金屬材料的力學(xué)性能2

金屬材料與熱處理第一頁，共五十五頁。單元一金屬材料的力學(xué)性能單元二金屬材料的工藝性能內(nèi)容第二頁，共五十五頁。

掌握金屬材料的強(qiáng)度和塑性的概念；掌握金屬材料的疲勞強(qiáng)度的概念；掌握金屬材料沖擊韌性的概念；掌握材料硬度的概念和三種硬度表示方法；了解材料性能的表示方法。教學(xué)目的和要求第三頁，共五十五頁。一、強(qiáng)度、塑性；二、疲勞強(qiáng)度；三、沖擊韌性；四、硬度教學(xué)內(nèi)容摘要第四頁，共五十五頁。利用強(qiáng)度、硬度和塑性等指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)材料。教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)教學(xué)難點(diǎn)強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性的概念。教學(xué)重點(diǎn)第五頁，共五十五頁。

金屬材料的基本知識(shí)1.金屬材料的類型：第六頁，共五十五頁。具有金屬光澤。具有較好的延展性，容易加工成型。易導(dǎo)電、傳熱，是熱和電的良導(dǎo)體。2.金屬材料的特點(diǎn)：第七頁，共五十五頁。3.金屬材料性能使用性能力學(xué)性能(強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等)物理性能（指熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、磁性等）化學(xué)性能

(抗氧化性、抗腐蝕性等)其它性能(耐磨性、熱硬性、消振性等)工藝性能——加工成形的性能第八頁，共五十五頁。靜載荷是指外力的大小和方向不變或變化很緩慢的載荷；沖擊載荷是指突然增加的載荷；疲勞載荷則是指大小和方向隨時(shí)間作周期性變化的載荷。

根據(jù)載荷作用性質(zhì)不同

靜載荷沖擊載荷疲勞載荷是指金屬材料在外加載荷作用下所表現(xiàn)出來的抵抗能力。1.1金屬材料的力學(xué)性能第九頁，共五十五頁。工件在不同載荷形式下產(chǎn)生的變形

第十頁，共五十五頁。抗拉強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度根據(jù)所加載荷形式的不同，強(qiáng)度表現(xiàn)為：第十一頁，共五十五頁。拉伸試驗(yàn)（金屬的抗拉強(qiáng)度和塑性都是通過拉伸試驗(yàn)測(cè)定）GB/T228.1-2010第十二頁，共五十五頁。

拉伸試樣

（低碳鋼）d0L0長(zhǎng)試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0第十三頁，共五十五頁。液壓式萬能電子材料試驗(yàn)機(jī)

拉伸試驗(yàn)機(jī)第十四頁，共五十五頁。

拉伸試驗(yàn)（應(yīng)力—應(yīng)變）曲線

e—彈性極限點(diǎn)S—屈服點(diǎn)b—極限載荷點(diǎn)（縮頸點(diǎn)）K—斷裂點(diǎn)第十五頁，共五十五頁。（1）彈性變形階段（2）屈服變形階段（3）強(qiáng)化階段（4）

縮頸階段拉伸過程變化的三個(gè)階段拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象第十六頁，共五十五頁。彈性與塑性彈性:

金屬材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去掉后能回復(fù)其原來形狀的性能，叫做彈性。彈性變形:

隨著外力消失而消失的變形，叫做彈性變形。塑性變形:

在外力消失后留下來的這部分不可恢復(fù)的變形，叫做塑性變形。第十七頁，共五十五頁。脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對(duì)比）脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象?；诣T鐵的拉伸曲線第十八頁，共五十五頁。強(qiáng)度：用于表示金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和破壞的能力。工程上常用的強(qiáng)度衡量指標(biāo)屈服點(diǎn)屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度注意：一般多用抗拉強(qiáng)度作為判別金屬強(qiáng)度高低的指標(biāo)。1.1.1強(qiáng)度第十九頁，共五十五頁。對(duì)具有明顯屈服現(xiàn)象的材料

金屬材料產(chǎn)生屈服現(xiàn)象的最低應(yīng)力值稱為屈服強(qiáng)度，用ReL

表示，即

對(duì)無明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料常用其產(chǎn)生0.2%塑性應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值作為名義屈服點(diǎn)，稱為名義(條件)屈服強(qiáng)度，用Rp0.2表示。如高碳鋼、銅合金、鋁合金等。F0.2S0Rp0.2

=（MPa）（MPa）條件屈服強(qiáng)度:1.屈服點(diǎn)、屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度—

是塑性材料選材和評(píng)定的依據(jù)。屈服強(qiáng)度:第二十頁，共五十五頁。脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象。第二十一頁，共五十五頁。2.抗拉強(qiáng)度（強(qiáng)度極限）是指試樣在拉斷前所承受的最大應(yīng)力。即：式中：Fm——試樣在拉斷前所受到的最大載（N）；So——試樣原始橫截面積（）。Rm——抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度—是脆性材料選材的依據(jù)。（MPa）第二十二頁，共五十五頁。屈強(qiáng)比（ReL/Rm

