金屬材料力學(xué)性能及實(shí)驗(yàn)

第一章金屬(jīnshǔ)的力學(xué)性能及試驗(yàn)方法金屬材料性能：使用性能和工藝性能使用性能：為保證機(jī)械零件或工具正常工作，材料應(yīng)具備的性能，它包括物理性能（如導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性等）、化學(xué)性能（如抗腐蝕性、抗氧化性等）和力學(xué)性能。工藝性能：在制造機(jī)械零件或工具的過程中，材料適應(yīng)各種冷、熱加工和熱處理的性能，它包括鑄造、鍛造、焊接、切削加工等工藝性能以及熱處理工藝性等。力學(xué)性能：材料在外力作用下所顯示(xiǎnshì)的性能，又稱機(jī)械性能，如強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、抗疲勞性等。共二十七頁一、強(qiáng)度強(qiáng)度：金屬抵抗永久變形和斷裂的能力拉伸試驗(yàn)(shìyàn)法：拉伸試驗(yàn)(shìyàn)在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行共二十七頁一、強(qiáng)度強(qiáng)度：金屬抵抗永久變形和斷裂(duànliè)的能力拉伸試驗(yàn)法：拉伸試驗(yàn)在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試樣：圓形試樣（斷面為圓形），根據(jù)GB6397－86的規(guī)定，拉伸試樣分為長比例試樣或短比例試樣。對圓形試樣：長試樣l=10d。；短試樣l=5d。共二十七頁

拉伸曲線：在開始的階段，材料處于彈性變形階段；超過e點(diǎn)后，除彈性變形外，材料開始產(chǎn)生塑性變形，曲線在S點(diǎn)處出現(xiàn)一小段水平線段，這種現(xiàn)象稱為“屈服”，標(biāo)志著材料發(fā)生(fāshēng)微量塑性變形。當(dāng)拉伸力達(dá)到后，在試樣的標(biāo)距長度內(nèi)某處，橫截面發(fā)生(fāshēng)局部收縮，即產(chǎn)生“縮頸”現(xiàn)象，此時(shí)拉伸力開始減小，故b點(diǎn)為曲線上集中干預(yù)部，直至斷裂（k點(diǎn)）。共二十七頁

拉伸曲線：在開始的階段，材料處于彈性變形階段；超過e點(diǎn)后，除彈性變形外，材料開始產(chǎn)生塑性變形，曲線在S點(diǎn)處出現(xiàn)(chūxiàn)一小段水平線段，這種現(xiàn)象稱為“屈服”，標(biāo)志著材料發(fā)生微量塑性變形。當(dāng)拉伸力達(dá)到后，在試樣的標(biāo)距長度內(nèi)某處，橫截面發(fā)生局部收縮，即產(chǎn)生“縮頸”現(xiàn)象，此時(shí)拉伸力開始減小，故b點(diǎn)為曲線上集中干預(yù)部，直至斷裂（k點(diǎn)）。共二十七頁內(nèi)力：試樣受拉伸力F作用后，導(dǎo)致材料內(nèi)部之間產(chǎn)生同樣大小的相互作用力應(yīng)力：單位橫截面積上的內(nèi)力，。

屈服點(diǎn)（屈服極限）：金屬(jīnshǔ)產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力。

屈服強(qiáng)度：工程技術(shù)上一般規(guī)定，以試樣產(chǎn)生的塑性變形伸長量達(dá)到0．2％時(shí)的應(yīng)力，σ0.2?？估瓘?qiáng)度（強(qiáng)度極限）：金屬拉斷前承受的最大拉應(yīng)力，共二十七頁

二、塑性塑性：金屬材料斷裂前發(fā)生永久變形的能力斷后伸長率：試樣拉斷后標(biāo)距的伸長量與原始標(biāo)距的百分比由于(yóuyú)同一材料用不同長度的試樣測得的斷后伸長率δ數(shù)值不同，因此應(yīng)注明試樣尺寸比例。斷面收縮率：試樣拉斷處橫截面積的減小量與原始橫截面積的百分比，Ψ強(qiáng)度是表征材料變形抗力指標(biāo)，而塑性是描述變形能力的指標(biāo)。共二十七頁第二節(jié)硬度(yìngdù)及硬度(yìngdù)試驗(yàn)硬度：金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力一、布氏硬度試驗(yàn)法

