第二講 金屬的力學(xué)性能

1、第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué)第2章 金屬的力學(xué)性能 金屬的力學(xué)性能是指金屬在不同環(huán)境因素的行為。這種行為通常表現(xiàn)為金屬的變形和斷裂。因此，金屬材料的力學(xué)性能可以表述為金屬抵抗（溫度、介質(zhì)）下，承受外加載荷作用時所表現(xiàn)外加載荷引起的變形和斷裂的能力。 金屬的力學(xué)性能是設(shè)計和制造機(jī)械零件或工具的主要依據(jù)，也是評定金屬材料質(zhì)量的重要判據(jù)。當(dāng)外加載荷的性質(zhì)、環(huán)境因素不同時，對金屬材料要求的力學(xué)性能也將不同。常用的力學(xué)性能主要有：強(qiáng)度、塑性、硬度、韌度和疲勞等。第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 2.2.1 1 強(qiáng)度與塑性強(qiáng)度與塑性 強(qiáng)度是指金屬材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。塑性是金屬材料

2、在外力作用下，產(chǎn)生變形而不破壞的能力。 強(qiáng)度和塑性的判據(jù)通過拉伸試驗測定。拉伸試驗是指在靜拉伸力作用下，對試樣進(jìn)行軸向拉伸，直到拉斷。通過拉伸試驗繪制出力伸長曲線，計算出強(qiáng)度和塑性的性能指標(biāo)。第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué)拉伸試驗第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué)第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 1.彈性極限試樣產(chǎn)生完全彈性變形時所能承受的最大拉應(yīng)力。2.屈服點(diǎn)試樣在試驗過程中力示增加（保持恒定）仍能繼續(xù)伸長（變形）時 的應(yīng)力。3.抗拉強(qiáng)度試樣拉斷前所能承受的最大應(yīng)力值。MPaSFss0MPaSFbb0MPaSFee0第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 2.1.

3、2 塑性的主要指標(biāo) 塑性是指斷裂前材料發(fā)生不可逆永久變形的能力。 1.斷后伸長率試樣拉斷后標(biāo)距的伸長量與原始標(biāo)距的百分比，用符號表示。即 式中 l1試樣拉斷后對接的標(biāo)距長度； l 0試樣原始標(biāo)距長度。 100100%lll第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 拉伸試樣的原始標(biāo)距l(xiāng)0與原始直徑d0之間通常有一定的比例關(guān)系。l0=10d0時，稱為長試樣；l0=5d0時，稱為短試樣。使用長試樣測定的斷后伸長率用符號10表示，通常寫成；使用短試樣測定的斷后伸長率用符號5表示。同一種材料的短試樣斷后伸長率5大于長試樣斷后伸長率10。第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 2.斷面收縮率試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的

4、最大縮減量與原始橫截面積的比值，用符號表示。即 式中 S0試樣原始橫截面積； S1試樣拉斷后縮頸處最小橫截面 積。 斷面收縮率不受試樣尺寸的影響，比較確切地反映了金屬材料的可塑性。010100%SSS第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 2.2 2.2 硬硬 度度 硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標(biāo)。是指金屬抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。 硬度是各種零件和工具必須具備的力學(xué)性能指標(biāo)。機(jī)械制造業(yè)中所用的各種刃具、量具、模具都應(yīng)具備足夠的硬度，才能滿足使用性能的要求和壽命。機(jī)械零件中的齒輪、凸輪、曲軸等也必須具備一定的硬度，以保證足夠的耐磨性。 第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 硬度是

5、一項綜合力學(xué)性能指標(biāo)，它既反映了金屬材料的硬度（抵抗局部塑性變形的能力），也反映了金屬材料的塑性（壓痕的大小或深淺）。硬度試驗和拉伸試驗都是在靜載荷作用下進(jìn)行的，但硬度試驗在生產(chǎn)中應(yīng)用更為廣泛。拉伸試驗屬于破壞性試驗，測定方法比較復(fù)雜。硬度試驗則簡便快速，基本上不損傷金屬材料，甚至不需要做專門的試樣，可以直接在工件上測試。因此，常常把硬度指標(biāo)作為技術(shù)要求標(biāo)注在零件工作圖上。 測試硬度的方法較多，常用有的布氏硬度試驗法、洛氏硬度試驗法和維氏硬度試驗法三種。第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 2.2.1 2.2.1 布布 氏氏 硬硬 度度 用直徑為D的硬質(zhì)合金球，在規(guī)定試驗力F的作用下壓入被測試金屬

