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金屬材料與熱處理第二章第二節(jié)第1頁(yè),共13頁(yè),2023年,2月20日,星期四一、復(fù)習(xí)回顧1、回想載荷的概念2、形變強(qiáng)化/加工硬化3二、導(dǎo)入我們?nèi)粘I钪胁牧闲枰裁礃拥男阅???頁(yè),共13頁(yè),2023年,2月20日,星期四第二節(jié)金屬的力學(xué)性能
材料的力學(xué)性能是指材料在外力作用下所表現(xiàn)出來(lái)的特性。力學(xué)性能包括強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度及疲勞強(qiáng)度等。
一、強(qiáng)度強(qiáng)度是指金屬材料在載荷作用下抵抗變形和破壞的能力。強(qiáng)度指標(biāo)一般可以通過(guò)金屬拉伸試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。把標(biāo)準(zhǔn)試樣裝夾在試驗(yàn)機(jī)上,然后對(duì)試樣緩慢施加拉力,使之不斷變形直到拉斷為止。在此過(guò)程中,試驗(yàn)機(jī)能自動(dòng)繪制出載荷F和試樣變形量AL的關(guān)系曲線。此曲線叫做拉伸曲線。
1.拉伸曲線圖2-1為低碳鋼的拉伸曲線,圖中縱坐標(biāo)表示載荷單位為N;橫坐標(biāo)表示絕對(duì)伸長(zhǎng)量△L,單位為mm。第3頁(yè),共13頁(yè),2023年,2月20日,星期四從圖2-1中可以看出下面幾個(gè)變形階段:(1)Oe———彈性變形階段 (2)es———屈服階段 (3)sb———強(qiáng)化階段 (4)bk———縮頸階段 第4頁(yè),共13頁(yè),2023年,2月20日,星期四
2.強(qiáng)度指標(biāo)
材料受到外力作用會(huì)發(fā)生變形,同時(shí)在材料內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)抵抗變形的力稱為內(nèi)力。單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力,單位為Pa(帕),即N/m2工程上常用MPa(兆帕),1MPa=106pa,或1Pa=1N/m2,或1MPa=1N/mm2。
(1)屈服點(diǎn)σs材料產(chǎn)生屈服時(shí)的最小應(yīng)力。單位為MPa。σs=Fs/AO(2-1)式中,F(xiàn)s是屈服時(shí)的最小載荷(N);A0是試樣原始截面積。對(duì)于無(wú)明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料(如高碳鋼、鑄鐵),測(cè)量屈服點(diǎn)很困難,工程上經(jīng)常采用殘余伸長(zhǎng)為0.2%原長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力σ0.2作為屈服強(qiáng)度指標(biāo),稱為規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力。σ0.2=F0.2/AO(2-2)(2)抗拉強(qiáng)度σb材料在拉斷前所承受的最大應(yīng)力,單位為MPa??估瓘?qiáng)度表示材料抵抗均勻塑性變形的最大能力,也是設(shè)計(jì)機(jī)械零件和選材的主要依據(jù)。σb=Fb/AO(2-3)式中,F(xiàn)b是試樣斷裂前所承受的最大載荷(N)。第5頁(yè),共13頁(yè),2023年,2月20日,星期四二、塑性
金屬材料在載荷的作用下,產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力稱為塑性。通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)得的常用塑性指標(biāo)有:斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。
1.?dāng)嗪笊扉L(zhǎng)率δ試樣拉斷后的標(biāo)距伸長(zhǎng)量和原始標(biāo)距之比δ=(L1—L0)/L0×100%(2-4)式中,L1試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度。L0試樣拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度。
2.?dāng)嗝媸湛s率ψ試樣拉斷處ψ=×100%橫截面積的縮減量與原始橫截面積之比ψ==(A0—A1)/AO×100%(2-5)式中,Ao是試樣的原始橫截面積;A.是試樣斷口處的橫截面積。第6頁(yè),共13頁(yè),2023年,2月20日,星期四三、硬度
硬度是指材料表面抵抗局部塑性變形、壓痕或劃痕的能力。常用來(lái)測(cè)定硬度的方法有布氏硬度試驗(yàn)法和洛氏硬度試驗(yàn)法。
1.布氏硬度試驗(yàn)法如圖2-2所示采用直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球,在規(guī)定載荷F的作用下,壓入被測(cè)金屬表面,保持一定時(shí)間后卸除載荷,測(cè)定壓痕直徑,求出壓痕球形的表面積,壓痕單位表面積上所承受的平均壓力(F/A)即為布氏硬度值,壓頭為淬火鋼球時(shí)用HBS表示,壓頭為硬質(zhì)合金球用時(shí)HBW表示。例如120HBS,450HBW。第7頁(yè),共13頁(yè),2023年,2月20日,星期四
2.洛氏硬度試驗(yàn)法
采用頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的淬火鋼球作為壓頭.如圖2-3所示。試驗(yàn)時(shí)先施加初載荷,使壓頭與試樣表面接觸良好,保證測(cè)量準(zhǔn)確,再施加主載荷,保持到規(guī)定的時(shí)間后再卸除主載荷,依據(jù)壓痕的深度來(lái)確定材料的硬度值。第8頁(yè),共13頁(yè),2023年,2月20日,星期四
四、沖擊韌度
對(duì)于承受沖擊載荷的材料,如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞,不僅要求具有高的強(qiáng)度和一定的塑性,還必須具備足夠的沖擊韌度。金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力稱為沖擊韌度。沖擊韌度的測(cè)定方法,如圖2-4所示。是將被測(cè)材料制成標(biāo)準(zhǔn)缺口試樣,在沖擊試驗(yàn)機(jī)上由置于一定高度的重錘自由落下而一次沖斷。沖斷試樣所消耗的能量稱為沖擊功,其數(shù)值為重錘沖斷試樣的勢(shì)能差。沖擊韌度值aKV就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功,這個(gè)值越大,則韌性越好,受沖擊時(shí),越不容易斷裂。第9頁(yè),共13頁(yè),2023年,2月20日,星期四
五、疲勞強(qiáng)度
在汽車上的許多零件中,比如各種軸、齒輪、彈簧、連桿等,要受到大小和方向呈周期性變化的載荷作用。這種交變載荷雖然小于材料的強(qiáng)度極限,甚至小于其彈性極限,但經(jīng)多次循環(huán)后,在沒(méi)有明顯的外觀變形時(shí)也會(huì)發(fā)生斷裂,這種破壞稱作疲勞破壞或疲勞斷裂。這種破壞都是突然發(fā)生的,具有很大的危險(xiǎn)性。疲勞強(qiáng)度σ-1是表示材料以周期性交變載荷作用而不致引起斷裂的最大應(yīng)力,其大小與應(yīng)力變化的次數(shù)有關(guān)。對(duì)于黑色金屬規(guī)定循環(huán)次數(shù)為107次,有色金屬循環(huán)次數(shù)為108次。為了提高金屬的疲勞強(qiáng)度,可以通過(guò)改善零件的結(jié)構(gòu)形狀,避免應(yīng)力集中,減小表面粗糙度值,進(jìn)行表面熱處理和強(qiáng)化處理等方法。第10頁(yè),共13頁(yè),2023年,2月20日,星期四小結(jié)一、強(qiáng)度二、塑性三、硬度四、沖擊韌度
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