金屬工藝學(xué)材料的力學(xué)性能教學(xué)課件PPT.ppt

第一章金屬的力學(xué)性能 2 第一節(jié)強(qiáng)度和塑性 第二節(jié)硬度 第三節(jié)韌性與疲勞強(qiáng)度 返回 第一章金屬的力學(xué)性能 機(jī)械零件或其他結(jié)構(gòu)件在使用過程中會(huì)受到各種外力的作用 金屬材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的性能稱為力學(xué)性能 它是保證零件和構(gòu)件正常工作應(yīng)具備的主要性能 金屬材料的力學(xué)性能主要包括強(qiáng)度 塑性 硬度 沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度等 力學(xué)性能不僅是機(jī)械零件設(shè)計(jì) 選材 驗(yàn)收及鑒定的主要依據(jù) 也是對(duì)產(chǎn)品加工過程實(shí)行質(zhì)量控制的重要參數(shù) 故學(xué)習(xí)金屬材料的力學(xué)性能對(duì)今后使用各種金屬材料具有重要的意義 返回 第一節(jié)強(qiáng)度和塑性 機(jī)械零件在正常使用過程中 有時(shí)會(huì)出現(xiàn)變形甚至斷裂的情況 這是因?yàn)闄C(jī)械零件的強(qiáng)度較低或塑性較差 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 金屬材料的強(qiáng)度越高 所能承受的載荷就越大 塑性是指金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力 為避免機(jī)械零件在使用過程中出現(xiàn)斷裂或者變形的情況 在使用前首先要確定機(jī)械零件的強(qiáng)度和塑性是否能夠滿足使用要求 一 金屬材料承受的載荷與應(yīng)力1 金屬材料承受的載荷金屬材料在加工和使用過程中所受到的外力稱為載荷 按外力的作用性質(zhì) 載荷常分為如下三種 下一頁(yè) 返回 第一節(jié)強(qiáng)度和塑性 1 靜載荷大小不變或變化很慢的載荷 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 根據(jù)作用形式不同 載荷又可分為拉伸載荷 壓縮載荷 彎曲載荷 剪切載荷和扭轉(zhuǎn)載荷等 如圖1 1所示 2 內(nèi)力與內(nèi)應(yīng)力 上一頁(yè) 下一頁(yè) 返回 第一節(jié)強(qiáng)度和塑性 材料受外力作用時(shí) 為保持自身形狀尺寸不變 在材料內(nèi)部作用著與外力相對(duì)抗的力 稱為內(nèi)力 內(nèi)力的大小與外力相等 方向則與外力相反 并與外力保持平衡 單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力 金屬材料受拉伸載荷或壓縮載荷時(shí) 其橫截面積上的應(yīng)力可按下式計(jì)算 式中 應(yīng)力 單位mpa f 外力 單位n s 橫截面積 單位mm2 上一頁(yè) 下一頁(yè) 返回 第一節(jié)強(qiáng)度和塑性 二 拉伸試驗(yàn)與拉伸曲線1 拉伸試驗(yàn)方法生產(chǎn)實(shí)際中通常使用拉伸試驗(yàn)來測(cè)定機(jī)械零件的強(qiáng)度和塑性 拉伸試驗(yàn)是一種破壞性試驗(yàn) 所以 拉伸試驗(yàn)時(shí) 通常不直接采用機(jī)械零件做試驗(yàn) 而是用與制造機(jī)械零件的相同材料制成的標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行試驗(yàn) 為了使測(cè)定出來的強(qiáng)度和塑性指標(biāo)具有可比性 拉伸試樣必須按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制作 拉伸試樣一般有圓形和矩形兩類 圖1 2所示為圓形拉伸試樣 圓形拉伸試樣一般又分為長(zhǎng)試樣 l0 10d 和短試樣 l0 5d 兩種 拉伸試驗(yàn)方法如下 1 將試樣兩端部位分別夾持在如圖1 3所示拉伸試驗(yàn)機(jī)的上下夾頭中 