）：0.6~0.85

屈強(qiáng)比高，材料利用率越高；屈強(qiáng)比低，零件的可靠性越高

——綜合考慮材料利用率和安全性第二十三頁，共五十五頁。1.1.2塑性塑性:

金屬材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不致引起破壞的性能。塑性的衡量（塑性指標(biāo)）：伸長(zhǎng)率A和斷面收縮率Z。A、Z越高，材料的塑性越好A<2~5%屬脆性材科A≈5~10%屬韌性材料A>10%屬塑性材料良好的塑性是金屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。第二十四頁，共五十五頁。2.伸長(zhǎng)率（A）是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長(zhǎng)量與原始標(biāo)距之比。用A表示，即

1.斷面收縮率（Z）是指試樣拉斷處橫截面積的收縮量與原始橫截面積之比。用下式表示，即：第二十五頁，共五十五頁。1.1.3硬度硬度的含義布氏硬度洛氏硬度維氏硬度是指材料抵抗其它更硬物體壓入其表面的能力。即表示金屬材料抵抗局部變形的能力。硬度的表示方法常用的表示方法壓入法劃痕法回跳法第二十六頁，共五十五頁。

用一定直徑的壓頭（球體），以相應(yīng)試驗(yàn)力壓入待測(cè)表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載后，測(cè)量材料表面壓痕直徑，以此計(jì)算出硬度值。1.布氏硬度

（1）布氏硬度測(cè)量原理布氏硬度計(jì)第二十七頁，共五十五頁。淬火鋼球

HBS（硬度值450的材料）硬質(zhì)合金鋼球HBW

（硬度值450~650的材料）（2）壓頭：

（3）表示方法例如：350HBS、600HBW一般，數(shù)字+布氏硬度符號(hào)或后面依次注明壓頭直徑、實(shí)驗(yàn)力以及保存時(shí)間。單位為MPa（通常不標(biāo)明）

第二十八頁，共五十五頁。布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點(diǎn)：壓痕大，不宜測(cè)量成品零件或薄件的硬度，以及比壓頭還硬的材料。布氏硬度適用于：常用于測(cè)量較軟材料、灰鑄鐵、有色金屬、退火正火鋼材的硬度。調(diào)質(zhì)處理鋼、原材料，毛坯。當(dāng)HBS<450時(shí)有效（HBW450-650)（4）布氏硬度特點(diǎn)第二十九頁，共五十五頁。用錐頂角為120°的金剛石圓錐或直徑1.588mm的淬火鋼球，以相應(yīng)試驗(yàn)力壓入待測(cè)表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載后卸除主試驗(yàn)力，以測(cè)量的殘余壓痕深度增量來計(jì)算出硬度值。實(shí)際測(cè)量時(shí)，硬度值一般有硬度計(jì)的刻度盤上直接讀出。(1)洛氏硬度測(cè)量原理2.洛氏硬度洛氏硬度計(jì)第三十頁，共五十五頁。(2)洛氏硬度的分類及應(yīng)用第三十一頁，共五十五頁。HRA、HRB、HRC分別測(cè)得的硬度，不可直接比較大小表示為：硬度值+三種不同的標(biāo)尺代號(hào)。（無單位）例如：20~85HRA20~100HRB20~70HRC（3）洛氏硬度表示方法HR=(k-h)/0.002不寫單位第三十二頁，共五十五頁。（4）洛氏硬度特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：測(cè)量操作簡(jiǎn)單，方便快捷，壓痕??；測(cè)量范圍大，能測(cè)較薄工件。測(cè)量精度較低，可比性差，不同標(biāo)尺的硬度值不能比較。是生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的硬度試驗(yàn)方法?？捎糜诔善窓z驗(yàn)和薄件表面硬度檢驗(yàn)。不適于測(cè)量組織不均勻材料。（5）洛氏硬度應(yīng)用：第三十三頁，共五十五頁。布氏硬度與洛氏硬度的比較洛式硬度壓痕很小，測(cè)量值有局部性，須測(cè)數(shù)點(diǎn)求平均值，適用成品和薄片，歸于無損檢測(cè)一類；布式硬度壓痕較大，測(cè)量值準(zhǔn)，不適用成品和薄片，一般不歸于無損檢測(cè)一類。洛式硬度的硬度值是一無名數(shù)，沒有單位。（因此習(xí)慣稱洛式硬度為多少度是不正確的。）布式硬度的硬度值有單位，且和抗拉強(qiáng)度有一定的近似關(guān)系。洛式硬度直接在表盤上顯示、也可以數(shù)字顯示，操作方便，快捷直觀，適用于大量生產(chǎn)中。布式硬度需要用顯微鏡測(cè)量壓痕直徑，然后查表或計(jì)算，操作較繁瑣。在一定條件下，HB與HRC可以查表互換。其心算公式可大概記為：1HRC≈1/10HB。第三十四頁，共五十五頁。維氏硬度計(jì)維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度壓痕3.維氏硬度（HV）第三十五頁，共五十五頁。小負(fù)荷維氏硬度計(jì)顯微維氏硬度計(jì)維氏硬度（HV）測(cè)試計(jì)第三十六頁，共五十五頁。用壓頭為錐面夾角為136o的金剛石四棱錐體。以一定的試驗(yàn)力將壓頭壓入試樣表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載后，在試樣表面留下一個(gè)四方錐形的壓痕，測(cè)量壓痕兩對(duì)角線長(zhǎng)度，以此計(jì)算出硬度值。（2）表示方法維氏硬度用符號(hào)HV表示，符號(hào)前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時(shí)間。例如：580HV/30/20（1）維氏硬度測(cè)量原理第三十七頁，共五十五頁。優(yōu)點(diǎn)：適用范圍廣，從極軟到極硬材料都可測(cè)量;測(cè)量精度高，可比性強(qiáng)；能測(cè)較薄工件。缺點(diǎn)：測(cè)量操作較麻煩，測(cè)量效率低。（4）應(yīng)用：廣泛用于科研單位和高校，以及薄件表面硬度檢驗(yàn)。不適于大批生產(chǎn)和測(cè)量組織不均勻材料。（3）特點(diǎn)：維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)。第三十八頁，共五十五頁。1.1.4沖擊韌性

