《機(jī)械工程材料與熱加工》第一章-金屬的力學(xué)性能

《工程材料與熱加工基礎(chǔ)》第一章金屬的力學(xué)性能機(jī)械工程系

金工教研室

第一章金屬的力學(xué)性能

教學(xué)目標(biāo):

１．了解材料的主要力學(xué)性能指標(biāo)：屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、斷面收縮率、硬度、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度、斷裂韌性等力學(xué)性能及其測(cè)試原理；２．強(qiáng)調(diào)各種力學(xué)性能指標(biāo)的生產(chǎn)實(shí)際意義；３．了解工程材料的物理性能、化學(xué)性能及工藝性能。

金屬的力學(xué)性能定義:

金屬材料的力學(xué)性能是指金屬材料在不同環(huán)境（溫度、介質(zhì)）下，承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力等）時(shí)所表現(xiàn)出的力學(xué)特征。

指標(biāo):

彈性、剛度、強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性、斷裂韌度和疲勞強(qiáng)度等。材料的其他性能物理性能：密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹性、磁性等；化學(xué)性能：耐腐蝕性、抗氧化性、化學(xué)穩(wěn)定性等；工藝性能：鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性、熱處理工藝性等。第一節(jié)強(qiáng)度和塑性一、拉伸實(shí)驗(yàn)與拉伸曲線1.拉伸試樣GB6397-86規(guī)定《金屬拉伸試樣》有：圓形、矩形、異型及全截面．常用標(biāo)準(zhǔn)圓截面試樣。長(zhǎng)試樣：L0=10d0;短試樣：L0=5d0拉伸試樣第一節(jié)強(qiáng)度和塑性2.拉伸過(guò)程拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試驗(yàn)機(jī)op段：比例彈性變形階段；pe段：非比例彈性變形階段；平臺(tái)或鋸齒（s段）：屈服階段；sb段：均勻塑性變形階段，是強(qiáng)化階段。b點(diǎn)：形成了“縮頸”。bk段：非均勻變形階段，承載下降，到k點(diǎn)斷裂。斷裂總伸長(zhǎng)為Of，其中塑形變形Og(試樣斷后測(cè)得的伸長(zhǎng))，彈性伸長(zhǎng)gf。ΔlFΔl

bΔl

uΔl

FbbkFssogfeFepFp3.拉伸曲線4.應(yīng)力與應(yīng)變曲線(1)應(yīng)力σ：?jiǎn)挝幻娣e上試樣承受的載荷。這里用試樣承受的載荷除以試樣的原始橫截面積S0表示:F 載荷(N)σ=——(Mpa) S0 原始橫截面積(mm2)(2)應(yīng)變?chǔ)牛簡(jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量。這里用試樣的伸長(zhǎng)量除以試樣的原始標(biāo)距表示:

Δl 伸長(zhǎng)量(mm)

ε=——

l0

原始長(zhǎng)度(mm)(3)應(yīng)力－應(yīng)變曲線（σ-ε曲線）:形狀和拉伸曲線相同，單位不同σbσsσeεσ退火低碳鋼低、中回火鋼淬火鋼及鑄鐵中碳調(diào)質(zhì)鋼5.不同材料的拉伸曲線二、強(qiáng)度和剛度2.剛度：將材料抵抗彈性變形的能力稱為剛度。彈性模量：彈性下應(yīng)力與應(yīng)變的比值,表示材料抵抗彈性變形的能力。即：E=σ/ε材料的E越大，剛度越大；E對(duì)組織不敏感；零件的剛度主要決定于E，也與形狀、截面等有關(guān)。E=σ/ε

1.彈性:金屬材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形,當(dāng)外力去掉后能恢復(fù)到原來(lái)形狀及尺寸的性能。彈性變形:

隨載荷撤除而消失的變形。3.彈性極限:

Fe彈性極限載荷(N)

σe=(Mpa)

S0試樣原始橫截面積(mm2)σee4.強(qiáng)度:

材料在載荷作用下抵抗永久變形和破壞的能力。種類:

抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度等。

(1)屈服點(diǎn)與屈服強(qiáng)度:

產(chǎn)生明顯塑性變形的最低應(yīng)力值.

