第一章金屬材料力學(xué)性能

1、 普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材機(jī) 械 制 造 基 礎(chǔ) 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能 教 學(xué) 要 求 主 要 內(nèi) 容 本 章 重 點 本 章 小 結(jié) 習(xí) 題 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第一章教學(xué)要求 通過學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)掌握金屬材料的力學(xué)性能指標(biāo)和測試方法，以及各個指標(biāo)的物理意義。 在設(shè)計機(jī)械零件和選擇材料時要能根據(jù)零件的工作環(huán)境，零件所承受的載荷情況重點考慮某些力學(xué)性能指標(biāo)。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第一章主要內(nèi)容 第一節(jié) 強(qiáng) 度 和 塑 性 第二節(jié) 硬 度 第三節(jié) 沖 擊 韌 度 第四節(jié) 疲 勞 強(qiáng) 度 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第一章本章重點 金屬材料的力學(xué)性能指標(biāo)和測試方法，以及各個指標(biāo)的物理意

2、義。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第一章第一節(jié) 強(qiáng)度和塑性 機(jī)器上由金屬材料研制成的零、部件，在工作過程中都要承受外力 (或稱載荷) 作用。 載荷作用的結(jié)果將引起零、部件形狀和尺寸的改變，這種改變稱為變形。 常見的變形方式有： 拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切。 常用的力學(xué)性能試驗方法有：拉伸試驗、硬度試驗、沖擊試驗等。 力學(xué)性能的主要指標(biāo)有：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度等。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第一章一、強(qiáng)度強(qiáng)度金屬材料在靜載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。強(qiáng)度的分類：抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度。 各種強(qiáng)度之間有一定的聯(lián)系。一般情況下多以抗拉強(qiáng)度作為判別金屬材料強(qiáng)度高低的指標(biāo)?？估瓘?qiáng)度是通過拉伸試

3、驗測定的。 拉伸試驗的方法：用靜拉伸力對標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行軸向拉伸，同時連續(xù)測量力和相應(yīng)的伸長，直至斷裂。根據(jù)測得的數(shù)據(jù)，可求出有關(guān)的力學(xué)性能。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第一章1拉伸試樣 試驗時應(yīng)先將被測金屬材料制成標(biāo)準(zhǔn)試樣。圖1-1所示為圓形拉伸試樣。 圖1-1 圓形拉伸試樣 a) 拉伸前 b) 拉斷后 d0試樣的直徑； l0標(biāo)距長度。根據(jù)標(biāo)距長度與直徑之間的關(guān)系，試樣可分為長試樣 ( l0 = 10d0) 和短試樣 ( l0 = 5d0)。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第一章 2力伸長曲線 拉伸試驗中記錄的拉伸力與伸長的關(guān)系曲線叫做力伸長曲線，也稱拉伸圖。 低碳鋼在拉伸過程中，其載荷與變形關(guān)系有以下幾個階段： （1）彈

4、性變形 當(dāng)載荷不超過 Fe 時，拉伸曲線Oe為直線，試樣的伸長量與載荷成正比。如果卸除載荷，試樣仍能恢復(fù)到原來的尺寸，即試樣的變形完全消失。 這種隨載荷消失而消失的變形叫彈性變形。圖1-2 低碳鋼的力伸長曲線 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第一章(2) 塑性變形 當(dāng)載荷超過Fe后，試樣將進(jìn)一步伸長。此時若卸除載荷，彈性變形消失，而另一部分變形卻不能消失，即試樣不能恢復(fù)到原來的尺寸，這種載荷消失后仍繼續(xù)保留的變形叫塑性變形。 當(dāng)載荷達(dá)到Fs時，拉伸曲線出現(xiàn)了水平或鋸齒形線段，表明在載荷基本不變的情況下，試樣卻繼續(xù)變形，這種現(xiàn)象稱為“屈服”。 （3）斷裂 當(dāng)載荷繼續(xù)增加到某一最大值Fb時，試樣的局部截面縮小，產(chǎn)生

