第一章金屬材料的力學性能

第一章金屬材料的力學性能主要內容：1、使學生了解金屬材料的力學性能的概念。2、掌握金屬材料力學性能的評價方法和指標。重點與難點：1、金屬材料強度、硬度的概念。2、金屬材料強度、硬度的評價方法和指標。

金屬材料是由金屬元素或以金屬元素為主要材料構成的并具有金屬特性的工程材料。金屬材料純金屬

合金金屬材料黑色金屬有色金屬非合金鋼低合金鋼合金鋼鑄鐵滑動軸承合金

鈦及鈦合金其他非鐵合金

銅及銅合金鋁及鋁合金機械產品加工工藝鑄造壓力加工

焊接

粉末冶金切削加工特種加工熔焊壓焊釬焊力學性能—材料在承受各種載荷（外力）時所表現出來的行為，即抵抗外力作用的能力。載荷類型：靜載荷－緩慢施加壓力，行對變形速度較?。粍虞d荷－加載速度較快，塑性變形速度較快；變載荷－作用力大小與方向作用周期變化。載荷的加載方式：一、靜載荷條件下材料的力學性能1.1靜拉伸試驗及材料的強度與塑性用靜拉伸力對標準試樣進行緩慢的軸向拉伸直至拉斷的一種試驗方法。d0＝10mml0＝10d0或5d0變換：

s0

為試樣原始截面積(mm2)

l0

為試樣標距長度轉化：縱坐標：以應力σ表示，橫坐標：以應變ε表示1.1.1彈性極限和剛度（1）彈性極限（2）材料剛度S0金屬材料受外力作用時產生變形。當外力去掉后能恢復其原來形狀的性能稱為彈性。這種隨外力消除而消除的變形，稱為彈性變形。材料在彈性范圍內，應力與應變成正比，其比值E=σ/ε稱為彈性模量，單位為MPa。彈性模量E標志著材料抵抗彈性變形的能力，用以表示材料的剛度。1.1.2材料強度（1）屈服強度（2）抗拉強度（3）斷裂強度塑性變形：是材料在外力的作用下產生形變，當施加的外力撤除或消失后該物體不能恢復原狀的一種物理現象。強度：指材料在外力作用下抵抗永久變形和破壞的能力。屈服強度：是金屬材料發(fā)生屈服現象時的屈服極限，亦即抵抗微量塑性變形的應力。抗拉強度：指試樣拉斷前所承受的最大拉應力，它反映了最大均勻變形的抗力。斷裂強度：是材料發(fā)生斷裂的應力。S0S0S01.1.3塑性－在外力作用下產生變形而不斷裂的能力。（1）伸長率（2）斷面收縮率塑性對材料的意義：

1.提高安全性

2.便于壓力加工成型和越大，材料的塑性越好1.2硬度硬度是材料抵抗局部變形的能力，反映材料抵抗其它物體壓入的能力。硬度是綜合性能指標硬度測量簡便迅速，不破壞零件1.2.1布氏硬度試驗原理：HB=F/S=2F/πD[D-(D2-d2)1/2]當測試壓頭為淬火鋼球時，只能測試布氏硬度小于450的材料，以HBS表示當測試壓頭為硬質合金時，可測試布氏硬度為450-650的材料，以HBW表示用一定載荷F，將直徑為D的球體（淬火鋼球或硬質合金球），壓入被測材料的表面，保持一定時間后卸去載荷，測量被測試試表面上所形成的壓痕直徑d，由此計算壓痕的球缺面積S，其單位面積所受載荷稱為布氏硬度。布氏硬度值HB=F/S單位：kgf/mm2優(yōu)點：測量數值穩(wěn)定，準確缺點：操作慢，不適用批量生產和薄形件布氏硬度適用于：鑄鐵，有色金屬退火、正火、調質處理鋼原材料，毛坯當HBS<450時有效（HBW450-650)1.2.2洛氏硬度試驗原理：HR=(k-h)/0.002對金剛石圓錐壓頭k=0.2mm對鋼球壓頭k=0.26mm將標準壓頭用規(guī)定壓力壓入被測材料的表面，經規(guī)定時間后卸除試驗力，根據壓痕深度來確定硬度值。洛氏硬度測量的優(yōu)點：操作簡便，操作迅速、簡便，可由表盤上直接讀出硬度值。缺點：精度較差，硬度值波動較大。HRC洛氏硬度適用于：淬火鋼，調質鋼批生產零件當HRC20-67時有效1.2.3維氏硬度優(yōu)點：維氏硬度可測定從很軟到很硬的各種材料，可測定較薄材料和各種表面滲層，且準確度高。缺點：測試手續(xù)較繁。在用規(guī)定的壓力P將金剛石壓頭壓入被測試件表面并保持一定時間后卸去載荷，測量壓痕投影的兩對角線的平均長度d，據此計算出壓痕的表面積S，最后求出壓痕表面積上平均壓力（HV=P/S），以此作為被測材料的維氏硬度值。注意：各硬度試驗法測得的硬度值不能直接進行比較，必須通過硬度換算表換算成同一種硬度值后方可比較大小。硬度HBS與抗拉強度換算的經驗公式有些機件在工作時要受到高速作用的載荷沖擊，如鍛壓機的錘桿、沖床的沖頭、汽車變速齒輪、飛機的起落架等。瞬時沖擊引起的應力和應變要比靜載荷引起的應力和應變大得多，因此在選擇制造該類機件的材料時，必須考慮材料的抗沖擊能。二、非靜載荷時材料的力學性能2.1沖擊韌性沖擊韌性是在沖擊載荷作用下，材料抵抗沖擊力的作用而不被破壞的能力。

