機械工程材料課件金屬材料的力學(xué)性能解析

1、2021/3/271 機械工程材料機械工程材料 2021年年8月月9日星期一日星期一 2021/3/272 材料的材料的性能性能 材料的材料的性能性能 工藝性能工藝性能 使用性能使用性能 v使用性能使用性能:材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。 包括包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。 v工藝性能工藝性能:材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。 包括包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削性鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削性 能能等。等。 2021/3/273 一 工藝性能 1 概念:一種材料是否容易加工是否容易加工,也即為 在冷熱

2、加工中表現(xiàn)的性能,就稱為（加 工）工藝性能。 材料的材料的性能性能 2021/3/274 2 2 主要工藝性能主要工藝性能: : a a、鑄造性能鑄造性能: : b b、壓力加工性能壓力加工性能： c c、焊接性能焊接性能 ： d d、切削加工性能切削加工性能： e e、熱處理性能熱處理性能： 材料能否用鑄造方法鑄造方法制成優(yōu)良鑄件的性能。 是否容易采用壓力加工成型的性能是否容易采用壓力加工成型的性能,鍛造、 擠壓、沖 壓等。 是否易于采用一般焊接方法焊成優(yōu)良接頭一般焊接方法焊成優(yōu)良接頭的性 能,如平焊。 是否易于進行某種切削加工某種切削加工的性能,如車、 銑、铇、 磨、鏜等。 是改善金屬使用

3、性能和工藝性能改善金屬使用性能和工藝性能的一種非 常重要的加工方法。 材料的材料的性能性能 2021/3/275 二二 使用性能使用性能 1 1 概念概念: :材料在使用條件下表現(xiàn)的性能使用條件下表現(xiàn)的性能就稱為 使用性能。 2 2 主要使用性能主要使用性能: : a a、物理性能物理性能: :比重、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨 脹性、熔點等 . b b、化學(xué)性能化學(xué)性能：耐腐蝕性、耐氣候性、高溫抗 氧化性等; c c、機械性能機械性能：剛度、強度、彈性、塑性、韌 性、疲勞強度、硬度等; 材料的材料的性能性能 2021/3/276 三三 機械性能機械性能: : 1.1.概念概念: :材料抵抗外力的性能

4、抵抗外力的性能稱為機械性能又 叫做力學(xué)性能力學(xué)性能。 2.2.力學(xué)性能力學(xué)性能與外力性質(zhì)與外力性質(zhì)及及作用方式有作用方式有關(guān)關(guān)： 性質(zhì)性質(zhì)：拉力、壓力、彎曲、扭轉(zhuǎn) 作用方式作用方式：緩慢作用（靜載）、快速作用 （動載）、交變作用 3.3.主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo)： 靜強度、剛度、疲勞強度、韌性、塑性、硬度、 彈性等。 材料的材料的性能性能 2021/3/277 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金屬材料的力學(xué)性能性能 【交流與討論】【交流與討論】用來制造硬幣的金屬材料應(yīng)具用來制造硬幣的金屬材料應(yīng)具 哪些特點哪些特點? ? （資源豐富,無毒輕便,耐磨耐腐蝕，美觀易加 工。） 制造硬幣的金屬材料要求耐磨

5、，也就是它必制造硬幣的金屬材料要求耐磨，也就是它必 須具有定的硬度和強度。硬度和強度屬于金屬材須具有定的硬度和強度。硬度和強度屬于金屬材 料的力學(xué)性能，本節(jié)課我們來學(xué)習(xí)討論力學(xué)性能。料的力學(xué)性能，本節(jié)課我們來學(xué)習(xí)討論力學(xué)性能。 2021/3/278 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金屬材料的力學(xué)性能性能 力學(xué)性能力學(xué)性能: :金屬材料在外力作用時表現(xiàn)來的性能。金屬材料在外力作用時表現(xiàn)來的性能。 力學(xué)性能包括強度、塑性、硬度、韌性及疲勞強度等。力學(xué)性能包括強度、塑性、硬度、韌性及疲勞強度等。 在機械設(shè)備及工具的設(shè)計、制造中選用金屬材料時在機械設(shè)備及工具的設(shè)計、制造中選用金屬材料時, ,大大 多以力學(xué)

6、性能為主要依據(jù)多以力學(xué)性能為主要依據(jù), ,因此熟悉和掌握金屬材料的力學(xué)因此熟悉和掌握金屬材料的力學(xué) 性能是非常重要的。力學(xué)性能不僅是本章學(xué)習(xí)的重點，同性能是非常重要的。力學(xué)性能不僅是本章學(xué)習(xí)的重點，同 時也是整個教材的學(xué)習(xí)重點，希望同學(xué)們要努力學(xué)習(xí)掌握時也是整個教材的學(xué)習(xí)重點，希望同學(xué)們要努力學(xué)習(xí)掌握 好這些內(nèi)容。好這些內(nèi)容。先來先來學(xué)習(xí)準(zhǔn)備知識。學(xué)習(xí)準(zhǔn)備知識。 2021/3/279 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金屬材料的力學(xué)性能性能 （一）載荷（一）載荷（金屬材料在加工和使用過程中所受的外力）（金屬材料在加工和使用過程中所受的外力） 靜載荷靜載荷: :指大小不變或變動很慢的載荷。指大小不變或