1.沖擊韌性是指金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。擺錘式一次沖擊試驗(yàn)小能量多次沖擊試驗(yàn)沖擊韌性的測(cè)定方法第三十九頁，共五十五頁。

擺錘式一次沖擊試驗(yàn)擺錘式?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)機(jī)第四十頁，共五十五頁。試驗(yàn)原理試樣被沖斷過程中吸收的能量即沖擊吸收功（Ak）等于擺錘沖擊試樣前后的勢(shì)能差。(J)第四十一頁，共五十五頁。沖擊韌度ak就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊吸收功。ak=AkAq(J/cm2)

標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣有兩種，一種是Ｕ形缺口試樣，另一種是Ｖ形缺口試樣。它們的沖擊韌度值分別以aKU和aKV。

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a(bǔ)k值小的材料稱為脆性材料研究表明，材料的ak值隨試驗(yàn)溫度的降低而降低。第四十二頁，共五十五頁。2.斷裂韌性

低應(yīng)力脆斷

工程零（構(gòu)）件有時(shí)在應(yīng)力低于許用應(yīng)力的情況下也會(huì)發(fā)生突然斷裂，稱為低應(yīng)力脆斷。低應(yīng)力脆斷的原因

由于實(shí)際應(yīng)用的材料中常常存在一些裂紋和本身缺陷，如夾雜物、氣孔等或加工和使用過程中產(chǎn)生的缺陷，裂紋在應(yīng)力的作用下失穩(wěn)而擴(kuò)展，最終導(dǎo)致零（構(gòu)）件斷裂。第四十三頁，共五十五頁。1.1.5疲勞強(qiáng)度①疲勞破壞

零件、工具等即使在低于材料屈服強(qiáng)度的交變載荷作用下，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后也會(huì)發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。表示材料經(jīng)無數(shù)次交變載荷作用而不致引起斷裂的最大應(yīng)力值。第四十四頁，共五十五頁。②疲勞破壞材料在對(duì)稱載荷下的應(yīng)力變化規(guī)律。第四十五頁，共五十五頁。③疲勞強(qiáng)度材料交變應(yīng)力和斷裂前應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取N=108鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取N=107鋼材的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系:

R-1

=(0.45～0.55)Rm疲勞曲線第四十六頁，共五十五頁。④產(chǎn)生疲勞破壞的原因

材料有雜質(zhì)、表面劃傷等缺陷應(yīng)力集中

微裂紋

裂紋擴(kuò)展

破壞第四十七頁，共五十五頁。⑤提高疲勞強(qiáng)度措施

材料方面保證冶煉質(zhì)量，減少夾雜物和熱加工產(chǎn)生的氣孔和疏松等缺陷。設(shè)計(jì)方面盡量使零件避免尖角、缺口和截面突變，以避免應(yīng)力集中及其所引起的疲勞裂紋。工藝方面

降低零件表面粗糙度，并避免表面劃痕、碰傷，防止這些地方出現(xiàn)形成疲勞裂紋；采用表面強(qiáng)化方法，如化學(xué)熱處理、表面淬火、噴丸處理和表面涂層等，降低材料表面形成裂紋的可能性。

第四十八頁，共五十五頁。1.2金屬材料的物理性能和化學(xué)性能1.金屬材料的物理性能：比重、密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、磁性、熱膨脹系數(shù)。2.金屬材料的化學(xué)性能：耐酸性、耐堿性、抗氧化性。第四十九頁，共五十五頁。成形工藝的應(yīng)用重要環(huán)節(jié)：熱處理？第五十頁，共五十五頁。1.3金屬材料的工藝性能金屬材料的工藝性能：是指用不同的加工手段所表現(xiàn)出來的難易程度。

鑄造性能（流動(dòng)性、收縮、偏析等）鍛壓性能切削加工性焊接性熱處理性能第五十一頁，共五十五頁。小結(jié)：1.強(qiáng)度、塑性的拉深實(shí)驗(yàn)測(cè)試；三種不同硬度的測(cè)試方法。