第一章-金屬材料的力學(xué)性能PPT課件

1、第一 剛度、強度、塑性1 1、拉伸試樣、拉伸試樣 試驗前在試棒上打出試驗前在試棒上打出標距標距按國標規(guī)定標準拉伸試樣可分為：按國標規(guī)定標準拉伸試樣可分為： ) ) 板形試樣：原材料為板材或帶材板形試樣：原材料為板材或帶材 ) ) 圓形試樣圓形試樣：長試樣：長試樣L L0 010d10d0 0， 短試樣短試樣L L0 0=5d=5d0 0 其中：其中：L L0 0為試樣標距，為試樣標距，d d0 0為試樣直徑為試樣直徑一、拉伸試驗與拉伸曲線一、拉伸試驗與拉伸曲線剛度、強度和塑性是根據(jù)剛度、強度和塑性是根據(jù)拉伸試驗拉伸試驗測定出來的。測定出來的。第1頁/共32頁2 2、拉伸過程、拉伸過程將試樣裝在

2、拉力試驗機夾頭上，緩慢加載，通將試樣裝在拉力試驗機夾頭上，緩慢加載，通過自動記錄裝置得到試樣所受載荷過自動記錄裝置得到試樣所受載荷F F和伸長量和伸長量L L的關(guān)系曲線稱為拉伸曲線；的關(guān)系曲線稱為拉伸曲線；第2頁/共32頁HT-2402-100KN電腦電腦伺服控制材料實驗機伺服控制材料實驗機 拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象第3頁/共32頁3 3、拉伸曲線、拉伸曲線第4頁/共32頁彈性變形彈性變形塑性變形塑性變形第5頁/共32頁4 4、應(yīng)力與應(yīng)變曲線(3)(3)應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線（ - - 曲線曲線）： 形狀和拉伸曲線相同，單位不同。(1)(1)應(yīng)力應(yīng)力 ：單位面積上試樣承受的載荷。

3、單位面積上試樣承受的載荷。F F = = S S 0( M pa )( M pa )F:F:載荷載荷( ( N )N )S S 0: :原始橫截面積原始橫截面積( ( mmmm2 2) )(2)(2)應(yīng)變應(yīng)變：單位長度的伸長量。單位長度的伸長量。l= =l 0l：伸長量伸長量( (mm )mm )l 0：原始長度：原始長度( ( mm)mm)第6頁/共32頁5 5、不同材料的拉伸曲線、不同材料的拉伸曲線45鋼鋁青銅35鋼硬鋁純銅第7頁/共32頁二、通過二、通過拉伸試驗拉伸試驗測得的性能指標測得的性能指標剛度、剛度、 強度強度屈服強度屈服強度抗拉強度抗拉強度塑性塑性伸長率伸長率斷面收縮率斷面收縮

4、率1 1）剛度）剛度 表征金屬材料抵抗彈性變形的能力。表征金屬材料抵抗彈性變形的能力。 彈性模量彈性模量E E ：表示引起單位變形：表示引起單位變形時所需要的應(yīng)力。即材料的時所需要的應(yīng)力。即材料的E E越大，越大，產(chǎn)生的彈性變形越小，剛度越大。產(chǎn)生的彈性變形越小，剛度越大。 E E值主要值主要取決于取決于材料的本性材料的本性; ; 提高剛度的方法是增加橫截面積或提高剛度的方法是增加橫截面積或改變截面形狀。改變截面形狀。= E = E e e第8頁/共32頁舉例：通過改變橫截面積來提高材料的剛度舉例：通過改變橫截面積來提高材料的剛度第9頁/共32頁2 2）強度 金屬材料在載荷作用下抵抗塑性變形和

5、破壞的能力。a.a.屈服點、屈服強度：屈服點、屈服強度：表征金屬材料對產(chǎn)生明表征金屬材料對產(chǎn)生明 顯塑性變形的抗力。顯塑性變形的抗力。屈服點是指在外力作用下開是指在外力作用下開始產(chǎn)生明顯塑性變形的最小始產(chǎn)生明顯塑性變形的最小應(yīng)力，用應(yīng)力，用S S表示。表示。okb FsFss l () F(F() ) FbFbe FeFep FpFp低碳鋼的力低碳鋼的力- -伸長曲線伸長曲線屈服現(xiàn)象：屈服現(xiàn)象：S S點點S S =F =FS S/S/S0 0 (N/mm (N/mm2 2 =Mpa)=Mpa)第10頁/共32頁對于沒有明顯屈服現(xiàn)象發(fā)生的對于沒有明顯屈服現(xiàn)象發(fā)生的金屬材料，產(chǎn)生金屬材料，產(chǎn)生規(guī)定