7、變動很慢的載荷。 如地面所受講臺的壓力如地面所受講臺的壓力, ,千斤頂工作所受的載荷。千斤頂工作所受的載荷。 沖擊載荷沖擊載荷: :指突然增加的載荷。指突然增加的載荷。 如鐵匠用鐵錘鍛打工件、高速行駛的汽車相撞的如鐵匠用鐵錘鍛打工件、高速行駛的汽車相撞的 載荷。載荷。 交變載荷：交變載荷：指周期性或非周期性的動載荷。指周期性或非周期性的動載荷。 如電扇主軸、彈簧工作時所受的載荷。如電扇主軸、彈簧工作時所受的載荷。 2021/3/2710 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金屬材料的力學(xué)性能性能 （二）變形（二）變形（金屬材料受載荷作用發(fā)生幾何形狀和尺寸（金屬材料受載荷作用發(fā)生幾何形狀和尺寸 的變化。

8、）的變化。） 彈性變形彈性變形: :載荷去除后載荷去除后, ,可完全恢復(fù)的變形?？赏耆謴?fù)的變形。 塑性變形塑性變形: :載荷去除后載荷去除后, ,不可恢復(fù)的永久變形。不可恢復(fù)的永久變形。 金屬材料的彈性變形可用于控制機構(gòu)運動、緩沖金屬材料的彈性變形可用于控制機構(gòu)運動、緩沖 與吸振、儲存能量等。金屬材料塑性變形可用于與吸振、儲存能量等。金屬材料塑性變形可用于 成型產(chǎn)品的加工成型產(chǎn)品的加工,70%,70%的金屬材料是通過塑性變形的金屬材料是通過塑性變形 加工成型的。加工成型的。 2021/3/2711 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金屬材料的力學(xué)性能性能 【交流與討論】【交流與討論】 1 1、彈性

9、變形與塑性變形的根本區(qū)別是什么、彈性變形與塑性變形的根本區(qū)別是什么? ? ( (有無永久變形。有無永久變形。) ) 2 2、生活、生產(chǎn)哪些地方發(fā)生彈性變形或塑性變形？、生活、生產(chǎn)哪些地方發(fā)生彈性變形或塑性變形？ 你知道哪些產(chǎn)品產(chǎn)通過塑性變形加工成形的？你知道哪些產(chǎn)品產(chǎn)通過塑性變形加工成形的？ 3 3、加工制造好的機械零件、加工制造好的機械零件, ,在使用時一旦發(fā)生在使用時一旦發(fā)生 塑性變形有什么危害塑性變形有什么危害? ? （零件變形、失效（零件變形、失效, ,甚至發(fā)生斷裂。）甚至發(fā)生斷裂。） 2021/3/2712 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金屬材料的力學(xué)性能性能 （三）應(yīng)力（三）應(yīng)力 1

10、 1、內(nèi)力、內(nèi)力 : : 金屬受外力作用后金屬受外力作用后,在材料內(nèi)部作用在材料內(nèi)部作用 著與外力相對抗的力稱為內(nèi)力。著與外力相對抗的力稱為內(nèi)力。 F內(nèi)力 內(nèi)力= F外力外力 2 2、應(yīng)力、應(yīng)力: :單位面積上的內(nèi)力。單位面積上的內(nèi)力。 R=F/S 式中式中 F外力（外力（N）; S橫橫截截面積（面積（mm2）; R應(yīng)力應(yīng)力, ,常用常用單位為單位為MPa（N/mm2），）， 1MPa=106 Pa。 2021/3/2713 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金屬材料的力學(xué)性能性能 結(jié)論結(jié)論: :當(dāng)橫截面積一定時當(dāng)橫截面積一定時, ,應(yīng)力越大應(yīng)力越大, ,表表 示材料承受載荷的能力越大。示材料承受載

11、荷的能力越大。 例例 碳鋼碳鋼 最大應(yīng)力最大應(yīng)力 235235鋼（生活中最常用的鋼）鋼（生活中最常用的鋼） 460 MPa460 MPa 4545鋼鋼 （制電機主軸的鋼）（制電機主軸的鋼） 600 MPa600 MPa 65Mn65Mn鋼（制沙發(fā)彈簧的鋼）鋼（制沙發(fā)彈簧的鋼） 735 MPa735 MPa 2021/3/2714 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金屬材料的力學(xué)性能性能 【思考思考】4545鋼的最大應(yīng)力鋼的最大應(yīng)力600 Mpa,600 Mpa, 是用什么方法測定出來的是用什么方法測定出來的? ? 拉伸試驗機拉伸試驗機 拉伸前拉伸前 斷裂后斷裂后 拉伸試樣拉伸試樣 通常是將通常是將4

12、545鋼制成標(biāo)準(zhǔn)試樣鋼制成標(biāo)準(zhǔn)試樣, ,放在拉放在拉 伸機上進行拉伸試驗測出來的。伸機上進行拉伸試驗測出來的。 0 l k l 0 d F F k d 拉伸前 拉伸后 應(yīng)變應(yīng)變:物體形狀尺寸所發(fā)生的相物體形狀尺寸所發(fā)生的相 對改變。對改變。 物體內(nèi)部某處的線段在變形后物體內(nèi)部某處的線段在變形后 長度的改變值同線段原長之比長度的改變值同線段原長之比 值稱為值稱為“線應(yīng)變線應(yīng)變” 0 l l （伸長量） （應(yīng)變） 2021/3/2716 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金屬材料的力學(xué)性能性能 （四）拉伸曲線（四）拉伸曲線 低碳鋼的拉伸曲線低碳鋼的拉伸曲線 oeoe彈性形變形階段彈性形變形階段 試樣的伸