布氏硬度試驗(yàn)的原理：用一定直徑D（mm）的鋼球或硬質(zhì)合金球，以相應(yīng)的試驗(yàn)力F（N）壓入試件表面，并保持一定的時(shí)間，然后卸除試驗(yàn)力，測量試件表面的壓痕直徑d（mm），用試驗(yàn)力除以壓痕球形表面積A（mm2）所得(suǒdé)的商作為布氏硬度值，符號為HBS（壓頭為鋼球時(shí)）或HBW（壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)）。共二十七頁共二十七頁HBS適用(shìyòng)于測量低于布氏硬度值450的材料；HBW適用于測量低于布氏硬度值650的材料。試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測的材料不同，球直徑、試驗(yàn)力及試驗(yàn)力保持時(shí)間按表-1選擇。共二十七頁金屬種類布氏硬度范圍HBS（HBW）試樣厚度/mm0.102球的直徑/mm試驗(yàn)力F/KN（kgf)試驗(yàn)力保持時(shí)間/s黑色金屬140-4506～34～2<23010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)12<140>66～31010.05.09.807(1000)2.452(250)12非鐵金屬>1306～34～2<23010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)3036～1309～36～31010.05.09.807(1000)2.452(250)308～35>62.510.02.452(250)60表－１共二十七頁

120HBS10／1000／30代表用10mm鋼球，在1000kgf（10kN）試驗(yàn)力作用下保持30s，測得的布氏硬度值。布氏硬度試驗(yàn)法一般(yībān)用于試驗(yàn)各種硬度不高的鋼材、鑄鐵、有色金屬等，也用于試驗(yàn)經(jīng)淬火、回火但硬度不高的鋼件。由于布氏硬度試驗(yàn)的壓痕較大，試驗(yàn)結(jié)果能更好地代表試件的硬度。共二十七頁二、洛氏硬度實(shí)驗(yàn)(shíyàn)

洛氏硬度試驗(yàn)法原理：根據(jù)壓痕的塑性變形深度來衡量硬度。試驗(yàn)時(shí)，先加初始試驗(yàn)力98N（10kgf），使壓頭緊密接觸試件表面a，并壓入到b處，以此作為衡量壓入深度的起點(diǎn)，再加主試驗(yàn)力使壓頭壓入到c處，然后去掉主試驗(yàn)力，由于被試金屬(jīnshǔ)彈性變形的消除，壓頭向上回升到d處。洛氏硬度計(jì)表盤上讀出即可。共二十七頁二、洛氏硬度實(shí)驗(yàn)(shíyàn)

洛氏硬度試驗(yàn)法原理：根據(jù)壓痕的塑性變形深度來衡量(héngliáng)硬度。試驗(yàn)時(shí)，先加初始試驗(yàn)力98N（10kgf），使壓頭緊密接觸試件表面a，并壓入到b處，以此作為衡量(héngliáng)壓入深度的起點(diǎn)，再加主試驗(yàn)力使壓頭壓入到c處，然后去掉主試驗(yàn)力，由于被試金屬彈性變形的消除，壓頭向上回升到d處。洛氏硬度計(jì)表盤上讀出即可。共二十七頁二、洛氏硬度實(shí)驗(yàn)(shíyàn)

洛氏硬度試驗(yàn)法原理：根據(jù)壓痕的塑性變形深度來衡量硬度。試驗(yàn)時(shí)，先加初始試驗(yàn)力98N（10kgf），使壓頭緊密(jǐnmì)接觸試件表面a，并壓入到b處，以此作為衡量壓入深度的起點(diǎn)，再加主試驗(yàn)力使壓頭壓入到c處，然后去掉主試驗(yàn)力，由于被試金屬彈性變形的消除，壓頭向上回升到d處。洛氏硬度計(jì)表盤上讀出即可。共二十七頁

試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測的材料(cáiliào)不同，壓頭的類型、試驗(yàn)力及按表-2選擇，對應(yīng)的洛氏硬度標(biāo)尺為HRA、HRB、HRC三種符號壓頭類型載荷/kgf硬度有效范圍使用范圍HRA金剛石圓錐體6070～85適用于測量硬質(zhì)合金、鋼表、淬火層或滲碳層HRB直徑為1.588mm鋼球10025～100（相當(dāng)60～230HB）適用于測量非鐵金屬退火、火等HRC金剛石圓錐體15020～67(相當(dāng)HB230～700)適用于調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等表-2共二十七頁

第三節(jié)韌性(rènxìnɡ)和沖擊試驗(yàn)

沖擊力：零件受到突然作用的外力韌性：金屬在沖擊力作用下，斷裂前吸收變形(biànxíng)能量的能力。韌性愈好，代表金屬的抗沖擊能力愈強(qiáng)。一、擺錘式一次沖擊試驗(yàn)按GB229－84的規(guī)定，將被試金屬制成標(biāo)準(zhǔn)的沖擊試樣。共二十七頁

擺錘式一次沖擊試驗(yàn)原理：試驗(yàn)在專門的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，把試樣放在試驗(yàn)機(jī)的支承面上，試樣的缺口背向擺錘沖擊方向。將質(zhì)量為m的擺錘安放到規(guī)定的高度H，然后下落，將試樣打斷，并擺過支點(diǎn)(zhīdiǎn)升到某一高度h，試樣在沖擊試驗(yàn)力一次作用下，折斷時(shí)所吸收的功為沖擊吸收功為Ak共二十七頁