6、產(chǎn)生規(guī)定產(chǎn)生0.2%0.2%塑性變形時的應(yīng)力值塑性變形時的應(yīng)力值作為該材作為該材料的屈服強度，以料的屈服強度，以0.20.2表示。表示。0.20.2= F= F0.2 0.2 / S / S0 0 b.b.抗拉強度：抗拉強度：試樣在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力。試樣在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力。 選用原則：若不允許發(fā)生過量的塑選用原則：若不允許發(fā)生過量的塑性變形，以性變形，以屈服強度屈服強度S S 、0.20.2為依為依據(jù)；若零件在使用時只要求不發(fā)生據(jù)；若零件在使用時只要求不發(fā)生破壞，以破壞，以抗拉強度抗拉強度來設(shè)計。來設(shè)計。ssbbee第11頁/共32頁(1)(1)斷面收縮率斷面收縮率: : 是指

7、試樣拉斷處橫截面積的收縮是指試樣拉斷處橫截面積的收縮 量量 S S與原始橫截面積與原始橫截面積S S0 0之比。之比。(2)(2)斷后伸長率斷后伸長率: :是指試樣拉斷后的標距伸長量是指試樣拉斷后的標距伸長量 L L 與原始標距與原始標距L L 0 0之比。之比。3 3）塑性: : 是指材料在載荷作用下產(chǎn)生不可逆 永久變形而不被破壞的能力。第12頁/共32頁說明：說明：直徑直徑d d0 0 相同時，相同時，l l0 0 ， 。只有當(dāng)。只有當(dāng)l l0 0/d/d0 0 為為常數(shù)時，塑性值才有可比性。常數(shù)時，塑性值才有可比性。 當(dāng)當(dāng)l l0 0=10d=10d0 0 時，伸長率用時，伸長率用 表示

8、；表示； 當(dāng)當(dāng)l l0 0=5d=5d0 0 時，伸長率用時，伸長率用 5 5 表示。顯然表示。顯然 5 5 用面縮率表示塑性比伸長率更接近真實變用面縮率表示塑性比伸長率更接近真實變形。形。 時，無頸縮，為脆性材料表征時，無頸縮，為脆性材料表征 時，有頸縮，為塑性材料表征時，有頸縮，為塑性材料表征第13頁/共32頁(1)(1)布氏硬度布氏硬度 HB 用一定載荷用一定載荷P，將直徑為將直徑為D的球體壓入被測材料的表的球體壓入被測材料的表面，保持一定時間后卸去面，保持一定時間后卸去載荷，根據(jù)壓痕面積載荷，根據(jù)壓痕面積S確確定硬度大小。定硬度大小。1.1.測量原理測量原理第二第二 硬硬 度度硬度硬度

9、: :是指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力，是指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力， 是衡量金屬軟硬的指標，直接影響金屬的耐磨性。是衡量金屬軟硬的指標，直接影響金屬的耐磨性。常用壓入法；常用壓入法； 三種：布氏、洛氏、維氏硬度三種：布氏、洛氏、維氏硬度第14頁/共32頁2.2.測量過程測量過程注意：注意：d d必須在必須在0.240.6D0.240.6D之間。之間。第15頁/共32頁 3.3.測定條件測定條件 壓頭為壓頭為淬火鋼球淬火鋼球時時, , 以以HBS表示表示, ,可測可測 450 450的材料；的材料；壓頭為壓頭為硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金時時, , 以以HBW表示表示, ,可測可測6506

10、50的材料。的材料。壓頭直徑有壓頭直徑有10、5、2.5、2、1mm五種。五種。4.4.表示方法表示方法 符號符號HBS S或或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號后之前的數(shù)字表示硬度值，符號后 面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑mm、載荷載荷Kgf（ N ）及載荷保持時間及載荷保持時間S。 如如: :120HBS10/1000/30表示表示直徑為直徑為10mm的鋼球的鋼球在在1000kgf（9.807kN）載荷載荷作用下作用下保持保持3030s測得的測得的布氏布氏硬度值為硬度值為120。第16頁/共32頁布氏硬度的優(yōu)點：布氏硬度的優(yōu)點：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。測量誤差小，

11、數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點：缺點：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓 頭還硬的材料。頭還硬的材料。適于測量灰適于測量灰鑄鐵、非鐵合金及較軟鋼材的硬度。鑄鐵、非鐵合金及較軟鋼材的硬度。另外：材料的另外：材料的 b b與與HBHB之間的經(jīng)驗關(guān)系：之間的經(jīng)驗關(guān)系： 對于低碳鋼對于低碳鋼: : b(MPa)3.6HB 對于高碳鋼：對于高碳鋼： b(MPa)3.4HB 對于灰鑄鐵：對于灰鑄鐵： b(MPa)1HB 或或 b(MPa) 0.6(HB-40)5.5.優(yōu)缺點優(yōu)缺點 第17頁/共32頁(2)(2)洛氏硬度 HR 測量步驟測量步驟：洛氏硬度：洛氏硬度HR是將是將標準壓頭標