13、試樣的伸 長量長量L L和載荷和載荷F F成正比成正比, ,試樣只發(fā)生試樣只發(fā)生 彈性形變。彈性形變。 eses屈服階段屈服階段 試樣發(fā)生屈服試樣發(fā)生屈服 現(xiàn)象現(xiàn)象, ,開始產(chǎn)生明顯的塑性變形。開始產(chǎn)生明顯的塑性變形。 屈服現(xiàn)象屈服現(xiàn)象: :載荷保持不變或略有載荷保持不變或略有 減小而試樣的變形繼續(xù)增加的現(xiàn)象減小而試樣的變形繼續(xù)增加的現(xiàn)象 。 （ （1）低碳）低碳鋼鋼的拉伸曲的拉伸曲線線 2021/3/2717 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金屬材料的力學(xué)性能性能 （四）拉伸曲線（四）拉伸曲線 低碳鋼的拉伸曲線低碳鋼的拉伸曲線 sbsb強化階段強化階段 試樣發(fā)生變形強化試樣發(fā)生變形強化 , ,產(chǎn)

14、生大量的塑性變形。產(chǎn)生大量的塑性變形。 變形強化變形強化: :隨著塑性變形的增加隨著塑性變形的增加, ,金金 屬材料強度、硬度增大，塑性、韌性下屬材料強度、硬度增大，塑性、韌性下 降的現(xiàn)象。降的現(xiàn)象。 bZbZ縮頸階段縮頸階段 試樣出現(xiàn)縮頸，塑試樣出現(xiàn)縮頸，塑 性變形所需的載荷逐漸減小。性變形所需的載荷逐漸減小。 b b點點出現(xiàn)出現(xiàn) 縮頸現(xiàn)象，即試樣局部截面明顯縮小試縮頸現(xiàn)象，即試樣局部截面明顯縮小試 樣承載能力降低，拉伸力達到最大值，樣承載能力降低，拉伸力達到最大值， 而后降低，但變形量增大，而后降低，但變形量增大，Z Z點時試樣發(fā)點時試樣發(fā) 生斷裂。生斷裂。 （ （1）低碳）低碳鋼鋼的拉伸

15、曲的拉伸曲線線 2021/3/2718 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金屬材料的力學(xué)性能性能 （四）拉伸曲線（四）拉伸曲線 鑄鐵鑄鐵的拉伸曲線的拉伸曲線 屈服現(xiàn)象并不是所有金屬屈服現(xiàn)象并不是所有金屬 材料都有的材料都有的, ,它只存在于低碳它只存在于低碳 鋼等塑性材料中鋼等塑性材料中, ,但鑄鐵等脆但鑄鐵等脆 性材料既不產(chǎn)生屈服現(xiàn)象，性材料既不產(chǎn)生屈服現(xiàn)象， 也不會縮頸，因為它們在尚也不會縮頸，因為它們在尚 未產(chǎn)生塑性變形時就斷了。未產(chǎn)生塑性變形時就斷了。 鑄鐵的拉伸曲線如下。鑄鐵的拉伸曲線如下。 （ （2） ）鑄鐵鑄鐵的拉伸曲的拉伸曲線線 2021/3/2719 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金

16、屬材料的力學(xué)性能性能 1.1.強度強度 定義定義: :是指材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。是指材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。 抵抗能力越大抵抗能力越大, ,則強度越高。衡量強度大小的指標(biāo)主要有則強度越高。衡量強度大小的指標(biāo)主要有 屈服強度和抗拉強度屈服強度和抗拉強度。 計算公式如下計算公式如下: : R= Fs/ SR= Fs/ SO O Fs Fs試樣產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的載荷（試樣產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的載荷（N N）; ; S SO O試樣原始橫截面積（試樣原始橫截面積（mmmm2 2）; ; RR屈服強度（屈服強度（MPaMPa）。）。 屈服強度屈服強度R:材料發(fā)生屈服時的應(yīng)力

17、值。材料發(fā)生屈服時的應(yīng)力值。 2021/3/2720 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金屬材料的力學(xué)性能性能 1.1.強度強度 定義定義: :是指材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。是指材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。 抵抗能力越大抵抗能力越大, ,則強度越高。衡量強度大小的指標(biāo)主要有則強度越高。衡量強度大小的指標(biāo)主要有 屈服強度和抗拉強度屈服強度和抗拉強度。 計算公式如下計算公式如下: : Rm = F= Fb b / S / SO O l抗拉強度抗拉強度Rm:材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。 F Fb b試樣承的最大載荷（試樣承的最大載荷（N N）;

18、 ; S S0 0試樣原始橫截面積（試樣原始橫截面積（mmmm2 2）; ; Rm 抗拉強度（抗拉強度（MPaMPa）。）。 2021/3/2721 【交流與討論交流與討論】 45 45鋼制造的機械零件鋼制造的機械零件, , Rr=355 MPa,=355 MPa, Rm =600MPa=600MPa。當(dāng)工作應(yīng)力。當(dāng)工作應(yīng)力R R工作 工作 355MPa355MPa，甚，甚 至至R R工作 工作 600MPa600MPa將發(fā)生什么時候危害將發(fā)生什么時候危害? ? 金屬材料的屈服強度和抗拉強度數(shù)值越大金屬材料的屈服強度和抗拉強度數(shù)值越大, ,材料的強度越材料的強度越 大。機械零件工作時所受的應(yīng)力

