金屬的力學(xué)性能

金屬的力學(xué)性能第1頁，共30頁，2023年，2月20日，星期二使用性能工藝性能物理性能化學(xué)性能力學(xué)性能材料物理性能化學(xué)性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能物理性能化學(xué)性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能力學(xué)性能力學(xué)性能力學(xué)性能力學(xué)性能力學(xué)性能力學(xué)性能鍛造性能鑄造性能焊接性能熱處理性能鍛造性能鑄造性能鍛造性能焊接性能鑄造性能鍛造性能熱處理性能焊接性能鑄造性能鍛造性能鍛造性能鑄造性能鍛造性能焊接性能鑄造性能鍛造性能鑄造性能鍛造性能焊接性能鑄造性能鍛造性能熱處理性能焊接性能鑄造性能鍛造性能鍛造性能鑄造性能鍛造性能焊接性能鑄造性能鍛造性能熱處理性能焊接性能鑄造性能鍛造性能鑄造性能鍛造性能焊接性能鑄造性能鍛造性能第2頁，共30頁，2023年，2月20日，星期二什么叫做金屬呢？所謂金屬，是指凡是由一種金屬元素組成的物質(zhì)（純金屬），或者由一種金屬元素和另外一種或者幾種元素熔合而成的具有金屬特性的新物質(zhì)（合金），我們就把它統(tǒng)稱為金屬。第3頁，共30頁，2023年，2月20日，星期二

在工業(yè)生產(chǎn)中，我們用大量的金屬材料制成各種機械零件和工程構(gòu)件，但是，為了改進生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，還必須正確選用金屬材料，充分發(fā)揮金屬材料的作用，因此，我們首先必須了解金屬的機械性能。那么，什么是金屬的機械性能呢？所謂金屬的機械性能是指金屬在受拉伸、壓縮、彎曲、沖擊等外力作用時，所表現(xiàn)出來的抵抗變形或破壞的能力。常用的金屬的機械性能一般包括強度、韌性、塑性和抗疲勞性等。第4頁，共30頁，2023年，2月20日，星期二彈性變形：外力去除后能夠恢復(fù)的變形叫做彈性變形。塑性變形：外力去除后不能夠恢復(fù)的變形叫做塑性變形。補充知識：第5頁，共30頁，2023年，2月20日，星期二強度：金屬在外力（靜載荷）作用下，所表現(xiàn)出來的抵抗塑性變形或者斷裂的能力。金屬抵抗外力的能力越大則其強度越高。意即，強度越高，表明材料可以承受較高的載荷而不致引起塑性變形或斷裂。強度抗拉強度抗彎強度抗壓強度當(dāng)所受外力是拉力時，材料表現(xiàn)出來的抵抗變形或者破壞的能力當(dāng)所受外力與材料的軸線相垂直，并在作用后使材料彎曲，這時材料所表現(xiàn)出來的抵抗的能力。當(dāng)所受外力是壓力時，材料表現(xiàn)出來的抵抗變形或者破壞的能力一、強度第6頁，共30頁，2023年，2月20日，星期二圖8-1圓柱形拉伸試樣

根據(jù)國家標準GB/T228—2002規(guī)定，拉伸試驗是指沿試樣軸向用靜拉伸力進行拉伸，并測量拉伸力和相應(yīng)的伸長量，來確定其力學(xué)性能的試驗。拉伸時，一般要將拉伸試樣拉至斷裂，試驗一般在室溫10～35℃范圍內(nèi)進行。

1.拉伸試樣

通常采用圓柱形試樣，其尺寸按照國家標準金屬拉伸試驗試樣中的有關(guān)規(guī)定進行制作。試樣分為短試樣和長試樣兩種。拉伸試樣如圖8-1所示，圖8-1a所示為標準試樣，圖8-1b所示為拉斷后的試樣。拉伸試驗第7頁，共30頁，2023年，2月20日，星期二圖8-2拉伸試驗機示意圖

