第一章金屬材料的力學(xué)性能(教案)

1、復(fù)習(xí)舊課1、材料的發(fā)展歷史2、工程材料的分類講授新課第一章 金屬材料的力學(xué)性能材料的性能有使用性能和工藝性能兩類使用性能是保證工件的正常工作應(yīng)具備的性能，主要包括力學(xué)性能、 物理性能、化學(xué)性能等。工藝性能是材料在被加工過程中適應(yīng)各種冷熱加工的性能，包括鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、熱處理性能、切削加工性能等。力學(xué)性能是指金屬在外力作用下所顯示的性能能。金屬力學(xué)性能指標(biāo)有：強(qiáng)度、剛度、塑性、硬度、韌性和疲勞強(qiáng)度等。第一節(jié)剛度、強(qiáng)度與塑性一、拉伸試驗(yàn)及力伸長曲線L0 原始標(biāo)距長度； L1 拉斷后試樣標(biāo)距長度d0 原始直徑。d1 拉斷后試樣斷口直徑國際上常用的是 L0 =5 d 0（短試樣）， L0

2、=10 d 0（長試樣）拉伸曲線 ：拉伸試驗(yàn)中記錄的拉伸力F 與伸長量L（某一拉伸力時試樣的長度與原始長度的差L=Lu-L0）的FL 曲線稱為拉伸曲線圖。Oe段：為純彈性變形階段，卸去載荷時，試樣能恢復(fù)原狀Es 段：屈服階段Sb 段：強(qiáng)化階段，試樣產(chǎn)生均勻的塑性變形，并出現(xiàn)了強(qiáng)化Bk 段：局部塑性變形階段二、剛度剛度 : 金屬材料抵抗彈變的能力指標(biāo)：彈性模量EE= /(Gpa )彈性范圍內(nèi) .應(yīng)力與應(yīng)變的比值（或線形關(guān)系，正比）E剛度 一定 應(yīng)力作用下彈性變形三、強(qiáng)度指標(biāo) = F/S o強(qiáng)度：強(qiáng)度是指材料抵抗塑性變形和斷裂的能力。強(qiáng)度表示： 強(qiáng)度一般用拉伸曲線上所對應(yīng)某點(diǎn)的應(yīng)力來表示。單位采用

3、2N/mm( 或 MPa 兆帕） = F/A o2 應(yīng)力（ MPa）； F拉力（ N）； So截面積（ mm）。常用的強(qiáng)度判據(jù)主要有屈服點(diǎn)、條件屈服強(qiáng)度（也稱為規(guī)定殘余伸長應(yīng)力）和抗拉強(qiáng)度等。1、屈服點(diǎn)與條件屈服強(qiáng)度 屈服強(qiáng)度 s產(chǎn)生屈服時的應(yīng)力（屈服點(diǎn)），亦表示材料發(fā)生明顯塑性變形時的最低應(yīng)力值。規(guī)定殘余伸長應(yīng)力 ：r0.2產(chǎn)生 0.2%殘余伸長率時的應(yīng)力。 r0.2 = F r0.2 /A o2、抗拉強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度 ： b斷裂前最大載荷時的應(yīng)力（強(qiáng)度極限） 0.2 常常難以測出，所以，脆性材料沒有屈服強(qiáng)度指標(biāo)，只有抗拉強(qiáng)度指標(biāo)用于零件的設(shè)計計算。強(qiáng)度意義：一般機(jī)械零件或工具使用時，不允許發(fā)

4、生塑性變形， 故屈服點(diǎn) s 是機(jī)械設(shè)計強(qiáng)度計算的主要依據(jù)；抗拉強(qiáng)度代表材料抵抗拉斷的能力，若應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度，則會發(fā)生斷裂而造成事故。三、塑性指標(biāo)材料產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力稱為塑性。 常用的塑性指標(biāo)是斷后伸長率 和斷面收縮率。一般通過拉伸實(shí)驗(yàn)測定。1、斷后伸長率斷后伸長率是指試樣拉斷后標(biāo)距的伸長量與原標(biāo)距長度的百分比。用符號 表示。 =（L1-L 0 / L0) ×100%2、斷面收縮率斷面收縮率是指試樣拉斷后縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比，用符號 表示： = （A0-A1）/ A0 ×100%塑性直接影響到零件的成形及使用。第二節(jié)沖擊韌性定義：指在沖

5、擊載荷作用下， 材料抵抗沖擊力的作用而不被破壞的能力， 是材料強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)。衡量指標(biāo) ：沖擊韌度 ak k A kk)(a/FaK 值測定方法： 一次彎曲沖擊實(shí)驗(yàn)法，物理意義： 試樣在沖斷時單位橫截面積上所消耗的沖擊功A K ，單位為J/cm2。 aK 值越大，表示材料的沖擊韌性越好。第三節(jié)疲勞強(qiáng)度交變載荷： 載荷大小和方向隨時間發(fā)生周期變化的載荷。疲勞斷裂： 零件在交變載荷下經(jīng)過長時間工作而發(fā)生低應(yīng)力斷裂的現(xiàn)象成為疲勞斷裂。疲勞斷裂過程： 裂紋萌生、疲勞裂紋擴(kuò)展、最后斷裂。疲勞抗力指標(biāo)： 疲勞極限，又稱疲勞強(qiáng)度，用 1 表示。材料經(jīng)過無限次應(yīng)力循環(huán)不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力，即疲勞曲線上水