19、當(dāng)超過材料的屈服強度時大。機械零件工作時所受的應(yīng)力當(dāng)超過材料的屈服強度時 , ,零件則發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致零件精度下降零件則發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致零件精度下降; ;零件工作時當(dāng)零件工作時當(dāng) 所受的應(yīng)力超過材料的抗拉強度時，零件則產(chǎn)生過量的塑所受的應(yīng)力超過材料的抗拉強度時，零件則產(chǎn)生過量的塑 性變形而造成失效甚至斷裂。因此，金屬材料的屈服強度性變形而造成失效甚至斷裂。因此，金屬材料的屈服強度 和抗拉強度是機械設(shè)計和選材的主要依據(jù)，也是評定金屬和抗拉強度是機械設(shè)計和選材的主要依據(jù)，也是評定金屬 材料優(yōu)劣的重要指標(biāo)。材料優(yōu)劣的重要指標(biāo)。 2021/3/2722 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金屬材料的力學(xué)性

20、能性能 2.2.剛度與彈性剛度與彈性 剛度剛度: :材料在外力作用下抵抗彈性變形的能力稱為剛度。材料在外力作用下抵抗彈性變形的能力稱為剛度。 在在彈彈性性階階段段: : 比例系數(shù)比例系數(shù)E 稱為彈性模量稱為彈性模量,它反映材料對彈性變形的它反映材料對彈性變形的 抗力抗力,代表材料的代表材料的“剛度剛度”。 lF E E所以: E 材料抵抗彈性變形的能力越大。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彈性模量的大小主要取決于材料的本性, ,隨溫度升高而逐隨溫度升高而逐 漸降低。漸降低。 RR R 2021/3/2723 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金屬材料的力學(xué)性能性能 2

21、.2.塑性塑性 塑性塑性: :金屬材料產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力稱為塑性金屬材料產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力稱為塑性。 衡量塑性好與差的指標(biāo)主要是伸長率和斷面收縮率衡量塑性好與差的指標(biāo)主要是伸長率和斷面收縮率, ,它它 們也是通過金屬試樣拉伸試驗測得的。們也是通過金屬試樣拉伸試驗測得的。 伸長率（伸長率（A A） 試樣拉斷后試樣拉斷后, ,標(biāo)距的伸長量與原始標(biāo)距的標(biāo)距的伸長量與原始標(biāo)距的 百分比稱為伸長率。百分比稱為伸長率。 式中式中 L L1 1試樣拉斷后的標(biāo)距（試樣拉斷后的標(biāo)距（mmmm）; ; L L0 0試樣的原始標(biāo)距（試樣的原始標(biāo)距（mmmm）; ; A A伸長率。伸長率。 A 202

22、1/3/2724 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金屬材料的力學(xué)性能性能 2.2.塑性塑性 塑性塑性: :金屬材料產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力稱為塑性金屬材料產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力稱為塑性。 衡量塑性好與差的指標(biāo)主要是伸長率和斷面收縮率衡量塑性好與差的指標(biāo)主要是伸長率和斷面收縮率, ,它它 們也是通過金屬試樣拉伸試驗測得的。們也是通過金屬試樣拉伸試驗測得的。 斷面收縮率（斷面收縮率（Z Z）: :試樣拉斷后試樣拉斷后, ,縮頸處橫截面積的最大縮縮頸處橫截面積的最大縮 減量與原始橫截面積的百分比稱為斷面收縮率。減量與原始橫截面積的百分比稱為斷面收縮率。 式中式中 S SO O試樣原始橫截面積（試樣

23、原始橫截面積（mmmm2 2）; ; S S1 1試樣拉斷處的最小橫截面積（試樣拉斷處的最小橫截面積（mmmm2 2）; ; Z Z斷面收縮率。斷面收縮率。 Z 2021/3/2725 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金屬材料的力學(xué)性能性能 2.2.塑性塑性 金屬材料的金屬材料的A A、Z Z值越大值越大, ,表示材料的塑性越好。表示材料的塑性越好。 塑性好的金屬的實用意義塑性好的金屬的實用意義: : 塑性好的金屬可以發(fā)生大量塑性變形而不破壞塑性好的金屬可以發(fā)生大量塑性變形而不破壞, ,便于便于 通過塑性變形加工通過塑性變形加工, ,制成形狀復(fù)雜的零件制成形狀復(fù)雜的零件; ; 塑性好的金屬在受力過

24、大時，由于首先產(chǎn)生塑性變塑性好的金屬在受力過大時，由于首先產(chǎn)生塑性變 形而不致發(fā)生突然斷裂，使用比較安全。形而不致發(fā)生突然斷裂，使用比較安全。 2021/3/2726 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金屬材料的力學(xué)性能性能 超塑性金屬材料超塑性金屬材料 超塑性金屬材料是指伸長率大于超塑性金屬材料是指伸長率大于300%300%的金屬材料。它是的金屬材料。它是 19201920年德國材料專家羅森漢在研究鋅鋁銅合金時發(fā)現(xiàn)的。超塑性年德國材料專家羅森漢在研究鋅鋁銅合金時發(fā)現(xiàn)的。超塑性 是在特定條件下的一種奇特現(xiàn)象是在特定條件下的一種奇特現(xiàn)象, ,超塑性金屬材料能像軟糖一樣伸長超塑性金屬材料能像軟糖一樣伸長