6、的表面，保持規(guī)定時間后卸除載荷，測量試樣表面壓痕的直徑d，用壓痕單位面積的平均壓力（F/S）表示為布氏硬度值。用符號HBW表示： 式中 F試驗力（N） D球體直徑（mm） d壓痕平均直徑（mm）2220.102()FHBWD DDd第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué)布氏硬度試驗原理圖第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 布氏硬度習(xí)慣上只寫明硬度的數(shù)值而不標(biāo)出單位。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（10 15s時不標(biāo)注）。例如：600 HBW1/30/20表示用直徑為1mm的硬質(zhì)合金小球，在294N（30kgf）試驗力作用下保持

7、20s，測得的布氏硬度值為600。第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 在進(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、施加載荷F和載荷保持時間。按GB/T 231.12002規(guī)定，球體直徑有10mm、5mm、2.5mm和1mm四種；試驗力（單位N）與球體直徑平方的比值（0.102F/D2）有30、15、10、5、2.5和1共6種（可根據(jù)金屬材料的種類和布氏硬度范圍，按表2.1選定0.102F/D2值）；試驗力的保持時間為10 15S。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。第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 當(dāng)試驗力F與球體直徑D選定時

8、，硬度值只與壓痕直徑d有關(guān)。d愈大，則布氏硬度值愈小；反之，d愈小，硬度值愈大。實(shí)際測量時，用刻度放大鏡測出壓痕直徑d，然后根據(jù)d值查表，即可求得所測的硬度值。 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。第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) HB-3000 HB-3000型布氏硬度計型布氏硬度計 本硬度計采用了電子換向開關(guān)，可用來測定未經(jīng)淬火鋼、鑄鐵、有色金屬及質(zhì)地較軟的軸承合金材料的布氏硬度。主要技術(shù)規(guī)格測量范圍：8-450HBS，8-650HBW試驗力：1.839、2.452、7.355、9.807、2

9、9.42千牛頓（187.5、250、750、1000、3000公斤力）試樣允許最大高度：230毫米壓頭中心至機(jī)壁距離：120毫米第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) TH600布氏硬度計采用布氏硬度(BRINELL)測量原理，可進(jìn)行布氏硬度測量，適用于未經(jīng)淬火鋼、鑄鐵、有色金屬及質(zhì)地較軟的軸承合金等材料。具有測試精度高，測量范圍寬，試驗力自動加載、自動保持計時、自動卸載等特點(diǎn)?？蓮V泛應(yīng)用于計量、機(jī)械制造、冶金、建材等行業(yè)的檢測、科研與生產(chǎn)。第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 2.2.2 2.2.2 洛洛 氏氏 硬硬 度度 金屬洛氏硬度試驗是目前工廠中應(yīng)用最廣泛的試驗方法。它是用一個頂角120的金剛石

10、圓錐體或一定直徑的鋼球或硬質(zhì)合金球為壓頭，在規(guī)定試驗力作用下壓入被測試金屬表面，由壓頭在金屬表面所形成的壓痕深度來確定其硬度值。第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 0-0為圓錐壓頭的初始位置，1-1為在初試驗力作用下，壓頭壓入深度為h1；2-2為在總試驗力（初試驗力+主試驗力）作用下，壓頭壓入深度為h2時的位置；3-3為卸除主試驗力后，由于被測金屬彈性變形恢復(fù)，而使壓頭略為提高時的位置。這時，壓頭實(shí)際壓入試樣的深度為h3。故由主試驗力引起的塑性變形而產(chǎn)生的殘余壓痕深度h= h3- h1，并以此來衡量被測試金屬的硬度。第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 顯然，h愈大

11、時，被測試金屬的硬度愈低；反之，則愈高。為了照顧習(xí)慣上數(shù)值愈大，硬度愈高的概念，根據(jù)h值及常數(shù)N和S，用下式計算洛氏硬度： 洛氏硬度N - h/S式中 N給定標(biāo)尺的數(shù)值，A、C標(biāo)尺為 100；B標(biāo)尺為130。 S給定標(biāo)尺的單位，通常取0.002mm； h殘余壓痕深度mm。第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 洛氏硬度計洛氏硬度計 500MRD LED 數(shù)顯，硬度轉(zhuǎn)換，內(nèi)置打印機(jī)和數(shù)據(jù)輸出 LED數(shù)顯15種洛氏標(biāo)尺硬度值 轉(zhuǎn)換至各種硬度標(biāo)尺，如維氏和布氏 LED顯示各標(biāo)尺的總試驗力，確保選擇相應(yīng)的試驗力 堅固的構(gòu)造，剛性好 內(nèi)置打印機(jī)打印輸出測試數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù) 精確，可靠，耐久 外置式試驗力選擇旋鈕

