金屬材料的力學(xué)性能

1、第一章 金屬材料的力學(xué)性能（P3）n第一節(jié)：靜載荷條件下材料的力學(xué)性能n第二節(jié)：非靜載荷時(shí)材料的力學(xué)性能n第三節(jié)：金屬材料的斷裂韌度n第四節(jié)：高溫下材料的力學(xué)性能金屬材料的性能金屬材料的性能(P3)1）使用性能使用性能：在使用過(guò)程中表現(xiàn)出的性能力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能等。 力學(xué)性能力學(xué)性能（又稱機(jī)械性能）是指材料抵抗外力（載荷）作用的能力。設(shè)計(jì)零件時(shí)是由力學(xué)性能作為主要設(shè)計(jì)依據(jù)的。2 2）工藝性能）工藝性能：在各種加工過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的性能。如：鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削性能等。第一節(jié) 靜載荷條件下 材料的力學(xué)性能（P3）n靜載荷靜載荷是指對(duì)材料緩慢地施加載荷，使材料的相對(duì)變形速度較

2、小時(shí)的載荷（一般是小于0.01mm/s）。n動(dòng)載荷動(dòng)載荷（1）是指加載速度比較快，使材料的塑性變形速度也較快的沖擊載荷。（2）作用力大小與方向作周期性變化的交變載荷。一、靜拉伸試驗(yàn)及材料的強(qiáng)度與塑性（P3）標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣（GB22887）lL0試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度（mm）ld0試樣的原始直徑（mm） 長(zhǎng)試樣L0=10d0 短試樣 L0=5d0靜拉伸試驗(yàn)機(jī)原理一、靜拉伸試驗(yàn)及材料的強(qiáng)度與塑性（P3）=L/ L0L=Lk L0=F/A0 圖12低碳鋼拉伸曲線低碳鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線n彈性變形彈性變形是指當(dāng)外力解除后變形能夠全部消除恢復(fù)原狀的變形。n彈性極限彈性極限 e=Fe/A0 n物理意義物理意義材料保持完

3、全彈性變形所承受的最大應(yīng)力。表征材料對(duì)（極）微量塑性變形的抗力。（一）彈性極限和剛度一）彈性極限和剛度1 1、彈性極限、彈性極限（P4）n材料剛度材料剛度（彈性模量） E=/=tgn物理意義物理意義材料產(chǎn)生單位彈性的相對(duì)變形所需的應(yīng)力。它是表征材料抵抗彈性變形能力的力學(xué)性能指標(biāo)。（一）彈性極限和剛度一）彈性極限和剛度2 2、材料剛度、材料剛度E E（P4）n材料強(qiáng)度材料強(qiáng)度是指在外力作用下，材料抵抗變形和斷裂的能力。n屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)（屈服強(qiáng)度）： s=Fs/A0n物理意義物理意義是指材料在外力作用下開(kāi)始產(chǎn)生明顯塑性變形的最小應(yīng)力。表征材料抵抗微量塑性變形的能力。（二）材料強(qiáng)度1、屈服點(diǎn)s （P4

4、）（二）材料強(qiáng)度2、抗拉強(qiáng)度（P4）n抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 b=Fb/A0n物理意義物理意義材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力。n屈強(qiáng)比屈強(qiáng)比 s/b 材料的屈強(qiáng)比愈小，構(gòu)件的可靠性愈高。（三）材料的塑性（三）材料的塑性1 1、伸長(zhǎng)率、伸長(zhǎng)率（P5）n材料塑性材料塑性：是指材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變 形而不發(fā)生斷裂的能力。n伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率：是指試樣拉斷后其標(biāo)距長(zhǎng)度的相對(duì)伸長(zhǎng)值。定義為： n短試樣的伸長(zhǎng)率記為5（L0=5d0）n長(zhǎng)試樣的伸長(zhǎng)率記為10或（L0=10d0）n對(duì)于同一種塑性材料510 %100%100000lllllk（三）材料的塑性2、斷面收縮率（P5）n斷面收縮率斷面收縮率：是指試樣拉斷后斷口

5、處橫截面積的相對(duì)收縮值。定義為：n斷面收縮率與試樣尺寸無(wú)關(guān)；n金屬材料只有具備足夠的塑性才能承受各種變形加工。%100%1000010AAAAA二、硬度二、硬度（P6）n硬度硬度是衡量材料軟硬程度的一種力學(xué)性能指標(biāo)。是材料抵抗局部塑性變形的能力，或者說(shuō)抵抗其它硬物壓入的能力。n硬度計(jì)種類：硬度計(jì)種類：布氏硬度（HB）、 洛氏硬度（HR）、 維氏硬度（HV） n重要零件或零件的重要部位大多規(guī)定材料的硬度值。因?yàn)椋海?）硬度測(cè)量簡(jiǎn)便迅速，不需做試樣，也不需破壞試件；（2）多數(shù)金屬材料的抗拉強(qiáng)度可以根據(jù)其硬度值進(jìn)行估算。所以硬度是一個(gè)很重要的力學(xué)性能指標(biāo)。 （一）布氏硬度（HB）（P6）n設(shè)備：布氏