12、準壓頭用規(guī)定用規(guī)定壓力壓入被測材料表面，根據(jù)壓力壓入被測材料表面，根據(jù)壓痕深度壓痕深度h來確來確定硬度值。值越小，材料越硬。定硬度值。值越小，材料越硬。第18頁/共32頁第19頁/共32頁分類：分類：根據(jù)壓頭的材料及壓頭所加的負荷不同根據(jù)壓頭的材料及壓頭所加的負荷不同又可分為又可分為HRA、HRB、HRC三種三種:特點：特點：操作簡便，可直接讀出硬度值，壓痕小，操作簡便，可直接讀出硬度值，壓痕小，可用于成品件的測量，但測值重復(fù)性差。可用于成品件的測量，但測值重復(fù)性差。HRC測定淬火鋼的硬度測定淬火鋼的硬度,應(yīng)用最廣。應(yīng)用最廣。表示方法：表示方法：55HRC表示表示C標度測定的洛氏硬度值標度測定

13、的洛氏硬度值為為55，無單位。，無單位。 K0.20.260.2第20頁/共32頁(3)維氏硬度 HVHV=0.1891Fd2FA= 0.1891表示方法：表示方法：640HV30/20,表示在表示在30kgf作用下保持作用下保持20 s，維氏硬度值為維氏硬度值為640。 測量步驟：測量步驟：用一定載荷用一定載荷F(N)，將頂角為將頂角為136o的金的金剛石四棱錐壓入被測材料的表面，保剛石四棱錐壓入被測材料的表面，保持一定時間后卸去載荷，求出平均壓持一定時間后卸去載荷，求出平均壓痕對角線的長度，確定硬度大小。痕對角線的長度，確定硬度大小。特點：特點：可測較薄的硬化層以及很軟、很硬的材料?？蓽y較

14、薄的硬化層以及很軟、很硬的材料。第21頁/共32頁 布氏硬度計布氏硬度計 洛氏硬度計洛氏硬度計 維氏硬度計維氏硬度計第22頁/共32頁材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。通常用沖擊韌性指標aK來度量。第三第三 韌性韌性沖擊試驗機沖擊試驗機沖擊試樣和沖擊試驗示意圖沖擊試樣和沖擊試驗示意圖第23頁/共32頁沖擊試驗示意沖擊試驗示意第24頁/共32頁 A A kUkU = m g= m g（H H h h） (J) (J)v沖擊韌性值沖擊韌性值a a k k 就是試樣缺口處單位截面積上就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。所消耗的沖擊功。試樣沖斷時所消耗的試樣沖斷時所消耗的沖擊吸收功沖擊吸收功A

15、 kUA kU為為: :a a k k = =AKAKS0S0(J/cm(J/cm) )沖擊韌性沖擊韌性：U Uv沖擊吸收功的大小與試沖擊吸收功的大小與試驗的溫度有關(guān)。材料的驗的溫度有關(guān)。材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，說韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，說明低溫沖擊性能越好。明低溫沖擊性能越好。v沖擊吸收功的大小并不能真正反映材料的韌脆沖擊吸收功的大小并不能真正反映材料的韌脆程度，因為其中有一部分功損失。程度，因為其中有一部分功損失。 第25頁/共32頁TITANICTITANIC建造中的建造中的Titanic Titanic 號號TITANICTITANIC的沉沒與的沉沒與船體材料的質(zhì)量直船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)接

16、有關(guān)第26頁/共32頁Titanic Titanic 號鋼板號鋼板（左圖）（左圖）和和近代船用鋼板近代船用鋼板（右圖）右圖）的沖擊試驗結(jié)果的沖擊試驗結(jié)果Titanic近代船用鋼板近代船用鋼板第27頁/共32頁第四第四 疲勞強度疲勞強度fatigue strengthfatigue strength1 1、疲勞斷裂、疲勞斷裂原因：原因：疲勞裂紋產(chǎn)生疲勞裂紋產(chǎn)生 擴展擴展 瞬時斷裂的。瞬時斷裂的。 特點：特點：斷裂前無明顯斷裂前無明顯的塑性變形，斷裂的塑性變形，斷裂突然發(fā)生；突然發(fā)生；斷裂時應(yīng)力很斷裂時應(yīng)力很低，大多低于低，大多低于ss2 2、疲勞強度、疲勞強度: :材料經(jīng)無數(shù)次交變載荷作用而不斷材料經(jīng)無數(shù)次交變載荷作用而不斷裂的最大應(yīng)力值，用裂的最大應(yīng)力值，用-1-1表示，單位為表示，單位為MPa.MPa.第28頁/共32頁3 3、提高疲勞極限的途徑、提高疲勞極限的途徑: :1 1）在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計中盡量避免尖角，缺口和截面）在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計中盡量避免尖角，缺口和截面 突變，以免產(chǎn)生應(yīng)力集中而由此產(chǎn)生疲勞裂紋；突變，以免產(chǎn)生應(yīng)力集中而由此產(chǎn)生疲勞裂紋；2)