上一頁(yè) 下一頁(yè) 返回 第一節(jié)強(qiáng)度和塑性 2 對(duì)試樣緩慢施加軸向拉伸力f 使試樣沿其軸向伸長(zhǎng) 如圖1 4 a 所示 3 隨著拉伸力f的緩慢增大 試樣的有效伸長(zhǎng)量 l不斷增加 直至試樣斷裂 如圖1 4 b 所示 4 觀察 記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果 并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析 2 拉伸曲線衡量強(qiáng)度的指標(biāo)是在拉伸試驗(yàn)過程中測(cè)得拉伸曲線 再由拉伸曲線通過計(jì)算來獲得的 在拉伸試驗(yàn)過程中 試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)以拉伸力f為縱坐標(biāo) 以伸長(zhǎng)量 l為橫坐標(biāo) 畫出一條拉力f與伸長(zhǎng)量 l的關(guān)系曲線 稱為拉伸曲線 上一頁(yè) 下一頁(yè) 返回 第一節(jié)強(qiáng)度和塑性 圖1 5所示為低碳鋼的拉伸曲線示意圖 三 強(qiáng)度指標(biāo)根據(jù)外力作用方式的不同 強(qiáng)度有多種指標(biāo) 如抗拉強(qiáng)度 抗壓強(qiáng)度 抗彎強(qiáng)度 抗剪強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度等 常用的強(qiáng)度指標(biāo)有屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度 1 屈服強(qiáng)度與規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力金屬材料產(chǎn)生屈服時(shí)的應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度 用符號(hào) s表示 其大小可由下式求得 單位是mpa 上一頁(yè) 下一頁(yè) 返回 第一節(jié)強(qiáng)度和塑性 對(duì)于沒有明顯屈服現(xiàn)象的脆性材料 可用規(guī)定殘余延伸應(yīng)力表示 屈服強(qiáng)度或規(guī)定殘余延伸應(yīng)力是材料開始產(chǎn)生微量塑性變形時(shí)的應(yīng)力 對(duì)于大多數(shù)零件而言 過量的塑性變形就意味著零件的尺寸精度下降或與其他零件的相互配合精度受到影響 因而會(huì)造成零件失效 2 抗拉強(qiáng)度材料在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力 稱為抗拉強(qiáng)度或強(qiáng)度極限 用符號(hào) b表示 其值大小可由下式求得 單位是mpa 上一頁(yè) 下一頁(yè) 返回 第一節(jié)強(qiáng)度和塑性 零件在工作中所承受的應(yīng)力不允許超過抗拉強(qiáng)度 否則會(huì)產(chǎn)生斷裂 可見抗拉強(qiáng)度指標(biāo)也是機(jī)械零件設(shè)計(jì)時(shí)的重要依據(jù)之一 同時(shí)也是評(píng)定金屬材料強(qiáng)度的重要指標(biāo) 通常把屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的比值稱為屈強(qiáng)比 其值越高 則強(qiáng)度的利用率越高 屈強(qiáng)比越小 則工程構(gòu)件的可靠性越高 也就是萬(wàn)一超載也不致于馬上斷裂 但屈強(qiáng)比小 材料強(qiáng)度有效利用率也低 一般以0 75為宜 四 塑性指標(biāo)塑性也是在拉伸試驗(yàn)中測(cè)定的 常用的塑性指標(biāo)是斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率 1 斷后伸長(zhǎng)率 上一頁(yè) 下一頁(yè) 返回 第一節(jié)強(qiáng)度和塑性 斷后伸長(zhǎng)率是指試樣拉斷后 標(biāo)距的伸長(zhǎng)量與原始標(biāo)距的比率 