25、1010 倍、倍、2020倍甚至上百倍倍甚至上百倍, ,既不出現(xiàn)縮頸，也不會斷裂。最常用的鋁、鎳、既不出現(xiàn)縮頸，也不會斷裂。最常用的鋁、鎳、 銅、鐵、鈦合金，它們的伸長率在銅、鐵、鈦合金，它們的伸長率在2006000%2006000%之間。如碳鋼和不銹鋼在之間。如碳鋼和不銹鋼在 150800%150800%之間，鋁鋅合金為之間，鋁鋅合金為1000%1000%純鋁高達純鋁高達6000%6000%。 超塑性材料加工具有很大的實用價值。難變形的合金因超塑性材料加工具有很大的實用價值。難變形的合金因 超塑性變成了軟糖狀，從而可以像玻璃和塑料一樣，用吹塑和可擠壓超塑性變成了軟糖狀，從而可以像玻璃和塑料一

26、樣，用吹塑和可擠壓 加工方法制造零件，從而大大節(jié)省能源和設(shè)備。超塑性材料制造零件加工方法制造零件，從而大大節(jié)省能源和設(shè)備。超塑性材料制造零件 的另一優(yōu)點是可以一次成形，省掉了機械加工、鉚焊等工序，達到節(jié)的另一優(yōu)點是可以一次成形，省掉了機械加工、鉚焊等工序，達到節(jié) 約原材料和降低成本的目的。據(jù)專家展望，未來超塑性材料將在航天約原材料和降低成本的目的。據(jù)專家展望，未來超塑性材料將在航天 、汽車、車廂制造等部門中廣泛采用。、汽車、車廂制造等部門中廣泛采用。 【拓展視野拓展視野】 2021/3/2727 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金屬材料的力學(xué)性能性能 力學(xué)性能力學(xué)性能屈服強度屈服強度抗拉強度抗拉強

27、度伸長率伸長率斷面收縮率斷面收縮率 符號符號 【復(fù)習(xí)上次課內(nèi)容復(fù)習(xí)上次課內(nèi)容】 1 1填寫下列力學(xué)性能名稱或符號填寫下列力學(xué)性能名稱或符號: : 2 2上題中哪些是強度指標(biāo)上題中哪些是強度指標(biāo)? ?哪些是塑性指標(biāo)？哪些是塑性指標(biāo)？ 【新課導(dǎo)入新課導(dǎo)入】金屬材料的軟硬是我們經(jīng)常關(guān)注的問題金屬材料的軟硬是我們經(jīng)常關(guān)注的問題, ,請問常請問常 見的金屬材料中哪些是比較軟的？哪些是比較硬的？見的金屬材料中哪些是比較軟的？哪些是比較硬的？ 在工業(yè)生產(chǎn)中在工業(yè)生產(chǎn)中, ,我們僅僅知道金屬材料軟和硬是遠遠不夠我們僅僅知道金屬材料軟和硬是遠遠不夠 的，還必須精確知道其硬度值的大小。本節(jié)課我們來深入學(xué)習(xí)的，還必

28、須精確知道其硬度值的大小。本節(jié)課我們來深入學(xué)習(xí) 第四個力學(xué)性能硬度的有關(guān)知識。第四個力學(xué)性能硬度的有關(guān)知識。 RrRmAZ 2021/3/2728 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金屬材料的力學(xué)性能性能 4.4.硬度硬度 定義定義: :材料抵抗表面局部彈塑性變形的能力。材料抵抗表面局部彈塑性變形的能力。 硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一項重要的性能指標(biāo)。各硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一項重要的性能指標(biāo)。各 種不同的機械零件對硬度都有不同的要求種不同的機械零件對硬度都有不同的要求, ,尤其是機械制造業(yè)尤其是機械制造業(yè) 所用的刀具、量具、模具等所用的刀具、量具、模具等, ,都應(yīng)具備足夠的硬度，才能保證都

29、應(yīng)具備足夠的硬度，才能保證 使用性能和壽命，因此硬度是金屬材料重要的力學(xué)性能之一使用性能和壽命，因此硬度是金屬材料重要的力學(xué)性能之一 。 硬度試驗設(shè)備簡單，操作方便，能在零件上進行試驗而不硬度試驗設(shè)備簡單，操作方便，能在零件上進行試驗而不 破壞。硬度值還可以間接地反映金屬材料的強度和金屬的化破壞。硬度值還可以間接地反映金屬材料的強度和金屬的化 學(xué)成分、金相組織和熱處理工藝上的差異，因而硬度試驗在學(xué)成分、金相組織和熱處理工藝上的差異，因而硬度試驗在 機械工程中得到普遍應(yīng)用。硬度試驗方法很多，生產(chǎn)中常用機械工程中得到普遍應(yīng)用。硬度試驗方法很多，生產(chǎn)中常用 的有的有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度布氏硬

30、度、洛氏硬度和維氏硬度等試驗方法。等試驗方法。 2021/3/2729 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金屬材料的力學(xué)性能性能 4.4.硬度硬度 定義定義: :材料抵抗表面局部彈塑性變形的能力。材料抵抗表面局部彈塑性變形的能力。 布氏硬度計 1)1)布氏硬度布氏硬度HBHB )( 2 102. 0 22 dDDD F HB 2021/3/2730 v壓頭為鋼球時壓頭為鋼球時,布氏硬度用符號布氏硬度用符號HBS表示表示,適用于布氏硬度值適用于布氏硬度值 在在450以下的材料。以下的材料。 v壓頭為硬質(zhì)合金球時壓頭為硬質(zhì)合金球時，用符號用符號HBW表示，適用于布氏硬度在表示，適用于布氏硬度在 650以