6、硬度計(jì)n方法：用規(guī)定直徑的淬火剛球或硬質(zhì)合金球以一定的試驗(yàn)力壓入所測(cè)材料的表面，保持規(guī)定時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，測(cè)量表面壓痕直徑，然后根據(jù)布氏硬度的定義公式計(jì)算出布氏硬度值。n其物理意義是壓痕表面上單位面積所承受的壓其物理意義是壓痕表面上單位面積所承受的壓力。力。 布氏硬度測(cè)量原理及計(jì)算（P6）AFHB 222dDDDA圖13 布氏硬度原理圖工件壓頭布氏硬度的表示方法（P7）n標(biāo)準(zhǔn)寫(xiě)法：布氏硬度值 ，布氏硬度符號(hào)，測(cè)試條件（壓頭直徑mm/試驗(yàn)力kgf/試驗(yàn)力作用時(shí)間s）。如：200HBS2.5/187.5/30n簡(jiǎn)單寫(xiě)法：200HBSn淬火剛球作壓頭HBS最大有效測(cè)量值為450HBSn硬質(zhì)合金壓頭

7、HBW最大有效測(cè)量值為650HBW （二）洛氏硬度（HR）（P7）n洛氏硬度洛氏硬度是以壓頭壓入金屬材料的壓痕深度來(lái)表征材料的硬度。n壓頭壓頭：1）錐角為120的圓錐金剛石； 2）1.588mm的淬火剛球 n壓痕的深度直接可用百分表測(cè)出來(lái)，還需另外的測(cè)量和計(jì)算，十分方便，效率高，是實(shí)際生產(chǎn)中使用最普遍的一種硬度測(cè)量方法。洛氏硬度測(cè)量原理（P7）002. 0ekHRlh為壓痕深度l金剛石壓頭 k=0.2 l剛球壓頭 k=0.26lP0為初載荷lP1為主載荷lP= P0 + P1圖14 洛氏硬度原理圖h三種洛氏硬度試驗(yàn)條件標(biāo)值標(biāo)值壓頭類型壓頭類型初載荷初載荷（kgkg）總載荷總載荷（kgkg）測(cè)試

8、范測(cè)試范圍圍應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例HRA1200金剛石圓錐10607085硬質(zhì)合金、表面淬硬層、滲碳層HRB1.588mm淬火鋼球1010025100有色金屬、退火鋼、正火鋼HRC1200金剛石圓錐101502067淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼總載荷=初載荷+主載荷（三）維氏硬度（HV）（P7）1、維氏硬度維氏硬度是一種以正四棱錐 金剛石為壓頭的硬度測(cè)量方 法。2、硬度值的定義硬度值的定義與布氏硬度相 同，即壓痕表面上單位面積 所承受的壓力。所不同的是 壓痕形狀為正四棱錐形。3、硬度值計(jì)算公式： 2102. 08544. 1dFAFHV圖15 維氏硬度原理圖n布氏硬度壓痕面積大，代表性好（準(zhǔn)確），效率低；適合測(cè)試

9、硬度較低的材料；不適合測(cè)量薄件和成品件。n洛氏硬度壓痕面積小，代表性較差，所以通常要取三點(diǎn)平均值作為測(cè)試結(jié)果；測(cè)試極為方便，是實(shí)際生產(chǎn)中最為常用的一種測(cè)試方法；一般用于較高硬度的測(cè)量。n維氏硬度非常準(zhǔn)確；從低硬度到高硬度均可測(cè)量；測(cè)試設(shè)備昂貴，科學(xué)研究用該方法較多。n各種硬度值可進(jìn)行粗略換算， 換算公式如下： 三種硬度測(cè)試方法優(yōu)缺點(diǎn)HBHV10HRC第二節(jié) 非靜載荷時(shí)材料的力學(xué)性能（P8）n靜載荷靜載荷 是指對(duì)材料緩慢地施加載荷，使材料的相對(duì)變形速度較小時(shí)的載荷（一般是小于0.01mm/s）。n非靜載荷（動(dòng)載荷）非靜載荷（動(dòng)載荷）（1）是指加載速度比較快，使材料的塑性變形速度也較快的沖擊載荷，