用符號(hào) 表示 式中 l0 試樣的原始標(biāo)距長(zhǎng)度 l1 試樣拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度 材料的伸長(zhǎng)率是隨標(biāo)距的增加而減小的 所以同一材料的短試樣比長(zhǎng)試樣所測(cè)的伸長(zhǎng)率大20 左右 對(duì)局部集中變形明顯的材料 甚至達(dá)到50 因此 用長(zhǎng) 短兩種試樣測(cè)得的伸長(zhǎng)率分別用 10和 5表示 2 斷面收縮率斷面收縮率是指試樣拉斷處橫截面積的縮減量與原始橫截面積的比率 用符號(hào) 表示 上一頁(yè) 下一頁(yè) 返回 第一節(jié)強(qiáng)度和塑性 伸長(zhǎng)率和斷面收縮率越大 表明材料的塑性越好 一般認(rèn)為 5 的材料為脆性材料 材料具備一定的塑性才能進(jìn)行各種成型加工 如冷沖壓 鍛造 軋制等 鋼的塑性較好 能通過鍛造成型 鑄鐵的伸長(zhǎng)率幾乎為零 塑性很差 所以不能進(jìn)行塑性變形加工 另外 具有一定塑性的零件 偶爾過載時(shí)由于能發(fā)生一定量的塑性變形而不至于立即斷裂 在一定程度上保證了零件的工作安全性 因此對(duì)于重要的結(jié)構(gòu)零件要求必須具備一定的塑性 塑性并不是越大越好 一般來說 各種零件對(duì)塑性的要求有一定的限度 上一頁(yè) 返回 第二節(jié)硬度 一 硬度概念硬度通常是指金屬材料抵抗其他更硬物體壓入其表面的能力 是金屬抵抗其表面局部變形和破壞的能力 是衡量金屬材料軟硬的指標(biāo) 一般材料越硬 其耐磨性就越好 機(jī)械制造業(yè)所用的刀具 模具和機(jī)械零件等 都應(yīng)具備一定的硬度 才能保證其使用性能和壽命 金屬材料的硬度是在硬度試驗(yàn)設(shè)備上測(cè)定的 硬度試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單 操作迅速方便 可直接在零件或工具上進(jìn)行試驗(yàn)而不破壞工件 并且還可根據(jù)測(cè)得的硬度值估計(jì)出材料的近似抗拉強(qiáng)度和耐磨性 此外 硬度與材料的冷成型性 切削加工性 可焊性等工藝性能之間也存在著一定聯(lián)系 可作為制定加工工藝時(shí)的參考 下一頁(yè) 返回 第二節(jié)硬度 因此 硬度試驗(yàn)在實(shí)際生產(chǎn)中是最常用的試驗(yàn)方法 生產(chǎn)中常用的硬度測(cè)定方法有布氏硬度測(cè)試法和洛氏硬度測(cè)試法 有時(shí)還用維氏硬度測(cè)試法等 二 布氏硬度布氏硬度試驗(yàn)法是用直徑為d的硬質(zhì)合金球 在規(guī)定載荷f的作用下壓入被測(cè)試金屬的表面 如圖1 6所示 停留一定時(shí)間后卸除載荷 然后測(cè)量被測(cè)試金屬表面上所形成的壓痕直徑d 由此計(jì)算壓痕的表面積s 進(jìn)而求出壓痕在單位面積上所承受的平均壓力值 f s 以此作為被測(cè)試金屬的布氏硬度值 上一頁(yè) 下一頁(yè) 返回 第二節(jié)硬度 當(dāng)載荷f與球體直徑d一定時(shí) 硬度值只與壓痕直徑d的大小有關(guān) 1 布氏硬度試驗(yàn)條件的選擇由于金屬材料有軟有硬 被測(cè)工件有薄有厚 尺寸有大有小 如果只采用一種標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)載荷f和壓頭直徑d 就會(huì)出現(xiàn)對(duì)某些材料和工件不適應(yīng)的現(xiàn)象 因此 國(guó)標(biāo)規(guī)定了常用布氏硬度試驗(yàn)規(guī)范 在進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)時(shí) 可根據(jù)被測(cè)試金屬材料的種類 硬度范圍和試樣厚度 選用不同的壓頭直徑d 施加載荷f和載荷保持時(shí)間 建立f和d的某種選配關(guān)系 以保證布氏硬度的可比性 如表1 1所示 如果工件有特殊要求時(shí) 應(yīng)將測(cè)試條件在硬度值后面標(biāo)出 上一頁(yè) 下一頁(yè) 