5、所謂的“縮頸”現(xiàn)象。由于試樣局部截面的逐漸縮小，故載荷也逐漸降低，當(dāng)達(dá)到拉伸曲線上k點時，試樣隨即斷裂。 Fk為試樣斷裂時的載荷。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第一章 在試樣產(chǎn)生縮頸以前，由載荷所引起試樣的伸長，基本上是沿著整個試樣標(biāo)距長度內(nèi)發(fā)生的，屬于均勻變形；縮頸后，試樣的伸長主要發(fā)生在頸部的一段長度內(nèi)，屬于集中變形。 3強(qiáng)度指標(biāo) 強(qiáng)度指標(biāo)是用應(yīng)力值來表示的。試樣受到載荷作用時，則內(nèi)部產(chǎn)生大小與載荷相等而方向相反的抗力 (即內(nèi)力) 。單位截面積上的內(nèi)力，稱為應(yīng)力，用符號 表示。彈性極限 金屬材料能保持彈性變形的最大應(yīng)力，用e表示。 SF0ee式中 Fe 彈性變形范圍內(nèi)的最大載( N )； S0 試樣原始

6、橫截面積 ( mm2 )。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第一章 抗拉強(qiáng)度 試樣斷裂前能夠承受的最大應(yīng)力，稱為抗拉強(qiáng)度，用b表示。SF0bb式中 Fb 試樣斷裂前所能承受的最大載荷 ( N )； S 0 試樣的原始橫截面積 ( mm2 )。 低碳鋼的屈服強(qiáng)度s 約為240MPa，抗拉強(qiáng)度b約為400MPa。 工程上所用的金屬材料，不僅希望具有較高的s ，還希望具有一定的屈強(qiáng)比 (sb ) 。 屈強(qiáng)比越小，結(jié)構(gòu)零件的可靠性越高，萬一超載也能由于塑性變形而使金屬的強(qiáng)度提高，不致于立即斷裂。但屈強(qiáng)比太小，則材料強(qiáng)度的有利用率就太低。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第一章二、塑性 金屬發(fā)生塑性變形但不破壞的能力稱為塑性。在拉伸時它們

7、分別為伸長率和斷面收縮率。1伸長率 伸長率是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長量與原始標(biāo)距的百分比，用符號 表示。即：%100%1000010lllll式中 l0 試樣的原始標(biāo)距長度 ( mm )； l1 試樣拉斷后的標(biāo)距長度 ( mm )。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第一章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百分比，用符號 表示。即：%100%1000100SSSSS式中 So 試樣原始橫截面積 ( mm2 )； S1 試樣斷裂處的橫截面積 ( mm2 ) 。 伸長率的大小與試樣的尺寸有關(guān)。試樣長短不同，測得的伸長率是不同的。長、短試樣的伸長率分別用10 和5 表示，10也常寫成。

8、 和是材料的重要性能指標(biāo)。它們的數(shù)值越大，材料的塑性就越好，故可以進(jìn)行壓力加工；普通鑄鐵的塑性差，因而不能進(jìn)行壓力加工，只能進(jìn)行鑄造。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第一章第二節(jié) 硬 度 硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標(biāo)，是指金屬抵抗局部彈性變形、塑性變形、壓痕或劃痕的能力。 硬度是金屬材料的重要性能之一，也是檢驗工、模具和機(jī)械零件質(zhì)量的一項重要指標(biāo)。常用的硬度試驗方法有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度三種。一、布氏硬度 測定原理是用規(guī)定的試驗力F，把直徑為D的硬質(zhì)合金球壓人被測金屬表面，保持一定時間后卸除載荷，在放大鏡下測量被測試金屬表面的壓痕直徑d，由此計算壓痕的球缺面積S，然后再求出壓痕的單位面積所承受的平

9、均壓力（F / S），以此作為被測試金屬的布氏硬度值，如圖1-3所示。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第一章 布氏硬度用符號HBW表示，習(xí)慣上只寫明硬度的數(shù)值而不標(biāo)出單位。硬度符號HBW前面的數(shù)值為硬度值，符號后面的數(shù)值表示試驗條件的指標(biāo)，依次為球體直徑、試驗力大小及試驗力保持時間（1015 s時不標(biāo)注）。 例如：600HBW1/30/20表示用直徑為1mm的硬質(zhì)合金球，在294N 的試驗力作用下保持20s，測得的布氏硬度值為600。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第一章 進(jìn)行布氏硬度試驗時，應(yīng)根據(jù)被測試金屬材料的種類和試樣厚度，選擇不同大小的球體直徑D、試驗載荷F和載荷保持時間。GB/T231.12002規(guī)定： 1、球體直