1—試樣2—工作臺3—立柱4—工作活塞

5—表盤6—拉桿7—上夾頭8—下夾頭2.試驗方法

試驗在拉伸試驗機上進行。圖8-2所示為拉伸試驗機示意圖。將試樣裝在拉伸試驗機的上、下夾頭上，起動拉伸試驗機，在軸向拉力的作用下，試樣受到拉伸。同時，記錄裝置記錄下拉伸過程中的力-伸長曲線。第8頁，共30頁，2023年，2月20日，星期二圖8-3退火低碳鋼的力-伸長曲線3.力-伸長曲線

在拉伸試驗中，拉伸力F和試樣伸長量ΔL之間的關(guān)系曲線，稱為力-伸長曲線。圖8-3所示為退火低碳鋼的力-伸長曲線圖。Fp是試樣保持彈性變形的最大拉伸力冷變形強化彈性變形屈服縮頸與斷裂Fe屈服拉伸力極限拉伸力Fm第9頁，共30頁，2023年，2月20日，星期二圖8-4上屈服強度與下屈服強度強度指標

金屬材料強度指標常用的有屈服強度、規(guī)定殘余延伸強度、抗拉強度等。1.屈服強度

當(dāng)金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時，在試驗期間達到塑性變形發(fā)生而力不增加的應(yīng)力點，應(yīng)區(qū)分上屈服強度和下屈服強度。屈服強度是工程技術(shù)上極為重要的力學(xué)性能指標之一，也是大多數(shù)機械零件選材和設(shè)計的依據(jù)。第10頁，共30頁，2023年，2月20日，星期二圖8-5規(guī)定殘余延伸強度2.規(guī)定殘余延伸強度

工業(yè)上常使用的一些金屬材料，如高碳鋼、鑄鐵等，在進行拉伸試驗時并沒有明顯的屈服現(xiàn)象，也不會產(chǎn)生縮頸現(xiàn)象，這就需要人為規(guī)定一個相當(dāng)于屈服強度的強度指標，即規(guī)定殘余延伸強度。第11頁，共30頁，2023年，2月20日，星期二3.抗拉強度

抗拉強度是指試樣拉斷前承受的最大標稱拉應(yīng)力，用符號Rm表示，單位為MPa。Rm可用下式計算

Rm是金屬由均勻塑性變形向局部集中塑性變形過渡的臨界值，也是金屬在靜拉伸條件下的最大承載能力。對于塑性金屬來說，拉伸試樣在承受最大拉應(yīng)力之前，變形是均勻一致的。但超過Rm后，金屬開始出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，產(chǎn)生集中變形。第12頁，共30頁，2023年，2月20日，星期二表8-1金屬強度與塑性新、舊標準對照表

金屬材料的塑性指標主要有斷后伸長率和斷面收縮率，用拉斷試樣時的最大相對變形量來表示。二、塑性（塑性：在外力作用下金屬材料產(chǎn)生塑性變形而不致引起斷裂的能力。）第13頁，共30頁，2023年，2月20日，星期二1.斷后伸長率

在進行拉伸試驗時，拉伸試樣在力的作用下產(chǎn)生塑性變形，原始試樣中的標距長度會不斷伸長。試樣拉斷后斷后標距的殘余伸長與原始標距之比的百分率為斷后伸長率，用符號A表示。A可用下式計算2.斷面收縮率

試樣拉斷后橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分率稱為斷面收縮率。斷面收縮率用符號Z表示。Z值可用下式計算標距：試樣部分原始長度A和Z越大，則塑性越好。良好的塑性是金屬材料進行塑性加工的必要條件。第14頁，共30頁，2023年，2月20日，星期二塑性對材料的意義：1、是金屬材料進行壓力加工的必要條件；2、提高安全性，因為零件在工作時萬一超載，也會由于塑性變形而使材料強化而避免突然斷裂。3、強度與塑性是一對相互矛盾的性能指標。第15頁，共30頁，2023年，2月20日，星期二