6、平部分對應(yīng)的應(yīng)力值。疲勞斷裂的原因： 一般認(rèn)為是，由于材料表面與內(nèi)部的缺陷（夾雜、劃痕、尖角等），造成局部應(yīng)力集中，形成微裂紋。隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加，微裂紋逐漸擴(kuò)展，使零件的有效承載面積逐漸減小， 以致于最后承受不起所加載荷而突然斷裂。提高材料疲勞抗力的措施： 通過合理選材， 改善材料的結(jié)構(gòu)形狀， 避免應(yīng)力集中，減小材料和零件的缺陷；提高零件表面光潔度；對表面進(jìn)行強(qiáng)化，噴丸處理等，可以提高材料的疲勞抗力。第四節(jié)硬度硬度是指材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、 壓痕或劃痕的能力， 他是衡量材料軟硬的指標(biāo)。一、布氏硬度布氏硬度測量原理： 采用直徑為 D的球形壓頭，以相應(yīng)的試驗(yàn)力F 壓入材料的表面，經(jīng)

7、規(guī)定保持時間后卸除試驗(yàn)力，用讀數(shù)顯微鏡測量殘余壓痕平均直徑 d，用球冠形壓痕單位表面積上所受的壓力表示硬度值。 實(shí)際測量可通過測出 d 值后查表獲得硬度值HBS表示用淬火鋼球壓頭測量的布氏硬度值。適用范圍：小于450HBW表示用硬質(zhì)合金壓頭測量的布氏硬度值。適用范圍：450650布氏硬度表示方法： 符號 HBS或 HBW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、載荷及載荷保持時間。布氏硬度特點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：測量數(shù)值穩(wěn)定，準(zhǔn)確，能較真實(shí)地反映材料的平均硬度；缺點(diǎn)：壓痕較大，操作慢，不適用批量生產(chǎn)的成品件和薄形件布氏硬度測量范圍： 用于原材料與半成品硬度測量， 可用于測量鑄鐵； 非

8、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）布氏硬度數(shù)值通過布氏硬度試驗(yàn)測定。布氏硬度值是試驗(yàn)力除以壓痕球形表面積所得的商。 使用淬火鋼球壓頭時用符號 HBS，使用硬質(zhì)合金球壓頭時用符號 HBW。當(dāng) F、 D 一定時，布氏硬度值僅與壓痕直徑 d 的大小有關(guān)。布氏硬度習(xí)慣上只寫出硬度值而不必注明單位，其標(biāo)注方法是，符號 HBS 或 HBW之前為硬度值，符號后面按順序用數(shù)值表示試驗(yàn)條件。布氏硬度值的測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。二、洛氏硬度洛氏硬度測量原理： 用金剛石圓錐或淬火鋼球壓頭，在試驗(yàn)壓力 F 的作用下，將壓頭壓入材料表面，保持規(guī)定時間后，去除主試驗(yàn)力，保持初始試驗(yàn)力，

9、用殘余壓痕深度增量計算硬度值， 實(shí)際測量時，可通過試驗(yàn)機(jī)的表盤直接讀出洛氏硬度的數(shù)值。氏硬度測量條件： 洛氏硬度可以測量從軟到硬較大范圍的硬度值，根據(jù)被測對象硬度值大小不同，可用不同的壓頭和試驗(yàn)力，如下表。常用洛氏硬度的試驗(yàn)條件和應(yīng)用范圍硬度符總試驗(yàn)力硬度范壓頭類型F/N（kgf ）應(yīng)用舉例號圍HRA120o 金剛石圓錐588.4(60硬質(zhì)合金、碳化物、淺層表面)2088硬化鋼等淬火980.7(10退火、正火鋼，鋁合金、銅合HRB1.588mm201000)鋼球金、鑄鐵HRC120o 金剛石圓錐1471(150淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼、深層表面硬)2070化鋼洛氏硬度特點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：測量迅速、簡便、壓痕小

10、、硬度測量范圍大，缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、 穩(wěn)定性、重復(fù)性不如布氏硬度測定結(jié)果波動較大，穩(wěn)定性較差，故需測試三點(diǎn)，取其算術(shù)平均值，一般不適宜測試組織不均勻的材料。三、維氏硬度維氏硬度是將相對面夾角為 136°的正四棱錐體金剛石壓頭以選定的試驗(yàn)力（ 49.03980.7N ）壓入被測材料或零件表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后卸除試驗(yàn)力，用測量的壓痕對角線長度計算硬度的一種壓痕硬度試驗(yàn)。試驗(yàn)原理如課件中所示。維氏硬度的表示符號為HV，測量范圍是 51000HV，標(biāo)注方法與布氏硬度相同。值寫在符號的前面， 試驗(yàn)條件寫在符號的后面。對于鋼及鑄鐵的試驗(yàn)力保持時間為 1015s 時，可以不標(biāo)出。課堂小結(jié)力學(xué)性能小結(jié)力學(xué)性能判據(jù)含義性能名稱符號抗拉強(qiáng)度 b試樣拉斷前所能承受的最大應(yīng)力拉伸試驗(yàn)產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的應(yīng)力，試樣產(chǎn)生明顯強(qiáng)度屈服點(diǎn) s塑性變形規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度r0.2規(guī)定殘余伸長率為0.2%時的應(yīng)力試樣橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百斷面收縮率塑性分比斷后