31、下的材料。以下的材料。 l120HBS10/1000/30 表表示直徑為示直徑為10mm的鋼球在的鋼球在1000kgf 載荷作用下保持載荷作用下保持30s測得的布氏硬度測得的布氏硬度 值為值為120。 布氏硬度壓痕布氏硬度壓痕 表示方法表示方法:硬度值硬度值+HBS(HBW)+D+F+t 2021/3/2731 v布氏硬度的優(yōu)點布氏硬度的優(yōu)點:測量誤差小測量誤差小,數(shù)據(jù)穩(wěn)定。數(shù)據(jù)穩(wěn)定。 v缺點缺點:壓痕大壓痕大,不能用于太薄件、成品件及比壓頭還不能用于太薄件、成品件及比壓頭還 硬的材料。硬的材料。 v應(yīng)用：應(yīng)用：適于測量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼適于測量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼,鑄鐵及有鑄鐵及有 色金屬的硬

32、度。色金屬的硬度。 2021/3/2732 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金屬材料的力學(xué)性能性能 2)洛氏硬度洛氏硬度 洛氏硬度用洛氏硬度用符號符號HRHR表示表示,HR=k-(h1-h0)/0.002,HR=k-(h1-h0)/0.002 根據(jù)壓頭類型根據(jù)壓頭類型 和主載荷不同和主載荷不同, , 分為分為1111個標(biāo)尺個標(biāo)尺, , 常用的標(biāo)尺為常用的標(biāo)尺為 A A、B B、C C。 h1-h0 洛氏硬度測試示意圖 洛氏硬度計洛氏硬度計 2021/3/2733 v符號符號HR前面的數(shù)字為硬度值前面的數(shù)字為硬度值,后后 面為使用的標(biāo)尺。面為使用的標(biāo)尺。 lHRA用于用于測測量高硬度材料量高硬度材料

33、,如硬如硬 質(zhì)質(zhì)合金、表淬合金、表淬層層和滲碳和滲碳層層。 。 lHRB用于用于測測量低硬度材料量低硬度材料,如有如有 色金屬和退火、正火色金屬和退火、正火鋼鋼等。等。 lHRC用于用于測測量中等硬度材料量中等硬度材料,如如 調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)鋼、淬火、淬火鋼鋼等。等。 l洛氏硬度的洛氏硬度的優(yōu)優(yōu)點點:操作操作簡簡便便,壓壓痕痕 小，適用范小，適用范圍圍廣。廣。 l缺點缺點:測測量量結(jié)結(jié)果分散度大。果分散度大。 鋼球壓頭與 金剛石壓頭 洛氏硬度壓痕 2021/3/2734 3) 3) 維氏硬度維氏硬度 維氏硬度計 維氏硬度試驗原理維氏硬度壓痕 2021/3/2735 v維氏硬度用符號維氏硬度用符號HV

34、表示表示,符號前的數(shù)字為硬度值符號前的數(shù)字為硬度值,后面的數(shù)后面的數(shù) 字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。 v維氏硬度保留了布氏硬度和維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點。洛氏硬度的優(yōu)點。 小負荷維氏硬度計 顯微維氏硬度計 表示方法表示方法:硬度值硬度值+HV+F+t 2021/3/2736 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金屬材料的力學(xué)性能性能 注意注意: : 一、各種硬度值越大一、各種硬度值越大, ,材料的硬度越大材料的硬度越大; ; 二、不同硬度值的近似換算二、不同硬度值的近似換算: : HBHB、HRHR、HVHV因測定方法不同因測定方法不同, ,

35、其硬度值也不同。哪其硬度值也不同。哪 么如何比較不同硬度值的大小呢么如何比較不同硬度值的大小呢? ?除通過直接查閱硬度值換除通過直接查閱硬度值換 算表外，可用以下經(jīng)驗公式進行近似換算算表外，可用以下經(jīng)驗公式進行近似換算 HRC1/10HBS HBSHV HRC1/10HBS HBSHV 如如400HBS40 HRC400HBS40 HRC 三、制圖時硬度值標(biāo)注應(yīng)注意三、制圖時硬度值標(biāo)注應(yīng)注意 1.1.硬度值范圍硬度值范圍 HBS HBS 450450 HRC 2070 HRC 2070 如銼刀硬度如銼刀硬度 6062 HRC 6062 HRC （對）（對） 600620 HBS 600620

36、HBS （錯）（錯） 2.2.不能用等號不能用等號, ,不能有單位。不能有單位。如如HBS=300kgf/mmHBS=300kgf/mm2 2( (錯錯) ) 2021/3/2737 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金屬材料的力學(xué)性能性能 5.5.沖擊韌性沖擊韌性 定義定義: :金屬材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力。金屬材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力。 沖沖擊擊功功:K =mg:K =mg（ （H H1 1 H H2 2）（）（J J） ） 1 H 2 H 2021/3/2738 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金屬材料的力學(xué)性能性能 5.5.韌性韌性 小結(jié)小結(jié): : （1 1）材料的材料的 值值愈愈大

37、大, ,韌韌性就愈好性就愈好; ;材料的材料的 值值愈愈小小, ,材料材料 的脆性愈大的脆性愈大 （ （2 2）通常把）通常把 值值小小的材料稱的材料稱為為脆性材料脆性材料 韌性材料韌性材料 K K8 J 8 J 如碳鋼如碳鋼; ; 脆性材料脆性材料 K K8 J 8 J 如鑄鐵。如鑄鐵。 （ （3 3）研究表明，材料的）研究表明，材料的 值值隨隨試驗試驗溫度的降低而降低溫度的降低而降低。 。 2021/3/2739 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金屬材料的力學(xué)性能性能 【交流與討論交流與討論】是否所有受到?jīng)_擊載荷作用的零件都是否所有受到?jīng)_擊載荷作用的零件都 要選用要選用韌性大的材料制造韌性大的