硬度是衡量金屬軟硬程度的一種力學(xué)性能。硬度的大小通過硬度試驗測定。

硬度試驗和拉伸試驗都是在靜態(tài)力作用下測定材料力學(xué)性能的方法。由于硬度試驗不需要制作專門試樣，方法簡便迅速，基本上不損傷試樣，而且可以直接在工件上進行測試，因而在生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。硬度是一項綜合的力學(xué)性能指標，從金屬表面的局部壓痕即可反映出材料的強度和塑性，因此在零件圖上常常標注各種硬度指標來作為技術(shù)要求。硬度值的高低直接影響機械零件的耐磨性，一般情況下硬度值越高，耐磨性也越好。三、硬度

硬度測量方法有壓入法、劃痕法、回彈法等，其中應(yīng)用最為普遍的是壓入法。第16頁，共30頁，2023年，2月20日，星期二圖8-6布氏硬度試驗原理圖

根據(jù)GB/T231.1—2002的規(guī)定，布氏硬度是在布氏硬度計上進行的一項硬度試驗方法。它是在規(guī)定的試驗力作用下，將一定直徑的硬質(zhì)合金球壓入試樣表面，保持一定的時間后去除試驗力，測量試樣表面的壓痕直徑d，然后根據(jù)壓痕直徑d計算其硬度值或從表8-2中查出該材料的布氏硬度值。原理如圖8-6所示。1、布氏硬度第17頁，共30頁，2023年，2月20日，星期二布氏硬度值是指壓痕單位表面積上所承受的平均壓力，用符號HBW表示。布氏硬度值可用下式計算式中，只有d是變數(shù)，因此試驗時只要測量出壓痕直徑d(mm)，即可通過計算或查表得出HBW值。布氏硬度值一般都不標出單位，只寫明硬度的數(shù)值。第18頁，共30頁，2023年，2月20日，星期二布氏硬度的標注方法：在硬度符號的前面，標注測定的硬度值，在硬度符號的后面，用相應(yīng)的數(shù)字注明壓頭球直徑、試驗力數(shù)字和與規(guī)定時間（10~15s）不同的試驗力保持時間。一般試驗力保持時間為10~15s時不需注明。例：350HBW5/75、600HBW1/30/20注：力的單位通常為公斤力kgf，注：1kgf=9.8N，kgf即一千克的力的意思

第19頁，共30頁，2023年，2月20日，星期二圖8-7洛氏硬度試驗原理圖

洛氏硬度是用錐角為120°的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的淬火鋼球作為壓頭，在洛氏硬度計上進行的一項硬度試驗方法，如圖8-7所示。試驗時，先加初試驗力，然后再加主試驗力，將壓頭壓入試樣表面之后，去除主試驗力，在保留初試驗力的情況下，根據(jù)試樣壓痕深度來確定金屬的硬度大小。2、洛氏硬度第20頁，共30頁，2023年，2月20日，星期二洛氏硬度的標注方法：在硬度符號HR的前面應(yīng)該注明硬度數(shù)值，HR后面應(yīng)該注明使用的標尺。如50HRC表示用“C”標尺測定的洛氏硬度值為50。布氏硬度優(yōu)點：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定缺點：壓痕大，對金屬的損傷大，不能用于太薄件及比壓頭還硬的材料洛氏硬度優(yōu)點：操作簡便、壓痕小、適用范圍廣缺點：壓痕小，測量結(jié)果的準確性、重復(fù)性不如不是硬度試驗。區(qū)別第21頁，共30頁，2023年，2月20日，星期二

強度、塑性、硬度等力學(xué)性能指標都是在靜態(tài)力作用下測定的。但在實際生產(chǎn)過程中，有些零件受到的是動態(tài)力，是高速作用的載荷沖擊，如壓力機的沖頭、鍛錘的錘桿、汽車變速齒輪及飛機的起落架等，這些工件除要求具有一定的強度、塑性、硬度等力學(xué)性能外，還必須具有足夠的韌性，以滿足實際性能的需要。