返回 第二節(jié)硬度 2 布氏硬度特點(diǎn)與應(yīng)用布氏硬度測(cè)試因壓痕面積較大 能反映出較大范圍內(nèi)被測(cè)試金屬的平均硬度 測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定 可測(cè)量組織粗大或組織不均勻材料 如鑄鐵 的硬度值 布氏硬度與抗拉強(qiáng)度之間存在一定的關(guān)系 可根據(jù)其值估計(jì)出材料的強(qiáng)度值 布氏硬度測(cè)試主要用于原材料或半成品的硬度測(cè)量 如測(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 等 但不宜測(cè)量較高硬度的材料 材料的硬度值必須 650hbw 如果用鋼球壓頭測(cè)量時(shí) 材料的硬度值必須 450hbs 且因壓痕較大 不宜測(cè)試成品或薄片金屬的硬度 上一頁(yè) 下一頁(yè) 返回 第二節(jié)硬度 三 洛氏硬度1 洛氏硬度試驗(yàn)原理洛氏硬度試驗(yàn)法是目前工廠中應(yīng)用最廣泛的試驗(yàn)方法 它是用一個(gè)金剛石圓錐體或鋼球作為壓頭 在初始載荷和主載荷先后作用下 壓入被測(cè)試金屬表面 經(jīng)規(guī)定時(shí)間后卸除主試驗(yàn)力 由壓頭在金屬表面所形成的壓痕深度來確定其硬度值 圖1 7所示為洛氏硬度試驗(yàn)原理 在初載荷作用下的壓入深度h0 加初載荷的目的是使壓頭與試樣表面緊密接觸 避免由于試樣表面不平整而影響試驗(yàn)結(jié)果的精確性 在總載荷 初載荷 主載荷 作用下的壓入深度h1 上一頁(yè) 下一頁(yè) 返回 第二節(jié)硬度 主載荷卸載后的壓入深度h 在實(shí)際測(cè)試時(shí) 可從硬度計(jì)的指示盤上直接讀出洛氏硬度值的大小 用符號(hào)hr表示 用金剛石壓頭測(cè)試時(shí)讀指示盤外圈上的數(shù)值 用鋼球壓頭測(cè)試時(shí)讀指示盤里圈上的數(shù)值 數(shù)值越大表示金屬材料越硬 為了能用同一硬度計(jì)測(cè)定從軟到硬材料的硬度 可采用不同的壓頭和載荷 組成不同的洛氏硬度標(biāo)尺 其中最常用的是hra hrb hrc三種標(biāo)尺 表1 2所示為這三種標(biāo)尺的試驗(yàn)條件和應(yīng)用范圍 2 洛氏硬度的特點(diǎn)洛氏硬度試驗(yàn)法操作迅速簡(jiǎn)便 由于壓痕較小 可用于成品的檢驗(yàn) 上一頁(yè) 下一頁(yè) 返回 第二節(jié)硬度 采用不同標(biāo)尺 可測(cè)出從極軟到極硬材料的硬度 為測(cè)試準(zhǔn)確 應(yīng)多點(diǎn)測(cè)量 取平均值 但由于壓痕較小 對(duì)組織比較粗大且不均勻的材料 測(cè)得的硬度值不夠準(zhǔn)確 四 維氏硬度1 維氏硬度的試驗(yàn)原理維氏硬度的試驗(yàn)原理基本上和布氏硬度試驗(yàn)相同 但所用的壓頭形狀和材料不同 它是用一個(gè)相對(duì)面夾角為136 的金剛石正四棱錐體壓頭 以選定載荷f作用下壓入被測(cè)試金屬的表面 保持一定時(shí)間后卸除載荷 如圖1 8所示 上一頁(yè) 下一頁(yè) 返回 第二節(jié)硬度 然后再測(cè)量壓痕的兩對(duì)角線的平均長(zhǎng)度d 進(jìn)而計(jì)算出壓痕的表面積s 最后求出壓痕表面積上平均壓力 f s 以此作為被測(cè)試金屬的硬度 用符號(hào)hv表示 2 維氏硬度試驗(yàn)法的特點(diǎn)維氏硬度試驗(yàn)法的優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)時(shí)所加載荷小 壓入深度淺 故適用于測(cè)試零件表面淬硬層及化學(xué)熱處理的表面層 如滲碳層 滲氮層等 的硬度 同時(shí)維氏硬度是一個(gè)連續(xù)一致的標(biāo)尺 試驗(yàn)時(shí)可任意選擇載荷 而不影響其硬度值的大小 因此可測(cè)定較薄的 從極軟到極硬的各種金屬材料的硬度值 并可直接比較它們的硬度大小 維氏硬度試驗(yàn)法的缺點(diǎn)是其硬度值的測(cè)定較麻煩 并且壓痕小 所以對(duì)試件的表面質(zhì)量要求較高 