12、，操作簡單 測試空間大，可放置較大的試樣 精度符合EN-ISO 6508和ASTM E-18 標(biāo)準(zhǔn)配置齊全，可滿足所有標(biāo)尺的測試要求第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué)洛氏硬度試驗原理圖第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 為了能用同一硬度計測定從極軟到極硬材料的強(qiáng)度，可采用不同壓頭和試驗力，組成了幾種不同的洛氏硬度標(biāo)尺。其中常用的是A、B、C三種標(biāo)尺。表2.2列出這三種標(biāo)尺的試驗條件和應(yīng)用范圍（GB/T230.12004）。 洛氏硬度值為一無名數(shù)，A、C標(biāo)尺用洛氏硬度值、符號HR和使用的標(biāo)尺字母表示。例如，50HRC表示用C標(biāo)尺測定

13、的洛氏硬度值為50；B標(biāo)尺用洛氏硬度值、符號HR、使用的第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 標(biāo)尺和球壓頭代號（鋼球為S、硬質(zhì)合金為W） 表示。例如：60HRBW表示用硬質(zhì)合金球壓頭在B標(biāo)尺上測得的洛氏硬度值為60。實(shí)際測量時，硬度值一般均由硬度計的刻度盤上直接讀出。 洛氏硬度試驗法的優(yōu)點(diǎn)是操作迅速簡便，由于壓痕較小，故可在工件表面或較薄的金屬上進(jìn)行試驗。同時，采用不同標(biāo)尺，可測出從極軟到極硬材料的硬度。其缺點(diǎn)是因壓痕較小，對組織比較粗大且不均勻的材料，測得的硬度不夠準(zhǔn)確。第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 2.2.32.2.3 維維 氏氏 硬硬 度度 維氏硬度的試驗是用一個相對面夾角為136的金剛

14、石正四棱錐體壓頭，在規(guī)定試驗力F作用下壓入被測試金屬表面，保持一定時間后卸除試驗力，然后再測量壓痕投影的兩對角線的平均長度d，進(jìn)而計算出壓痕的表面積S，試驗力除以壓痕表面積所得的商作為被測試金屬的硬度值，稱為維氏硬度，用符號HV表示。第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 維氏硬度試驗第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 數(shù)顯維氏硬度計 LCD菜單式操作 洛氏和布氏標(biāo)尺轉(zhuǎn)換 符合EN-ISO 6507標(biāo)準(zhǔn) 內(nèi)置打印機(jī)和RS232接口 應(yīng)用范圍 滲碳層、陶瓷、 鋼、有色金屬、薄板、金 屬薄片、電鍍層、微小物 體、材料強(qiáng)度，熱處理， 碳化層、脫碳層和淬火 硬化層的深度 維氏硬度計450-SVD 數(shù)字式自動壓

15、痕測量編碼器及LCD數(shù)字顯示屏第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 與布氏硬度值一樣，維氏硬度習(xí)慣上也只寫出其硬度數(shù)值而不標(biāo)出單位。在硬度符號HV之前的數(shù)值為硬度值，HV后面的數(shù)值依次表示試驗力值（單位為kgf）和試驗力保持時間（保持時間為1015S時不標(biāo)柱）。例如640HV30，表示在試驗力為294.2N下，保持1015S測得的維氏硬度為640。640HV30/20表示在試驗力為294.2N下，保持20S測得的維氏硬度值為640。第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 維氏硬度試驗常用的試驗力有49.03N、98.07N、196.1N、294.2N、490.3N、980.7N等幾種。試驗時，試驗力F應(yīng)

16、根據(jù)試樣的軟硬程度與厚度來選擇。一般當(dāng)試樣條件允許的情況下，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。 實(shí)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平均長度d，然后根據(jù)d的數(shù)值查表（GB-T 43401999），求得所測得硬度值。第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 維氏硬度試驗的優(yōu)點(diǎn)是試驗時所加載荷小，壓入深度淺。適于測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）。同時維氏硬度是一個連續(xù)一致的標(biāo)尺，試驗時載荷可任意選擇，而不影響其硬度值的大小。因此可測定從極軟到極硬的各種金屬的硬度。 維氏硬度試驗法的缺點(diǎn)是其硬度值的測定較麻煩，工作效率不如測定洛氏硬度高