10、徑有10mm、5mm、2.5mm和1mm四種； 2、試驗力（單位N）與球體直徑平方的比值（0.102 F / D2）有30、15、10、5、2.5和1共6種（根據(jù)金屬材料的種類和布氏硬度范圍，按教材中表1-1選定0.102 F / D2）； 3、試驗力的保持時間為1015s。對于要求試驗力保持較長時間的材料，試驗力保持時間允許誤差為2s。 布氏硬度試驗法因壓痕面積較大，能反映出較大范圍內(nèi)被測金屬的平均硬度，故試驗結(jié)果較精確。但因壓痕較大，所以不宜測試成品或薄片金屬的硬度。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第一章二、二、洛氏硬度洛氏硬度 測定原理用頂角為120的金剛石圓錐或直徑為1.588mm 的淬火鋼球或硬質(zhì)合

11、金球作壓頭，在初試驗力F0及總試驗力F 分別作用下壓入金屬表面，然后卸除主試驗力F1，在初試驗力F0下測定殘余壓入深度，用深度的大小來表示材料的洛氏硬度值，并規(guī)定每壓人0.002mm為一個硬度單位。圖1- 4 洛氏硬度試驗原理 如圖1-4所示。圖中0-0為金剛石圓錐壓頭沒有和試樣接觸時的位置，1-1為壓頭在初試驗力 (100N) 作用下，壓頭壓入深度為h1 時的位置；2-2 為在總試驗力作用下，壓頭壓入深度為h2 時的位置；3-3 為卸除主試驗力保留初試驗力后壓頭的位置h3。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第一章這樣，壓痕的深度h = h3h1 ，洛氏硬度的計算公式為： 洛氏硬度002. 0hN 式中 h 壓

12、痕深度； N 給定標(biāo)尺的數(shù)值，A、C標(biāo)尺為100；B標(biāo)尺為130。 淬火鋼球壓頭用于退火件、有色金屬等較軟材料的硬度測定；金剛石壓頭適用于淬火鋼等較硬材料的硬度測定。 洛氏硬度所加載荷根據(jù)被測材料本身硬度不同而組成不同的洛氏硬度標(biāo)尺，其中最常用的是A、B、C三種標(biāo)尺，其試驗規(guī)范見教材中表1-2（GB/T230.12004）。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第一章 優(yōu)點：操作迅速、簡便，可從表盤上直接讀出硬度值，不必查表或計算，而且壓痕小，可測量較薄工件的硬度。 缺點：精確性較差，硬度值重復(fù)性差，需要在材料的不同部位測試數(shù)次，取其平均值來代表材料的硬度。 三、維氏硬度 維氏硬度的測定原理基本上和布氏硬度相同，不

13、同的是所用壓頭為錐面夾角為136o的金剛石正四棱錐體，如圖1-5所示。 試驗時用規(guī)定的試驗力F，在試樣表面上壓出一個正方形錐面壓痕，測量壓痕對角線的平均長度d，借以計算壓痕的面積S，以FS 的數(shù)值來表示試樣的硬度值，用符號 HV 表示。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第一章 維氏硬度試驗常用的試驗力有：49.03N、98.07N、196.1N、94.2N、490.3N、980.7N等幾種。在試樣厚度允許的情況下盡可能選用較大的試驗力，以獲得較大的壓痕，提高測量精度。 維氏硬度標(biāo)注時，在符號HV前面標(biāo)出硬度值，在HV后面的數(shù)值依次表示試驗力值和試驗力保持時間 (保標(biāo)出)。 例如：640HV300表示在試驗力為2

14、94.2N下，保持1015s測得的維氏硬度為640；640HV30020表示在試驗力為294.2N下，保持20s測得的維氏硬度值為640。 實際測量時，用裝在機(jī)體上的測量顯微鏡，測出壓痕投影的兩對角線的平均長度d，然后根據(jù)d的大小查表（GB/T43401999），求得所測的硬度即可。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第一章 維氏硬度可測軟、硬金屬，尤其是極薄零件和滲碳層、滲氮層的硬度，它測得的壓痕輪廓清晰，數(shù)值較準(zhǔn)確。 維氏硬度值需要測量壓痕對角線，經(jīng)計算或查表才能獲得，效率不如洛氏硬度試驗高，所以不宜用于成批零件的常規(guī)檢驗。 由于各種硬度試驗的條件不同，因此相互間沒有理論的換算關(guān)系。 根據(jù)試驗結(jié)果，可獲得粗略

