)中的廣泛應(yīng)用主要是由于其能滿足各種工程構(gòu)件或機(jī)械零件所需的力學(xué)性能和工藝性能要求，所以掌握各種金屬材料的力學(xué)性能及其變化規(guī)律，根據(jù)工作條件及力學(xué)性能選擇材料，充分發(fā)揮其性能潛力，是保證構(gòu)件或零件質(zhì)量的基礎(chǔ)。,2,材料在力的作用下，諸如不同載荷所造成的彈性變形、塑性變形、斷裂（脆性斷裂、韌性斷裂、疲勞斷裂等）以及金屬抵抗變形和斷裂能力的衡量指標(biāo)。 金屬材料的力學(xué)性能是指在承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力等）時(shí)，對(duì)變形與斷裂的抵抗能力及發(fā)生變形的能力。 常用的力學(xué)性能有：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性及疲勞極限等。,3,4,材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱(chēng)為變形。 外力去處后能夠恢復(fù)的變形稱(chēng)為彈性變形。 外力去處后不能恢復(fù)的變形稱(chēng)為塑性變形。,5,強(qiáng)度是指金屬材料在靜載荷作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。 塑性是指金屬材料在靜載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不致引起破壞的能力。 金屬材料的強(qiáng)度和塑性的指標(biāo)可通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)定。,6,一、拉伸實(shí)驗(yàn) （GB/T228-2002）,拉伸試樣 2. 力伸長(zhǎng)曲線（以低碳鋼試樣為例） 3. 脆性材料的拉伸曲線,7,.,1. 拉伸試樣 有圓形、矩形、六方等形狀。,長(zhǎng)試樣：L0=10d0,短試樣：L0=5d0,8,9,萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī) a) WE系列液壓式 b) WDW系列電子式,10,11,2. 力伸長(zhǎng)曲線,拉伸試驗(yàn)中得出的拉伸力與伸長(zhǎng)量的關(guān)系曲線。,頸縮階段,強(qiáng)化階段,彈性變形階段,屈服階段,如圖：低碳鋼的力伸長(zhǎng)曲線,12,(a)試樣 (b)伸長(zhǎng) (c)產(chǎn)生縮頸 (d)斷裂,13,拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象,14,3. 脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對(duì)比）,脆性材料在斷裂前沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象。,15,在實(shí)際工程應(yīng)用中，在最大許用應(yīng)力條件下是否產(chǎn)生或產(chǎn)生多大微量塑性變形是重要的，具有實(shí)際意義。,16,強(qiáng)度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，是工程技術(shù)上重要的力學(xué)性能指標(biāo)。 按照載荷的性質(zhì)，材料強(qiáng)度有靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等；按照環(huán)境條件，材料強(qiáng)度有常溫強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度等，高溫強(qiáng)度又包括蠕變極限和持久強(qiáng)度。 根據(jù)載荷的作用方式不同，強(qiáng)度可分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。通常以抗拉強(qiáng)度代表材料的強(qiáng)度指標(biāo)。,二、強(qiáng)度,17,材料強(qiáng)度的大小通常用單位面積上所承受的力來(lái)表示，其單位為N/m2(Pa)，但Pa這個(gè)單位太小，所以實(shí)際工程中常用MPa（MPa=106Pa）作為強(qiáng)度的單位。 一般鋼材的屈服強(qiáng)度在2002000MPa 之間，如建造2008年北京奧運(yùn)會(huì)主體育場(chǎng)“鳥(niǎo)巢”外部鋼結(jié)構(gòu)的Q460E鋼，其屈服強(qiáng)度為460MPa。,18,1、彈性極限Re 彈性極限是指在產(chǎn)生完全彈性變形時(shí)材料所能承受的最大應(yīng)力，即：,式中Fe試樣完全彈性變形時(shí)所能承受的最大載荷(N ) So試樣原始截面積(mm2),19,2、屈服強(qiáng)度 （1） 屈服現(xiàn)象,在金屬拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)彈性極限后，變形增加較快，此時(shí)除了彈性變形外，還產(chǎn)生部分塑性變形。當(dāng)外力增加到一定數(shù)值時(shí)突然下降，隨后，在外力不增加或上下波動(dòng)情況下，試樣繼續(xù)伸長(zhǎng)變形，在力伸長(zhǎng)曲線出現(xiàn)一個(gè)波動(dòng)的小平臺(tái)，這便是屈服現(xiàn)象。,20,（2）屈服強(qiáng)度,在拉伸曲線上，與上、下屈服點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱(chēng)為上、下屈服強(qiáng)度，分別用ReH和ReL表示。