通常用沖擊吸收功Ak和沖擊韌性ak指標來度量。將一定重量G的擺錘升至一定高度h1，使它獲得位能為G·h1；再將擺錘釋放，使其刀口沖向箭頭所指試樣缺口的背面；沖斷試樣后擺錘在另一邊的高度為h2，相應位能為G·h2，沖斷試樣前后的能量差即為擺錘沖斷試樣所消耗的功，或是試樣變形和斷裂所吸收的能量，稱為沖擊吸收功Ak，即Ak=G·h1-G·h2，單位為J。沖擊吸收功除以試樣缺口底部處橫截面積F獲得沖擊韌性值ak

，即ak=Ak/F材料的ak

值愈大，韌性就愈好；材料的ak值愈小，材料的脆性愈大。通常把ak

值小的材料稱為脆性材料。材料的ak

值隨試驗溫度的降低而降低。當溫度降至某一數值或范圍時，ak

值會急劇下降，材料則由韌性狀態(tài)轉變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，這種轉變稱為冷脆轉變，相應溫度稱為冷脆轉變溫度。材料的冷脆轉變溫度越低，說明其低溫沖擊性能越好，允許使用的溫度范圍越大。因此對于寒冷地區(qū)的橋梁、車輛等機件用材料，必須作低溫（一般為–40℃）沖擊彎曲試驗，以防止低溫脆性斷裂2.2多沖抗力較小能量的多次沖擊，測定在一定沖擊能量下材料斷裂前的沖擊次數作為多沖抗力的指標。沖擊能量高時，主要取決于塑性；沖擊能量低時，主要取決于強度；2.3疲勞強度疲勞斷裂：工作應力低于其屈服點的情況下發(fā)生斷裂。斷裂前材料往往沒有明顯的塑性變形，產生斷裂也較突然，危害很大。通過測定材料在重復的交變載荷作用下而無斷裂的最大應力得到的。交變應力：大小、方向隨時間周期性變化的應力重復應力：方向不隨時間變化tσtσ疲勞試驗疲勞曲線疲勞強度—材料經無限多次應力循環(huán)而不斷裂的最大應力。它表示材料抵抗疲勞斷裂的能力。純彎曲疲勞強度用σ-1表示國家標準GB4337-84規(guī)定：一般鋼鐵材料的交變次數106~107周次；有色金屬的交變次數為107~108周次。三、金屬材料的斷裂韌度低應力脆斷—在σs以下較低的靜載荷下發(fā)生脆性斷裂。原因：存在宏觀缺陷，在應力作用下發(fā)展擴大造成。斷裂韌度KIC:

材料的化學成分熱處理加工工藝四、高低溫性能4.1高溫下材料的力學行為與常溫下相比：材料強度、剛度、硬度隨溫度升高而逐漸下降；在恒溫、恒應力作用下，會隨時間的延長，發(fā)生緩慢的塑性變形—蠕變。一般規(guī)律：溫度越高，工作應力越大，則蠕變的發(fā)展越快，而產生斷裂的時間就越短。力學性能指標：（1）蠕變強度（2）持久強度一般說來，對于金屬材料只有當溫度高于0.3倍材料熔點時，蠕變現象才明顯。某些有機高分子材料在室溫下會發(fā)生明顯的蠕變現象。4.2低溫性能隨著溫度的下降，多數材料會出現脆性增加的現象，嚴重時甚至發(fā)生脆斷。材料的沖擊功值隨溫度下降而減小。五、金屬材料的物理性能5.1密度單位體積物質的質量稱為該物質的密度：密度小于5×103kg/m3的金屬稱為輕金屬，如鋁、鎂、鈦及它們的合金。密度大于5×103kg/m3的金屬稱為重金屬，如鐵、鉛、鎢等。5.2熔點

---金屬從固態(tài)向液態(tài)轉變時的溫度。熔點高的金屬稱為難熔金屬，如鎢、鉬、釩等，可以用來制造耐高溫零件，如在火箭、導彈、燃氣輪機和噴氣飛機等方面得到廣泛應用。熔點低的金屬稱為易熔金屬，如錫、鉛等，可用于制造熔絲和防火安全閥零件等。5.3導熱性導熱性通常用導熱率來衡量。導熱率越大，導熱性越好。金屬的導熱性以銀為最好，銅、鋁次之。5.4導電性金屬材料能夠傳導電流的能力稱導電性。通常用電導率來衡量，電導率越大，金屬材料導電性越好。金屬導電性以銀為最好，銅、鋁次之。

5.5熱膨脹性金屬材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性稱為熱膨脹性。熱膨脹性用線脹系數αl和體脹系數αV來表示。

式中：αl－線脹系數（1/K或1/℃）；L1－膨脹前長度（m）；L2－膨脹后長度（m）；Δt－溫度變化量（K或℃）。

5.6磁性鐵磁材料：在外磁場中能強烈地被磁化，如鐵、鈷等金屬材料：順磁材料：在外磁場中只能微弱地被磁化，如錳、鉻等抗磁材料：能抗拒或削弱外磁場對材料本身的磁化作用，如銅、鋅等六、金屬材料的化學性能6.1耐蝕性金屬材料在常溫下抵抗氧、水蒸氣及其它化學介質腐蝕破壞作用的能力稱耐蝕性。6.2抗氧化性金屬材料在加熱時抵抗氧化作用的能力稱抗氧化性。加入C