金屬材料的力學性能 (課堂PPT)

JINSHUCAILLIAODELIXUEXINGNENG,多媒體技術,金屬材料的力學性能,1,.,金屬材料的常用五大力學性能指標。,掌握金屬力學性能的基本概念及其指標；認識拉伸曲線圖，掌握強度、塑性的衡量指標及其意義；掌握常用硬度的測試方法及適用范圍。掌握沖擊韌度、疲勞強度的衡量指標及其意義。,知識目標：,能力目標：,能根據拉伸曲線圖比較不同金屬材料的強度、塑性；能根據材料及其熱處理狀態(tài)，正確選用硬度測試方法；能根據力學性能指標合理選用金屬材料。,重點及難點：,2,.,3,.,鑄造性鍛造性焊接性熱處理工藝性切削加工性,金屬材料的性能：,物理性能化學性能力學性能,使用性能、工藝性能,4,.,金屬的力學性能,金屬材料在各種載荷(外力)作用下表現出來的抵抗變形和破壞的能力。,載荷（外力）形式：,載荷分類：,包括：強度、塑性、硬度、沖擊韌度、疲勞強度,5,.,一、強度,6,.,2、拉伸試樣,長試樣,（1）圓柱形試樣,短試樣,（2）板狀試樣,L0、d0是規(guī)定的標準值通常，L0取100mm或者50mm,7,.,3、拉伸曲線分析（低碳鋼）,彈性變形變,微量塑變,屈服,均勻塑變,縮頸,局部塑變,斷裂,8,.,4、低碳鋼的應力-應變曲線,應力=F/A0應變=L/L0,9,.,幾種常見金屬材料的應力-應變曲線,1-鋁青銅2-低碳鋼（C，0.35%）3-硬鋁4-銅,10,.,抵抗塑性變形和斷裂的能力越大，則強度越高。,按載荷作用方式不同，強度可分為：抗拉強度、抗彎強度、抗壓強度、抗剪切強度,工程上常用的強度指標：屈服強度、抗拉強度,11,.,1、屈服強度,屈服,1）符號,s,2）大小,s=Fs/Ao,3）意義,屈服強度表示材料抵抗塑性變形的能力；是塑性材料選材的依據。,（產生屈服現象的最低應力）,彈變,塑變,2、抗拉強度,12,.,鑄鐵的應力-應變曲線,有些金屬材料在拉伸時無明顯的屈服現象（如左圖的鑄鐵），無法測定其屈服強度s。按GB/T228-2002規(guī)定，可用條件屈服強度0.2表示。,含義：殘余變形量為0.2%時的應力值。,13,.,2、抗拉強度,強度指標,縮頸,1）符號,b,2）大小,b=Fb/Ao,3）意義,材料抵抗斷裂的能力；是選材的依據,（斷裂前的最大應力）,塑變,斷裂,14,.,金屬材料在斷裂前產生永久變形的能力。,塑性指標,伸長率,（）,斷面收縮率,（）,二、塑性,=（L1-L0）/L0100%,試樣拉斷后，標距的伸長量與原始標距的百分比,L0試樣原始標距（mm）L1試樣拉斷后標距（mm）,注意：當L0=10d0時，伸長率用（10）表示；當L0=5d0時，伸長率用5表示；直徑d0相同時，L0，。只有當L0/d0為常數時，塑性值才有可比性；同一材料的試樣長短不同，測得的伸長率數值是不相等的（一般有5）；比較不同材料的伸長率時，應采用尺寸規(guī)格一樣的試樣。,15,.,試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。,A0試樣原始橫截面積（mm2）A1試樣拉斷后縮頸處最小橫截面積（mm2）,=(A0-A1)/A0100%,說明：用斷面縮率表示塑性比伸長率更接近真實變形；,塑性指標,16,.,塑性好，利于材料成形加工（鍛壓、軋制等）；,塑性好，可以防止過載，避免突然斷裂；,伸長率和斷面收縮率數值越大，材料的塑性越好；,拉伸試樣的縮頸現象,塑性意義,17,.,材料抵抗表面局部塑性變形的能力。衡量金屬軟硬程度的一種性能指標。,三、硬度,18,.,硬度指標,19,.,布氏硬度,（1）試驗原理,20,.,布氏硬度,（2）計算公式,21,.,布氏硬度,（3）試驗規(guī)范GB/T231.12002壓頭：10mm、5mm、2.5mm、1mmF/D2：30、15、10、5、2.5、1試驗力：鋼鐵材料為1015s，有色金屬為30s，布氏硬度值35時為60s,（4）表示方法符號HBW之前的數字表示硬度值,符號后面的數字按順序分別表示壓頭直徑、載荷及載荷保持時間（1015s不標注）。