15、換算公式如下： 當(dāng)硬度在200600HBW范圍內(nèi) HRC110HBW 當(dāng)硬度小于450HBW時 HBWHV 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第一章第三節(jié) 沖 擊 韌 度 金屬材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力稱為沖擊韌度。通常用一次擺錘沖擊彎曲試驗來測定金屬材料的韌度，其試驗原理如圖1-6所示。 試驗時，把標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣的缺口背向擺錘方向放在沖擊試驗機(jī)上，將擺錘 揚起到規(guī)定高度H1，然后自由落下，將試樣沖斷。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第一章 擺錘沖斷試樣所消耗的功為AK = mg ( H1H2 ) ，稱做沖擊吸收功，可從沖擊試驗機(jī)上直接讀出，單位為焦耳（J）。用試樣缺口處的橫截面積S去除AK 所得的商即為該材料的沖擊韌度值，用

16、符號K表示，單位為焦耳厘米2 (Jcm2)。即：SAKK試樣缺口有U形和V形兩種，沖擊韌度值分別以KU和KV 表示。 KV 值越大，材料的沖擊韌度越好，斷口處則會發(fā)生較大的塑性變形，斷口呈灰色纖維狀； KV 值越小，材料的沖擊韌度越差，斷口處無明顯的塑性變形，斷口具有金屬光澤而較為平整。 強(qiáng)度、塑性兩者均好的材料，KV 值也高。 加載速度越快，溫度越低，表面及冶金質(zhì)量越差，則KV 值越低。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第一章第四節(jié) 疲 勞 強(qiáng) 度 有許多零件 (如齒輪、彈簧等) 是在交變應(yīng)力 (指大小和方向隨時間作用期性變化) 下工作的，零件在這種交變載荷作用下經(jīng)過長時間工作也會發(fā)生破壞，通常這種破壞現(xiàn)象叫

17、做金屬的疲勞斷裂。 圖1-7是某材料的疲勞曲線，橫坐標(biāo)表示循環(huán)周次，縱坐標(biāo)表示交變應(yīng)力。 從該曲線可以看出，材料承受的交變應(yīng)力越大，疲勞破壞前能循環(huán)工作的周次越少；當(dāng)循環(huán)交變應(yīng)力減少到某一數(shù)值時，曲線接近水平，即表示當(dāng)應(yīng)力低于此值時，材料可經(jīng)受無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不破壞。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第一章 人們把材料在無數(shù)次交變載荷作用下而不破壞的最大應(yīng)力值稱為疲勞強(qiáng)度。 通常光滑試樣在對稱彎曲循環(huán)載荷作用下的疲勞強(qiáng)度用-1表示。 對鋼材來說，我們把經(jīng)受107 周次或更多周次而不破壞的最大應(yīng)力定為疲勞強(qiáng)度。 對于有色金屬，一般則需規(guī)定應(yīng)力循環(huán)次數(shù)在108 或更多周次，才能確定其疲勞強(qiáng)度。 影響疲勞強(qiáng)度的因素主

18、要有循環(huán)應(yīng)力、溫度、材料的化學(xué)成分及顯微組織、表面質(zhì)量和殘余應(yīng)力等。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第一章 上述力學(xué)性能指標(biāo)，都是用小尺寸的光滑試樣或標(biāo)準(zhǔn)試樣，在規(guī)定性質(zhì)的載荷作用下測得的。 光滑試樣或標(biāo)準(zhǔn)試樣的力學(xué)性能指標(biāo)不能直接代表材料制成零件后的性能。理由：1、因為實際零件尺寸往往很大，尺寸增大后，材料中出現(xiàn)缺陷(如 孔洞、夾雜物，表面損傷等) 的可能性也 增大；2、零件在實際工作中所受的載荷往往是復(fù)雜的，零件的形狀、表面粗糙度值等也與試樣差異很大。金屬材料制成零件后的性能將在以后的課程中研究。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第一章小 結(jié) 金屬材料的力學(xué)性能是指材料在不同形式的載荷作用下所表現(xiàn)出來的特性。由于載荷的形式不同，材料可表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能，如強(qiáng)度、塑性、硬度、韌度和疲