38、材料制造? ? 受到大能量受到大能量, ,一次沖擊載荷作用的零件一次沖擊載荷作用的零件, ,應(yīng)選用應(yīng)選用韌性大的韌性大的 材料制造。如汽車保險桿、材料制造。如汽車保險桿、防彈材料防彈材料; ; 受到小能量，多次沖擊載荷作用的零件，應(yīng)選用受到小能量，多次沖擊載荷作用的零件，應(yīng)選用強度大強度大 塑性好的材料制造。如模鍛錘錘桿。塑性好的材料制造。如模鍛錘錘桿。 2021/3/2740 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金屬材料的力學(xué)性能性能 6.6.疲勞強度疲勞強度 我們?nèi)碎L時間工作會覺得疲勞我們?nèi)碎L時間工作會覺得疲勞, ,那么沒有生命的金屬材料長那么沒有生命的金屬材料長 時間工作會產(chǎn)生疲勞嗎時間工作會產(chǎn)

39、生疲勞嗎? ?請閱讀下例空難事件和調(diào)查結(jié)論。請閱讀下例空難事件和調(diào)查結(jié)論。 空難事件空難事件: :20022002年年5 5月月2525日下午日下午3:08,3:08,臺灣華航公司一架波音臺灣華航公司一架波音747747飛飛 機從臺北桃園機場飛往香港機從臺北桃園機場飛往香港,3,3：3737當(dāng)飛機飛行到離大陸很近的澎當(dāng)飛機飛行到離大陸很近的澎 湖海域上空，飛機發(fā)生解體性爆炸，機上湖海域上空，飛機發(fā)生解體性爆炸，機上225225名乘客和機組人員名乘客和機組人員 全部遇難?？针y發(fā)生后，一時間境外媒體紛紛猜測空難原因。有全部遇難?？针y發(fā)生后，一時間境外媒體紛紛猜測空難原因。有 的認(rèn)為飛機遇上了惡劣天

40、氣，也有認(rèn)為是恐怖分子所為，更有甚的認(rèn)為飛機遇上了惡劣天氣，也有認(rèn)為是恐怖分子所為，更有甚 者說是飛機被大陸導(dǎo)彈擊中。者說是飛機被大陸導(dǎo)彈擊中。 調(diào)查結(jié)論：調(diào)查結(jié)論：5 52525空難發(fā)生后，華航公司邀請美國專家協(xié)查空難發(fā)生后，華航公司邀請美國專家協(xié)查 空難原因。美國專家從海水中打撈的飛機殘胲進行分析研究，得空難原因。美國專家從海水中打撈的飛機殘胲進行分析研究，得 出的結(jié)論是：飛機發(fā)動機材料疲勞斷裂導(dǎo)致空難發(fā)生。出的結(jié)論是：飛機發(fā)動機材料疲勞斷裂導(dǎo)致空難發(fā)生。 2021/3/2741 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金屬材料的力學(xué)性能性能 6.6.疲勞強度疲勞強度 （1 1）疲勞斷裂）疲勞斷裂 工

41、程上一些機件工作時受交變應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)力作用工程上一些機件工作時受交變應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)力作用, ,即使工即使工 作應(yīng)力低于材料的作應(yīng)力低于材料的屈服強度屈服強度R Rr r, ,但經(jīng)過一定循環(huán)周次后仍會但經(jīng)過一定循環(huán)周次后仍會 發(fā)生斷裂，這樣的斷裂現(xiàn)象稱之為發(fā)生斷裂，這樣的斷裂現(xiàn)象稱之為疲勞。疲勞。 疲勞斷裂是機械零件失效的主要原因之一。據(jù)統(tǒng)計，在機疲勞斷裂是機械零件失效的主要原因之一。據(jù)統(tǒng)計，在機 械零件失效中約有械零件失效中約有80%80%以上疲勞斷裂。而且疲勞斷裂前沒有以上疲勞斷裂。而且疲勞斷裂前沒有 明顯的塑性變形而突然發(fā)生。所以，疲勞斷裂經(jīng)常造成重明顯的塑性變形而突然發(fā)生。所以，疲勞斷裂經(jīng)

42、常造成重 大的事故。大的事故。 2021/3/2742 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金屬材料的力學(xué)性能性能 6.6.疲勞強度疲勞強度 特征特征: : （1 1）疲勞斷裂時沒有明顯的宏觀塑性變形）疲勞斷裂時沒有明顯的宏觀塑性變形, ,斷斷 裂前沒有預(yù)兆裂前沒有預(yù)兆, ,而是突然發(fā)生而是突然發(fā)生; ; （2 2）引起疲勞斷裂的應(yīng)力很低，常低于材料的）引起疲勞斷裂的應(yīng)力很低，常低于材料的 屈服強度屈服強度; ; （3 3）疲勞斷裂的斷口由兩部分組成，即疲勞裂）疲勞斷裂的斷口由兩部分組成，即疲勞裂 紋的產(chǎn)生及擴展區(qū)（光滑部分）和最后斷裂區(qū)（毛糙部紋的產(chǎn)生及擴展區(qū)（光滑部分）和最后斷裂區(qū)（毛糙部 分）。