如120HBW10/1000/30表示直徑為10mm的硬質合金球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下，保持30s測得的布氏硬度值為120。,22,.,布氏硬度壓痕,優(yōu)點：測量誤差小，數據穩(wěn)定。缺點：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料，操作麻煩。適于測量退火、正火、調質鋼，鑄鐵及有色金屬的硬度。,布氏硬度,（5）優(yōu)缺點及應用范圍,23,.,洛氏硬度,（1）試驗原理,24,.,洛氏硬度用符號HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根據壓頭類型和主載荷不同，分為九個標尺，常用的標尺為A、B、C。,洛氏硬度,25,.,符號HR前面的數字為硬度值，后面為使用的標尺。,HRA用于測量高硬度材料,如硬質合金、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，如調質鋼、淬火鋼等。洛氏硬度的優(yōu)點：操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。缺點：測量結果分散度大。,洛氏硬度,26,.,維氏硬度,27,.,維氏硬度用符號HV表示，符號前的數字為硬度值，后面的數字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。根據載荷范圍不同，規(guī)定了三種測定方法維氏硬度試驗、小負荷維氏硬度試驗、顯微維氏硬度試驗。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點。,維氏硬度,28,.,硬度測試方法比較,金剛石圓錐,壓痕面積,測量準確,損傷大操作繁,450HBW,軟材料：有色,軟鋼毛坯半成品,淬火鋼球,壓痕深度,損傷小較迅速,不夠準確不連續(xù),45HRC,表層薄而硬,有色,軟鋼成品、薄件,各種淬火鋼,金剛石四棱錐,壓痕面積,準確連續(xù)性,不適于成批,800HV,從軟到硬更宜：更薄更硬,硬質合金球,金剛石圓錐,29,.,金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。,四、沖擊韌度,沖擊試驗,指標為沖擊韌性值ak(通過沖擊實驗測得)。,30,.,沖擊韌性值（ak）,試樣沖斷時所消耗的沖擊功Ak為：,Ak=mghmgh(J),沖擊韌性值（ak）就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。,31,.,測定沖擊韌性值的意義1）評定材料相對韌性的大小2）評定材料的變脆傾向,材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內沖擊韌性值急劇下降的現象稱韌脆轉變。發(fā)生韌脆轉變的溫度范圍稱韌脆轉變溫度。材料的使用溫度應高于韌脆轉變溫度。,韌,32,.,TITANIC,建造中的Titanic號,TITANIC的沉沒與船體材料的質量直接有關,33,.,Titanic號鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗結果,34,.,五、疲勞強度,35,.,36,.,5、疲勞斷裂原因與提高疲勞強度途徑：,影響疲勞強度的因素：應力集中；材料內部組織缺陷；機加工精度；表面狀態(tài)、殘余應力,提高疲勞強度的途徑：零件結構設計盡量避免尖角、缺口和截面突變；減少材料組織缺陷；減小表面粗糙度；采用表面強化處理。,動靜萬能疲勞試驗機,37,.,六、小結,塑性判據,強度判據,疲勞強度-1,韌性判據,動載,維氏硬度51000HV,受循環(huán)交變載荷零件的選材、檢驗依據,金屬力學性能,靜載,屈服點,抗拉強度b斷裂前的最大應力,斷后伸長率5%,斷面收縮率10%,硬度判據,布氏硬度650HBW,洛氏硬度,沖擊韌度k,受沖擊零件的選材、檢驗依據,疲勞判據,s塑性材料產生明顯塑性變形的抗力,（抵抗塑性變形的指標）,0.2脆性材料無明顯塑性變形的抗力,（抵抗斷