擺錘式一次沖擊試驗(yàn)原理：試驗(yàn)在專門的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，把試樣放在試驗(yàn)機(jī)的支承面上，試樣的缺口背向(bèixiànɡ)擺錘沖擊方向。將質(zhì)量為m的擺錘安放到規(guī)定的高度H，然后下落，將試樣打斷，并擺過支點(diǎn)升到某一高度h，試樣在沖擊試驗(yàn)力一次作用下，折斷時(shí)所吸收的功為沖擊吸收功為Ak共二十七頁

擺錘式一次沖擊試驗(yàn)原理：試驗(yàn)在專門的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，把試樣放在試驗(yàn)機(jī)的支承面上，試樣的缺口背向擺錘沖擊方向。將質(zhì)量為m的擺錘安放到規(guī)定的高度H，然后(ránhòu)下落，將試樣打斷，并擺過支點(diǎn)升到某一高度h，試樣在沖擊試驗(yàn)力一次作用下，折斷時(shí)所吸收的功為沖擊吸收功為Ak共二十七頁實(shí)際上，沖擊吸收功AK數(shù)值可由試驗(yàn)機(jī)讀出，而無需(wúxū)計(jì)算沖擊韌度：將沖擊吸收功AK值除以試樣缺口底部的橫載而積A0（cm2）得到的值ak=AK/A0沖擊韌度作為衡量材料剛性的依據(jù)共二十七頁

實(shí)際上，沖擊吸收功AK數(shù)值可由試驗(yàn)機(jī)讀出，而無需計(jì)算沖擊韌度：將沖擊吸收功AK值除以試樣(shìyànɡ)缺口底部的橫載而積A0（cm2）得到的值ak=AK/A0沖擊韌度作為衡量材料剛性的依據(jù)共二十七頁二、多次重復(fù)沖擊試驗(yàn)(shìyàn)的概念

在小能量多次沖擊破壞時(shí)，應(yīng)進(jìn)行多次重復(fù)沖擊試驗(yàn)測定其多沖抗力材料制成專門的多沖缺口試樣1放在多沖試驗(yàn)機(jī)上，使之受到試驗(yàn)機(jī)錘頭2的小能量（＜15J)多次沖擊。測定材料在一定(yīdìng)沖擊能量下，開始出現(xiàn)裂紋或最后破斷的沖擊次數(shù)作為多沖抗力指標(biāo)共二十七頁

第四節(jié)金屬(jīnshǔ)疲勞的概念

交變壓力：是指大小和方向構(gòu)隨時(shí)間周期變化的應(yīng)力金屬的疲勞：在多次交變應(yīng)力作用，金屬會(huì)在遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度σb，甚至(shènzhì)小于屈服點(diǎn)σs。的應(yīng)力下失效（出現(xiàn)裂紋或完全斷裂）。疲勞曲線：實(shí)驗(yàn)證明，一般鋼鐵材料所受交變應(yīng)力最大值σmax與其失效前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（疲勞壽命）N的曲線關(guān)系。疲勞極限σ-1：材料可經(jīng)受無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不失效的應(yīng)力值。通常規(guī)定經(jīng)受107循環(huán)周次而不失效的最大應(yīng)力為鋼鐵的疲勞極限共二十七頁

第四節(jié)金屬疲勞(píláo)的概念

交變壓力：是指大小和方向(fāngxiàng)構(gòu)隨時(shí)間周期變化的應(yīng)力金屬的疲勞：在多次交變應(yīng)力作用，金屬會(huì)在遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度σb，甚至小于屈服點(diǎn)σs。的應(yīng)力下失效（出現(xiàn)裂紋或完全斷裂）。疲勞曲線：實(shí)驗(yàn)證明，一般鋼鐵材料所受交變應(yīng)力最大值σmax與其失效前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（疲勞壽命）N的曲線關(guān)系。疲勞極限σ-1：材料可經(jīng)受無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不失效的應(yīng)力值。通常規(guī)定經(jīng)受107循環(huán)周次而不失效的最大應(yīng)力為鋼鐵的疲勞極限σ

σ－1107(108)㏑N共二十七頁疲勞破壞的過程：一般認(rèn)為，在突變應(yīng)力作用下，材料的某些局部地區(qū)逐漸產(chǎn)生微小的裂紋，尤其在氧化物、硫化物等非金屬夾雜物和鋼件表面的溝槽、螺紋根部、加工刀痕等處，更易誘發(fā)裂紋。隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋逐漸擴(kuò)展，使鋼件剩下的斷面大為減小，以致不能承受載荷而突然斷裂。各向異性:由于(yóuyú)晶體中原子的規(guī)則排列，晶格上不同的晶面和晶向的原子密度便不相同，因而沿著一個(gè)晶體的不同方