在金屬材料中，一般用下屈服強(qiáng)度ReL代表其屈服強(qiáng)度。 ReH和ReL的計(jì)算公式如下：,21,22,（3） 條件（名義）屈服強(qiáng)度,對(duì)于高碳淬火鋼、鑄鐵等材料，在拉伸試驗(yàn)中沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象，無(wú)法確定其屈服強(qiáng)度。 國(guó)標(biāo)GB228-2002規(guī)定，對(duì)沒(méi)有明顯屈服現(xiàn)象的材料，一般規(guī)定以試樣達(dá)到0.2%殘余伸長(zhǎng)率對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為材料的屈服強(qiáng)度，稱(chēng)為條件（名義）屈服強(qiáng)度，通常記作Rp0.2 。,23,例如Rp0.2 表示規(guī)定殘余延伸率為0.2時(shí)的應(yīng)力。 其計(jì)算公式為： Rp0.2 F0.2 / S0 （N/ mm2） 式中：F0.2殘余延伸率達(dá)0.2時(shí)的載荷（N）； S0試樣原始橫截面積（mm2）。,24,L,F,0,F0.2,25,工程上各種構(gòu)件或機(jī)器零件工作時(shí)均不允許發(fā)生過(guò)量塑性變形，因此屈服強(qiáng)度ReL和條件屈服強(qiáng)度Rp0.2是工程技術(shù)上重要的力學(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)。,26,傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，對(duì)韌性材料，以屈服強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定許用應(yīng)力= ReL /n，安全系數(shù)n一般取2或更大。 ReL 和Rp0.2常作為零件選材和設(shè)計(jì)的依據(jù)。,27,3、抗拉強(qiáng)度,材料在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力，用符號(hào)Rm表示。,計(jì)算公式,28,抗拉強(qiáng)度Rm的物理意義是塑性材料抵抗大量均勻塑性變形的能力。 鑄鐵等脆性材料拉伸過(guò)程中一般不出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，抗拉強(qiáng)度就是材料的斷裂強(qiáng)度。 斷裂是零件最嚴(yán)重的失效形式，所以，抗拉強(qiáng)度也是機(jī)械工程設(shè)計(jì)和選材的主要指標(biāo)，特別是對(duì)脆性材料來(lái)講。,29,30,強(qiáng)度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，一般鋼材的屈服強(qiáng)度在2001000MPa 之間。 強(qiáng)度越高，表明材料在工作時(shí)越可以承受較高的載荷。當(dāng)載荷一定時(shí)，選用高強(qiáng)度的材料，可以減小構(gòu)件或零件的尺寸，從而減小其自重。 因此，提高材料的強(qiáng)度是材料科學(xué)中的重要課題，稱(chēng)之為材料的強(qiáng)化。,4、強(qiáng)度的意義,31,2、衡量指標(biāo),金屬材料斷裂前發(fā)生永久變形的能力。,斷面收縮率：,斷后伸長(zhǎng)率：,試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長(zhǎng)量與原始標(biāo)距的百分比。,試樣拉斷后，頸縮處的橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比。,1、 定義,三、塑性,32,斷后伸長(zhǎng)率（ A ）,l1試樣拉斷后的標(biāo)距（mm）,l0試樣的原始標(biāo)距（mm）,33,同一材料的試樣長(zhǎng)短不同，測(cè)得的斷后伸長(zhǎng)率略有不同。 由于大多數(shù)韌性金屬材料的集中塑性變形量大于均勻塑性變形量，因此，比例試樣的尺寸越短，其斷后伸長(zhǎng)率越大，用短試樣（L05d0）測(cè)得的斷后伸長(zhǎng)率A略大于用長(zhǎng)試樣（L010d0）測(cè)得的斷后伸長(zhǎng)率A11.3。,34,斷面收縮率（ Z ）,S0試樣原始橫截面積（mm2）,S1頸縮處的橫截面積（mm2 ）,35,3、塑性的意義,任何零件都要求材料具有一定的塑性。很顯然，斷后伸長(zhǎng)率A和斷面收縮率Z越大，說(shuō)明材料在斷裂前發(fā)生的塑性變形量越大，也就是材料的塑性越好。 意義： a）安全，防止產(chǎn)生突然破壞； b）緩和應(yīng)力集中； c）軋制、擠壓等冷熱加工易變形。,36,通常情況下金屬的伸長(zhǎng)率不超過(guò)90% ，而有些金屬及其合金在某些特定的條件下，最大伸長(zhǎng)率可高達(dá)1000%2000% ，個(gè)別的可達(dá)6000% ，這種現(xiàn)象稱(chēng)為超塑性。由于超塑性狀態(tài)具有異常高的塑性，極小的流動(dòng)應(yīng)力，極大的活性及擴(kuò)散能力，在壓力加工、熱處理、焊接、鑄造、甚至切削加工等很多領(lǐng)域被中應(yīng)用。,超塑性,小知識(shí)：,37,1、強(qiáng)度與塑性是一對(duì)相互矛盾的性能指標(biāo)。在金屬材料的工程應(yīng)用中，要提高強(qiáng)度，就要犧牲一部分塑性。反之，要改善塑性，就必須犧牲一部分強(qiáng)度。 2、正所謂“魚(yú)和熊掌二者不能兼得”。但通過(guò)細(xì)化金屬材料的顯微組織，可以同時(shí)提高材料的強(qiáng)度和塑性。