17、，而且對試樣的表面質(zhì)量要求較高。第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 2.3 2.3 沖擊韌度與疲勞極限沖擊韌度與疲勞極限 強(qiáng)度、塑性、硬度都是在靜載荷作用下測定的力學(xué)性能指標(biāo)，而工程實(shí)際中許多零件和工具在工作時往往受到?jīng)_擊載荷的作用，如內(nèi)燃機(jī)的活塞銷與連桿、沖床的沖頭、鍛錘的錘桿、風(fēng)動工具等。還有些零件，如發(fā)動機(jī)曲軸、齒輪、彈簧及滾動軸承等都是在變動載荷下（交變應(yīng)力或重復(fù)應(yīng)力）工作。因此對這些零件和工具，僅具有足夠的靜載荷指標(biāo)是不夠的，還必須具有足夠的抵抗沖擊載荷和交變載荷的能力。第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué)1.金屬夏比試驗第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 將被測材料制成標(biāo)準(zhǔn)U型或V型試樣，

18、缺口背向擺錘沖擊方向，擺錘舉至h1 高度，然后自由落下，沖斷試樣升至高度 h2 。擺錘沖斷試樣所消耗的能量，即試樣在沖擊試驗力一次作用下折斷時所吸收的功。 A = m g h1 - m g h2 = m g （h1 - h2） J 沖擊試樣缺口底部處單位橫截面積上的沖擊吸收功，稱為沖擊韌度。 k = Ak /SN J/cm2 沖擊吸收功 Ak 作為材料韌性判據(jù)。 沖擊吸收功與溫度、試樣形狀、尺寸、表面粗糙度、內(nèi)部組織和缺陷有關(guān)。第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué)第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 2.韌脆轉(zhuǎn)變溫度 金屬材料的沖擊吸收功與沖擊試驗溫度有關(guān)。在一系列不同溫度的沖擊試驗中，測繪的沖擊吸收

19、功與試驗溫度的關(guān)系 曲線，稱為沖 擊吸收功-溫度 曲線，如圖2.7 所示。 第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 有些金屬材料的沖擊吸收功-溫度曲線，具有明顯的上平臺區(qū)、下平臺區(qū)和過渡區(qū)三部分。沖擊吸收功急劇變化或斷口韌脆急劇轉(zhuǎn)變的溫度范圍，稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。 金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度較低時，表示其低溫沖擊韌性較好。韌脆轉(zhuǎn)變溫度較高的金屬材料，不宜在高寒地區(qū)使用，以免在冬季金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生脆斷現(xiàn)象。第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 2.3.2 2.3.2 疲疲 勞勞 疲勞是指金屬材料在循環(huán)應(yīng)力和交變應(yīng)力作用下，局部產(chǎn)生永久性積累損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生斷裂的過程。循環(huán)應(yīng)力是指應(yīng)力的大小、

20、方向，或大小和方向都隨時間發(fā)生周期性變化的一類應(yīng)力。應(yīng)力值通常小于材料的屈服點(diǎn)。工作中循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定數(shù)值后，發(fā)生突然斷裂。這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂與在靜載荷作用下的斷裂不同，不管是脆性材料還是韌性材料，疲勞斷裂都是突然發(fā)生的，事先均無明顯的塑性變形，很難覺察到，危險性大，甚至造成嚴(yán)重事故。據(jù)統(tǒng)計，大部分損壞的機(jī)械零件都屬于疲勞破壞。第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 材料在指定循環(huán)基數(shù)下不產(chǎn)生疲勞斷裂所能承受的最大應(yīng)力。第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 實(shí)際的疲勞強(qiáng)度值，規(guī)定鋼進(jìn)行1106107次，有色金屬進(jìn)行11071108次交變循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞時的最大應(yīng)力值，即為該材料的疲勞強(qiáng)度-1。疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之間存在一定的比例關(guān)系，如碳素鋼-1 （0.40.55） b ，灰鑄鐵-1 0.4b ，有色金屬-1 （0.30.4） b。 疲勞破壞的原因：應(yīng)力集中微裂紋擴(kuò)展斷裂破壞。 避免措施：改善內(nèi)部組織、外部形狀和表面狀態(tài)，減小和避免應(yīng)力集中，表面強(qiáng)化處理和減小表面粗糙度值。第2章 金屬的力學(xué)性能金屬工藝學(xué) 產(chǎn)生疲勞的原因一般認(rèn)為是