10、鍛床、沖床等。（2）作用力大小與方向作周期性變化的交變載荷，如軸、彈簧、齒輪等。一、沖擊韌度（P8）n沖擊韌度沖擊韌度：是指材料抵抗沖擊載荷的能力。以單位面積承受的沖擊吸收功來(lái)衡量。n計(jì)算公式：n試樣種類：尺寸： 10mm10mm55mm 無(wú)缺口V型缺口U型缺口0AAakkAk=mgHn對(duì)于一般常用鋼材來(lái)說(shuō)，沖擊吸收功越大，材料的韌性越好。n考慮到試樣被沖斷所需的沖擊吸收功，并非均勻地消耗于斷口處。所以，往往直接用沖擊吸收功來(lái)表征材料的沖擊韌度。n材料的沖擊韌度值除了取決于材料本身之外，還與環(huán)環(huán)境溫度境溫度及缺口的狀況密切相關(guān)。n沖擊韌度除了用來(lái)表征材料的韌性大小外，還用來(lái)測(cè)量韌脆轉(zhuǎn)變溫度。n

11、材料的沖擊韌度一般只作為設(shè)計(jì)的參考值。一、沖擊韌度（P9）二、疲勞強(qiáng)度（P9）n疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度：是指材料抵抗交變應(yīng)力的能力。n應(yīng)力循環(huán)對(duì)稱因數(shù)： =-1 疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度-1-1 （軸類所受到的交變彎曲應(yīng)力）n脈動(dòng)循環(huán)交變應(yīng)力 =0 疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度0 0 （齒輪齒跟受到的循環(huán) 彎曲應(yīng)力）maxmin疲勞強(qiáng)度的測(cè)試n在疲勞試驗(yàn)機(jī)上，用較多的試棒，在不同交變載荷下進(jìn)行試驗(yàn)，作出疲勞曲線。疲勞強(qiáng)度的測(cè)試(P10)材料經(jīng)交變應(yīng)力無(wú)數(shù)次循環(huán)作用而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力稱為材料的疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度。應(yīng)力循 環(huán) 次 數(shù) 圖18金屬材料的疲勞曲線示意圖疲勞強(qiáng)度的定義疲勞強(qiáng)度的定義（P10）n疲勞強(qiáng)度定義為：材

12、料經(jīng)交變應(yīng)力無(wú)數(shù)次循環(huán)作用而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。n工程上規(guī)定，對(duì)于鋼鐵材料為107次；對(duì)于有色金屬材料為108次。n材料的疲勞強(qiáng)度-1與抗拉強(qiáng)度b密切相關(guān)。對(duì)鋼來(lái)說(shuō)，其關(guān)系為-1=0.450.55b?？梢?jiàn)，材料的疲勞強(qiáng)度隨其抗拉強(qiáng)度增高而增高。n金屬材料的疲勞強(qiáng)度通常都小于屈服點(diǎn)，這說(shuō)明材料抵抗交變應(yīng)力比抵抗靜應(yīng)力的能力低。 疲勞強(qiáng)度的影響因素（P10）n疲勞強(qiáng)度的影響因素疲勞強(qiáng)度的影響因素：1）材料本身的組織結(jié)構(gòu)狀態(tài)； 2）表面粗糙度和應(yīng)力狀態(tài)。n提高零件疲勞強(qiáng)度的措施提高零件疲勞強(qiáng)度的措施： 1、改善內(nèi)部組織； 2、設(shè)計(jì)上減小應(yīng)力集中，轉(zhuǎn)接處避免銳角連接； 3、降低零件表面粗糙度； 4、強(qiáng)化表面，如表面淬火、表面滾壓、滲碳等。 n早在上世紀(jì)20年代,Griffth就提出了著名的裂紋體的脆斷強(qiáng)度理論。n第二次世界大戰(zhàn)后，廣泛使用高強(qiáng)度材料，引起了一系列的脆斷事故。而且斷裂應(yīng)力遠(yuǎn)低于s，即低應(yīng)力脆斷。n為防止低應(yīng)力脆斷，不得不對(duì)其強(qiáng)度斷裂抗力進(jìn)行研究，從而形成斷裂力學(xué)這門(mén)新學(xué)科。n根據(jù)斷裂力學(xué)的分析，裂紋的尖端前沿存在應(yīng)力集中，形成裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)，其大小可用應(yīng)力強(qiáng)度因子K1來(lái)描述：第三節(jié) 金屬材料的斷裂韌度(P10)K K1 1=Ya=Ya第四節(jié) 高溫下材料的力學(xué)性能（P11）n高壓蒸氣鍋爐、內(nèi)燃機(jī)、航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)等機(jī)器設(shè)備中的一些構(gòu)件是長(zhǎng)期在較高溫度下