機(jī)械加工基礎(chǔ)與技能實(shí)訓(xùn) 課件 第一章 金屬的力學(xué)性能

第二章金屬材料的力學(xué)性能工藝性能—在制造機(jī)械零件的過程中，材料適應(yīng)各種冷、熱加工和熱處理的性能。使用性能—材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、沖壓性能、切削加工性能、熱處理工藝性能材料的力學(xué)性能

指材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能，主要有強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度等。材料的性能一.載荷2.1金屬材料的力學(xué)性能

載荷——作用在機(jī)件上的外力。靜載荷------沖擊載荷---交變載荷---大小不變或變化緩慢的載荷。短時(shí)間內(nèi)以較高速度作用于零件的載荷。大小方向隨時(shí)間而發(fā)生周期性變化的載荷。（1）彈性變形：

材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后恢復(fù)其原來形狀，這種隨外力消失而消失的變形，稱為彈性變形。F二.變形（2）塑性變形:

材料在外力作用下產(chǎn)生永久的不可恢復(fù)的變形，稱為塑性變形。FF圖2.1金屬材料受載荷變形示意圖FFF=F’

（MPa）外力——內(nèi)力——應(yīng)力F’F三.應(yīng)力與應(yīng)變應(yīng)力：物體內(nèi)部任一截面單位面積上的相互作用力。同截面垂直的稱為“正應(yīng)力”或“法向應(yīng)力”，同截面相切的稱為“剪應(yīng)力”或“切應(yīng)力”。FF拉伸前拉伸后應(yīng)變：物體形狀尺寸所發(fā)生的相對(duì)改變。物體內(nèi)部某處的線段在變形后長度的改變值同線段原長之比值稱為“線應(yīng)變”拉伸試驗(yàn)FFL拉伸前拉伸后2.1.1強(qiáng)度kbb—極限載荷點(diǎn)Fee—彈性極限點(diǎn)sS—屈服點(diǎn)K—斷裂點(diǎn)拉伸曲線應(yīng)力—應(yīng)變曲線o材料的拉伸曲線1、oe段：直線、彈性變形2、es段：曲線、彈性變形+塑性變形5、b點(diǎn)出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，即試樣局部截面明顯縮小試樣承載能力降低，拉伸力達(dá)到最大值，而后降低，但變形量增大，K點(diǎn)時(shí)試樣發(fā)生斷裂。3、ss’段：水平線（略有波動(dòng)）明顯的塑性變形屈服現(xiàn)象，作用的力基本不變，試樣連續(xù)伸長。4、s’b曲線：彈性變形+均勻塑性變形

s’強(qiáng)度-----材料在外力作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。（1）彈性極限（σe）指金屬材料能保持彈性變形的最大應(yīng)力。σe=Fe/S0（MPa）它表征了材料抵抗彈性變形的能力。（2）屈服強(qiáng)度Rel（σS）指材料在外力作用下，產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的最小應(yīng)力。Rel=Fs/S0（MPa）它表征了材料抵抗微量塑性變形的能力。當(dāng)材料單位面積上所受的應(yīng)力σe<σ<σs時(shí)，只產(chǎn)生微量的塑性變形。當(dāng)σ>σs時(shí)，材料將產(chǎn)生明顯的塑性變形。條件屈服強(qiáng)度:σ0.2=F0.2/S0（MPa）屈服強(qiáng)度—

是塑性材料選材和評(píng)定的依據(jù)。0.2%l0

bkFes

對(duì)于低塑性材料或脆性材料：

Rm=Fb/S0（MPa）（3）抗拉強(qiáng)度Rm（σb）抗拉強(qiáng)度是材料在拉斷前承受最大載荷時(shí)的應(yīng)力。它表征了材料在拉伸條件下所能承受的最大應(yīng)力?？估瓘?qiáng)度—是脆性材料選材的依據(jù)。物理意義是在于它反映了最大均勻變形的抗力屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值σS

/σb稱為屈強(qiáng)比。屈強(qiáng)比小，工程構(gòu)件的可靠性高，說明即使外載荷或某些意外因素使金屬變形，也不至于立即斷裂。但若屈強(qiáng)比過小，則材料強(qiáng)度的有效利用率太低。2.塑性常用A

(δ)和Z(ψ)作為衡量塑性的指標(biāo)。伸長率：材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不引起破壞的能力。斷面收縮率:FFL良好的塑性是金屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。3．剛度