Fs

σs

=

(MPa)

S0試樣屈服時(shí)的載荷(N)試樣原始橫截面積(mm2)σs

屈服強(qiáng)度(塑性變形量為0.2%，微量塑性變形)

F0.2

σ0.2

=

(MPa)

S

0

試樣原始橫截面(mm2)試樣產(chǎn)生0.2%殘余塑性變形時(shí)的載荷(N)σ0.2：試樣產(chǎn)生殘余塑性變形0.2%時(shí)的應(yīng)力試樣產(chǎn)生0.2%殘余塑性變形

屈服點(diǎn)σs、屈服強(qiáng)度σ0.2是零件設(shè)計(jì)的主要依據(jù)；也是評(píng)定金屬?gòu)?qiáng)度的重要指標(biāo)之一。(2)抗拉強(qiáng)度：試樣在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力。它表示材料抵抗斷裂的能力。是零件設(shè)計(jì)的重要依據(jù)；也是評(píng)定金屬?gòu)?qiáng)度的重要指標(biāo)之一。

F

b

試樣斷裂前的最大載荷(N)

σb

=

(MPa)

S

0

試樣原始橫截面積(mm2)σbσsσe三、塑性:是指材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。

(1)斷面收縮率:

是指試樣拉斷處橫截面積的收縮量Δ

S與原始橫截面積S0之比。(2)伸長(zhǎng)率:是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長(zhǎng)量Δ

L

與原始標(biāo)距L0之比。

S0-S1

ψ=——-—×100%S0

l1

-

l0

δ=——-—×100%l0δ<2~5% 屬脆性材科δ≈5~10% 屬韌性材料δ>10% 屬塑性材料思考:同一材料δ5＞

δ10？Δl=Δlu＋Δｌbδ=Δl/l0=Δlu/l0+

Δlb/l0δδuδbσbσsσeεσEδ塑性指標(biāo)不直接用于計(jì)算，但任何零件都需要一定塑性。防止過(guò)載斷裂；塑性變形可以緩解應(yīng)力集中、削減應(yīng)力峰值。練習(xí)題一拉力試樣的原標(biāo)距長(zhǎng)度為50mm，直徑為10mm，經(jīng)拉力試驗(yàn)后，將已斷裂的試樣對(duì)接起來(lái)測(cè)量，若最后的標(biāo)距長(zhǎng)度為71mm，頸縮區(qū)的最小直徑為4.9mm，試求該材料的伸長(zhǎng)率和斷面收縮率的值？解：δ５=[（71-50）/50]x100%=42%S0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2)S1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2)Ψ=[(S0-S1)/S0]x100%=24%練習(xí)題二某工廠買回一批材料（要求：бs≥230MPa；бb≥410MPa；δ5≥23%；ψ≥50%）．做短試樣（ｌ0=5ｄ0；ｄ0=10mm）拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如下：Fs=19KN，F(xiàn)b=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;問(wèn)買回的材料合格嗎？解：根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算如下：бs＝Fs／s０＝(19x1000)/(3.14x52)=242 ＞230MPa бb＝Fb／s０＝(34.5x1000)/(3.14x52)=439.5＞410MPa δ5＝[Δl

／l0]x100%＝[(63.1-50)/50]x100%=26.2%＞23%ψ＝[ΔS

／S0]x100%＝60.31%＞50%材料的各項(xiàng)指標(biāo)均合格，因此買回的材料合格。第二節(jié)硬度布氏硬度HB洛氏硬度HR維氏硬度HV銼刀法五.硬度(hardness):是指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力常用測(cè)量硬度的方法(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度計(jì)

(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)適用范圍:

＜450HBS;

＜650HBW;(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)符號(hào)HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號(hào)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(shí)間。如:120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為120。(2)洛氏硬度HR(Rockwllhardness)h1-h0洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度計(jì)10HRC≈HBS(3)維氏硬度HV

(diamondpenetratorhardness)適用范圍:

測(cè)量薄板類;

HV≈HBS;(5)銼刀法:

一組硬度差為5HRC的銼刀。例如:10HRC、15HRC、20HRC等。六.沖擊韌性(notchtoughness):材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功Ak為:

Ak=mgH–mgh(J)

沖擊韌性值ak就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。

AK

ak

=(J/cm2)S0七.疲勞強(qiáng)度(fatiguestrength):

表示材料經(jīng)無(wú)數(shù)次交變載荷作

用而不致引起斷裂的最大應(yīng)力值。鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取

N=107有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取

N=108鋼材的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系:

σ-1