43、分）。 （1 1）疲勞斷裂）疲勞斷裂 2021/3/2743 疲勞斷口疲勞斷口 通過通過改善材料形狀結(jié)構(gòu)改善材料形狀結(jié)構(gòu),減少表面缺陷減少表面缺陷,提高表面光潔提高表面光潔 度，進行表面強化度，進行表面強化等方法可提高材料疲勞抗力等方法可提高材料疲勞抗力. 軸的疲勞斷口軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）疲勞輝紋（掃描電鏡照片） 2021/3/2744 （2 2）疲勞強度疲勞強度 金屬材料金屬材料在在無限多次交變載荷無限多次交變載荷作用下而作用下而不破壞不破壞的的或達到或達到 規(guī)定的循環(huán)次數(shù)才斷裂的規(guī)定的循環(huán)次數(shù)才斷裂的最大應(yīng)力最大應(yīng)力稱為稱為材料的材料的疲勞強度或疲勞強度或 疲勞極限疲勞極限

44、, ,用用-1 -1表示 表示, ,單位是單位是MPaMPa。 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金屬材料的力學(xué)性能性能 電風(fēng)扇的軸（電風(fēng)扇的軸（4545鋼）受交變載荷作用鋼）受交變載荷作用, ,假如它的設(shè)計壽命假如它的設(shè)計壽命 為為1010年（工作年（工作10107 7次）次）, ,當(dāng)它以當(dāng)它以100MPa100MPa、200MPa200MPa、300MPa300MPa、 400MPa400MPa都能達到工作都能達到工作10107 7次。則電風(fēng)扇軸的疲勞強度為次。則電風(fēng)扇軸的疲勞強度為 400MPa400MPa 2021/3/2745 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金屬材料的力學(xué)性能性能 國家規(guī)定國

45、家規(guī)定: : 鋼鐵材料鋼鐵材料 經(jīng)受經(jīng)受10107 7次次交變載荷作用時交變載荷作用時, ,不產(chǎn)生斷裂不產(chǎn)生斷裂 的最大應(yīng)力作為疲勞強度的最大應(yīng)力作為疲勞強度; ; 有色金屬有色金屬 經(jīng)受經(jīng)受10108 8次次交變載荷作用時交變載荷作用時, ,不產(chǎn)生斷裂不產(chǎn)生斷裂 的最大應(yīng)力作為疲勞強度。的最大應(yīng)力作為疲勞強度。 【交流與討論交流與討論】通過學(xué)習(xí)，你認(rèn)為如何才能避免材通過學(xué)習(xí)，你認(rèn)為如何才能避免材 料疲勞斷裂料疲勞斷裂? ? （1.1.提高零件的疲勞強度。提高零件的疲勞強度。a a設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理的結(jié)構(gòu);b;b提提 高零件材料的質(zhì)量，避免損傷。高零件材料的質(zhì)量，避免損傷。2.2.嚴(yán)格執(zhí)行

46、機械使用時嚴(yán)格執(zhí)行機械使用時 間。如飛機飛行達到間。如飛機飛行達到1000010000小時、轎車使用達到小時、轎車使用達到8 8年強行年強行 退役。）退役。） 2021/3/2746 第一章第一章 金屬材料的力學(xué)金屬材料的力學(xué)性能性能 7.7.斷裂韌度（斷裂韌性）斷裂韌度（斷裂韌性） 有有的大型轉(zhuǎn)動零件、高壓容器、橋梁等的大型轉(zhuǎn)動零件、高壓容器、橋梁等, ,常在其工件應(yīng)力遠常在其工件應(yīng)力遠 低于低于S S的情況下突然發(fā)生斷裂的情況下突然發(fā)生斷裂低應(yīng)力脆性斷裂低應(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 2021/3/2747 n產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因與機件內(nèi)部存在著微裂紋和其它產(chǎn)

47、生這種現(xiàn)象的原因與機件內(nèi)部存在著微裂紋和其它 缺陷以及它們的擴展缺陷以及它們的擴展。 裂紋擴展的基本形式裂紋擴展的基本形式 n材料中存在裂紋時材料中存在裂紋時, ,在裂紋尖端就會產(chǎn)生應(yīng)力集中在裂紋尖端就會產(chǎn)生應(yīng)力集中, ,從從 而形成裂紋尖端應(yīng)力場。而形成裂紋尖端應(yīng)力場。 應(yīng)力強度因子應(yīng)力強度因子: :描述裂紋尖端附近應(yīng)力場強度的指標(biāo)。描述裂紋尖端附近應(yīng)力場強度的指標(biāo)。 aYK I Y Y為與裂紋形狀、加載為與裂紋形狀、加載 方式和試樣幾何尺寸方式和試樣幾何尺寸 有關(guān)的無量綱系數(shù)有關(guān)的無量綱系數(shù) 2021/3/2748 CCIC aYK C C為斷裂應(yīng)力為斷裂應(yīng)力, ,a aC C為臨界裂紋半長為臨界裂紋半長 nK K K KIC, IC,材料必發(fā)生裂紋失穩(wěn)擴展而脆斷。 材料必發(fā)生裂紋失穩(wěn)擴展而脆斷。 nK K K KIC IC，材料中裂紋不擴展或擴展緩慢。 材料中裂紋不擴展或擴展緩慢。 K KIC IC可通過試驗來測定，它與材料成分、熱處 可通過試驗來測定，它與材料成分、熱處 理及加工工藝等有關(guān)理及加工工藝等有關(guān) v隨應(yīng)力的增大隨應(yīng)力的增大,K,KI I不斷增大不斷增大, ,當(dāng)當(dāng)K KI I增大到某一定值時，這可增大到某一定值時，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 突然擴展，材料快速發(fā)生斷裂。突然擴展，材料