在彈性階段：材料在外力作用下抵抗彈性變形的能力稱為剛度。比例系數(shù)E稱為彈性模量，它反映材料對(duì)彈性變形的抗力，代表材料的“剛度”。

所以：E—材料抵抗彈性變形的能力越大。彈性模量的大小主要取決于材料的本性，隨溫度升高而逐漸降低。定義：材料抵抗表面局部變形，特別是塑性變形、壓痕、劃痕的能力。1)布氏硬度HB4、硬度布氏硬度計(jì)壓頭為鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，用符號(hào)HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。

布氏硬度壓痕表示方法：硬度值+HBS(HBW)+D+F+t布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。應(yīng)用：適于測量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼,鑄鐵及有色金屬的硬度。材料的

b（Rm)與HB之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：對(duì)于低碳鋼:

b(MPa)≈3.6HB

對(duì)于高碳鋼：

b(MPa)≈3.4HB

對(duì)于鑄鐵：

b(MPa)≈1HB或

b(MPa)≈0.6(HB-40)h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計(jì)洛氏硬度用符號(hào)HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個(gè)標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為A、B、C。

2)洛氏硬度符號(hào)HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。HRA用于測量高硬度材料,如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。HRB用于測量低硬度材料,如有色金屬和退火、正火鋼等。HRC用于測量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。缺點(diǎn)：測量結(jié)果分散度大。鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕3)維氏硬度維氏硬度計(jì)維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度壓痕維氏硬度用符號(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。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)。

小負(fù)荷維氏硬度計(jì)顯微維氏硬度計(jì)AKU=mg（H1–H2）（J）aK=

AKU/S（J/cm2）

1．沖擊韌度（沖擊韌性）

材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力。

第二節(jié)動(dòng)態(tài)時(shí)材料的力學(xué)性能1．沖擊韌度（沖擊韌性）

AKU=mg（H1–H2）（J）aK=

AKU/S（J/cm2）

材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力。

第二節(jié)動(dòng)態(tài)時(shí)材料的力學(xué)性能1．沖擊韌度（沖擊韌性）

材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力。

第二節(jié)動(dòng)態(tài)時(shí)材料的力學(xué)性能材料的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。

加載速度越快，溫度越低，表面及冶金質(zhì)量越差，aK在值越低。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。TITANIC建造中的Titanic號(hào)TITANIC的沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)Titanic號(hào)鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果Titanic近代船用鋼板2．疲勞強(qiáng)度工程上一些機(jī)件工作時(shí)受交變應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)力作用，即使工作應(yīng)力低于材料的

s，但經(jīng)過一定循環(huán)周次后仍會(huì)發(fā)生斷裂，這樣的斷裂現(xiàn)象稱之為疲勞。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，約80%的機(jī)件失效為疲勞破壞。當(dāng)零件所受的應(yīng)力低于某一值時(shí)，即使循環(huán)周次無窮多也不發(fā)生斷裂，稱此應(yīng)力值為疲勞強(qiáng)度或疲勞極限N0N鋼：有色金屬：N0—

循環(huán)基數(shù)影響疲勞強(qiáng)度的因素:內(nèi)部缺陷、表面劃痕、殘留應(yīng)力等有的大型轉(zhuǎn)動(dòng)零件、高壓容器、橋梁等，常在其工件應(yīng)力遠(yuǎn)低于σS的情況下突然發(fā)生斷裂——低應(yīng)力脆性斷裂。1943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂北極星導(dǎo)彈第三節(jié)斷裂韌度（斷裂韌性）

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因與機(jī)件內(nèi)部存在著微裂紋和其它缺陷以及它們的擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展的基本形式材料中存在裂紋時(shí)，在裂紋尖端就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而形成裂紋尖端應(yīng)力場。應(yīng)力強(qiáng)度因子：描述裂紋尖端附近應(yīng)力場強(qiáng)度的指標(biāo)。Y為與裂紋形狀、加載方式和試樣幾何尺寸有關(guān)的無量綱系數(shù)

C為斷裂應(yīng)力，aC為臨界裂紋半長KＩ＞＞

KIC，材料必發(fā)生裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展而脆斷。KＩ＜

KIC，材料中裂紋不擴(kuò)展或擴(kuò)展緩慢。

KIC可通過試驗(yàn)來測定，它與材料成分、熱處理及加工工藝等有關(guān)隨應(yīng)力的增大，KI不斷增大，當(dāng)KI增大到某一定值時(shí)，這可使裂紋前沿的內(nèi)應(yīng)力大到足以使材料分離，從而導(dǎo)致裂紋突然擴(kuò)展，材料快速發(fā)生斷裂。這個(gè)應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值，稱為材料的斷裂韌度，用KIC表示。斷裂韌性：材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。力學(xué)性能

b

s強(qiáng)度塑性剛度硬度韌性疲勞強(qiáng)