上一頁(yè) 返回 第三節(jié)韌性與癮勞強(qiáng)度 一 韌性1 韌性試驗(yàn)金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不被破壞的能力稱為沖擊韌性 簡(jiǎn)稱韌性 為了評(píng)定金屬材料的沖擊韌性 需在規(guī)定條件下對(duì)其進(jìn)行沖擊試驗(yàn) 以測(cè)定其衡量指標(biāo) 其中應(yīng)用最普遍的是一次沖擊彎曲試驗(yàn) 也稱為一次擺錘沖擊試驗(yàn) 圖1 9所示為沖擊試驗(yàn)機(jī)和一次擺錘沖擊試驗(yàn)過程示意圖 2 沖擊吸收功試驗(yàn)時(shí) 將標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣放置在擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)的支座上 把具有重量g的擺錘提高到距試樣高度為h的位置 如圖1 9所示 下一頁(yè) 返回 第三節(jié)韌性與癮勞強(qiáng)度 此時(shí)擺錘勢(shì)能為gh 然后使其下落 將試樣沖斷 沖斷試樣后擺錘又上升到距原試樣的高度為h處 擺錘剩余勢(shì)能為gh 故沖斷試樣所消耗掉的功為gh gh 稱為沖擊吸收功ak 即沖擊吸收功ak值越高 表示材料的沖擊韌性越好 對(duì)于像沖頭 空氣錘錘桿等承受沖擊的零件 需具有一定的韌性才能滿足其使用性能要求 但也不能要求過高 因?yàn)闆_擊吸收功ak升高 往往其硬度值和強(qiáng)度值會(huì)降低 耐磨性能和承載能力下降 零件的使用壽命也會(huì)降低 上一頁(yè) 下一頁(yè) 返回 第三節(jié)韌性與癮勞強(qiáng)度 二 疲勞強(qiáng)度1 疲勞現(xiàn)象實(shí)際生產(chǎn)中有許多機(jī)器零件 如軸 齒輪 彈簧 葉片等都是在交變載荷下工作的 承受交變載荷的金屬零件 在工作應(yīng)力低于其屈服強(qiáng)度時(shí) 經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的工作也會(huì)發(fā)生突然斷裂 這種現(xiàn)象稱為金屬的疲勞 金屬疲勞斷裂是在事先無明顯塑性變形的情況下突然發(fā)生的 故具有很大的危險(xiǎn)性 往往引發(fā)重大事故 所以在設(shè)計(jì)零件選材時(shí) 要考慮金屬材料對(duì)疲勞斷裂的抗力 上一頁(yè) 下一頁(yè) 返回 第三節(jié)韌性與癮勞強(qiáng)度 疲勞斷裂一般產(chǎn)生在零件應(yīng)力集中部位或材料本身強(qiáng)度較低的部位 如原有微裂紋 軟點(diǎn) 脫碳 夾雜或刀痕等 這些地方的局部應(yīng)力大于屈服強(qiáng)度 s 形成裂紋的核心 進(jìn)而在交變應(yīng)力或重復(fù)應(yīng)力的反復(fù)作用下產(chǎn)生疲勞裂紋 并隨著應(yīng)力循環(huán)周次的增加 疲勞裂紋不斷擴(kuò)展 使零件的有效承載面逐漸減小 最后當(dāng)減小到不能承受外加載荷時(shí) 零件即發(fā)生突然斷裂 2 疲勞曲線與疲勞強(qiáng)度 上一頁(yè) 下一頁(yè) 返回 第三節(jié)韌性與癮勞強(qiáng)度 疲勞曲線是材料固有的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性之一 該曲線通常是對(duì)某種材料加工成的標(biāo)準(zhǔn)試件施加循環(huán)特性r 1的對(duì)稱變應(yīng)力 并以循環(huán)的最大應(yīng)力 max表征材料疲勞強(qiáng)度 通過實(shí)驗(yàn) 記錄出在不同 max下引起試件疲勞破壞所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n 即得到如圖1 10所示疲勞曲線 通常稱其為 n曲線 金屬材料在無數(shù)次交變載荷的作用下而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力 稱為疲勞強(qiáng)度 用 1表示 疲勞強(qiáng)度是通過試驗(yàn)得到的 如圖1 10所示的