韌性是指金屬材料在動態(tài)力作用下抵抗斷裂的能力，也即金屬在斷裂前吸收變形能量的能力。動態(tài)力，特別是沖擊載荷，比靜態(tài)力的破壞性要大得多。因此，需要采用測定沖擊載荷下的沖擊吸收功來確定韌性，用沖擊韌度表示。為了測定金屬的沖擊吸收功，通常都采用夏比沖擊試驗。四、沖擊韌度第22頁，共30頁，2023年，2月20日，星期二圖8-8夏比沖擊試驗原理圖

1—固定支座2—帶缺口的試樣3—刻度盤4—擺錘

夏比沖擊試驗是在擺錘式?jīng)_擊試驗機上進行的。試驗時，將帶有缺口的試樣安放在試驗機的機架上，使試樣的缺口位于兩固定支座中間，并背向擺錘的沖擊方向，如圖8-8所示。將一定質(zhì)量的擺錘升高至h1，則擺錘具有勢能AKV1(V形缺口試樣)。沖擊力方向1、實驗原理第23頁，共30頁，2023年，2月20日，星期二圖8-9沖擊試樣

a)U形缺口試樣b)V形缺口試樣2、沖擊試樣

為了使試驗結(jié)果不受其他因素影響，沖擊試樣要根據(jù)國家標準制作，如圖8-9所示。第24頁，共30頁，2023年，2月20日，星期二圖8-10沖擊吸收功-溫度曲線3.沖擊韌度

用試樣斷口處截面面積去除沖擊吸收功即得沖擊韌度。以V形缺口試樣為例，其計算式為4.沖擊吸收功-溫度關(guān)系曲線

沖擊吸收功與試驗溫度有關(guān)。有些金屬在室溫時并不顯示脆性，而在較低溫度下則可能發(fā)生脆斷。沖擊吸收功與溫度之間的關(guān)系曲線如圖8-10金屬的韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，說明金屬的低溫抗沖擊性能越好第25頁，共30頁，2023年，2月20日，星期二圖8-11多次沖擊彎曲試驗示意圖

多次沖擊彎曲試驗如圖8-11所示。試驗時將試樣放在試驗機支座上，使試樣受到試驗機錘頭的小能量多次沖擊，在一定沖擊能量下測定被測試樣。記錄開始出現(xiàn)裂紋和最后破裂的沖擊次數(shù)，并以此作為其多次沖擊抗力指標。研究結(jié)果表明：多次沖擊抗力取決于金屬的強度和塑性指標。小能量多次沖擊的脆斷問題，主要由金屬的強度決定；大能量多次沖擊的脆斷問題，主要取決于金屬的塑性。金屬在多次沖擊下的破壞過程包括裂紋產(chǎn)生、裂紋擴張和瞬時斷裂三個階段，其破壞是每次沖擊損傷積累的結(jié)果，與每一次沖擊的破壞過程不同。第26頁，共30頁，2023年，2月20日，星期二圖8-12對稱循環(huán)交變應(yīng)力

應(yīng)力是對稱循環(huán)應(yīng)力，其最大值σmax和最小值σmin的絕對值相等，即σmax/σmin=-1，如圖8-12所示。許多零件工作時承受的應(yīng)力值通常都低于材料的屈服強度或規(guī)定殘余延伸強度，零件在這種循環(huán)載荷作用下，經(jīng)過一定循環(huán)次數(shù)后仍會產(chǎn)生裂紋或發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為金屬的疲勞。第27頁，共30頁，2023年，2月20日，星期二圖8-13疲勞斷裂的斷口示意圖研究表明：疲勞斷裂首先是在零件局部區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中造成的。首先，形成