金屬材料力學(xué)性能講課用

1、第一章 金屬材料的力學(xué)性能材料的性能使用性能使用性能工藝性能工藝性能力學(xué)性能力學(xué)性能物理性能物理性能化學(xué)性能化學(xué)性能鑄造性能鑄造性能鍛壓性能鍛壓性能焊接性能焊接性能切削加工性能切削加工性能使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。工藝性能：材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。工藝性能：材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。力學(xué)性能力學(xué)性能 定義：材料在外力（靜載荷、沖擊載荷材料在外力（靜載荷、沖擊載荷、交變載荷）作用下所表現(xiàn)出的特性。、交變載荷）作用下所表現(xiàn)出的特性。 主要力學(xué)性能指標(biāo)：剛度、彈性、強(qiáng)度剛度、彈性、強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度等。、塑性、硬度、沖

2、擊韌性、疲勞強(qiáng)度等。載荷按作用性質(zhì)的分類 載荷類型通常分為：靜載荷、沖擊載荷和載荷類型通常分為：靜載荷、沖擊載荷和交變載荷。交變載荷。 1、靜載荷：指大小不變或變化過程緩慢的、靜載荷：指大小不變或變化過程緩慢的、載荷。載荷。 2. 沖擊載荷：在短時(shí)間內(nèi)以較高速度作用沖擊載荷：在短時(shí)間內(nèi)以較高速度作用于零件上的載荷。于零件上的載荷。 3. 循環(huán)載荷：指大小、方向隨時(shí)間發(fā)生周循環(huán)載荷：指大小、方向隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的載荷期性變化的載荷按作用形式不同分：按作用形式不同分：變形定義與分類 1、變形：材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺、變形：材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。寸變化，稱為

3、變形。 2、分為彈性變形與塑性變形、分為彈性變形與塑性變形 外力去處后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形。外力去處后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形。 外力去處后不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。外力去處后不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。應(yīng)力與應(yīng)變應(yīng)變：單位長度上的變形量。用應(yīng)變：單位長度上的變形量。用 表示。表示。應(yīng)力：材料發(fā)生變形時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生了與外力相應(yīng)力：材料發(fā)生變形時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生了與外力相對抗的力，稱為內(nèi)力。單位面積上的內(nèi)力對抗的力，稱為內(nèi)力。單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力，用稱為應(yīng)力，用 表示。單位為表示。單位為MPa. 應(yīng)力應(yīng)力 = F/A 應(yīng)變應(yīng)變 = (L-Lo)/Lo拉伸實(shí)驗(yàn)拉伸實(shí)驗(yàn)（金屬的抗拉強(qiáng)度和塑性、剛度

4、與彈性都（金屬的抗拉強(qiáng)度和塑性、剛度與彈性都是通過拉伸試驗(yàn)測定）是通過拉伸試驗(yàn)測定）拉伸試驗(yàn)是最廣泛的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法之一拉伸試驗(yàn)是最廣泛的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法之一, 它是根據(jù)它是根據(jù)金屬材料金屬材料 室溫拉伸實(shí)驗(yàn)方法室溫拉伸實(shí)驗(yàn)方法（GB/T228-2002）在金屬材料拉伸試驗(yàn)機(jī)上）在金屬材料拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。進(jìn)行的。1. 拉伸試樣拉伸試樣2. 力力伸長曲線伸長曲線（以低碳鋼試樣為例）（以低碳鋼試樣為例）3. 脆性材料的拉伸曲線脆性材料的拉伸曲線1. 拉伸試樣（拉伸試樣（GB6397-86）長試樣：長試樣：L0=10d0短試樣：短試樣：L0=5d0 萬能材料試驗(yàn)機(jī) a) WE系列液壓式 b)

5、WDW系列電子式2. 力伸長曲線力伸長曲線拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)中得出的拉伸力與伸長量的關(guān)系曲線。中得出的拉伸力與伸長量的關(guān)系曲線。 1、oe段：段：直線、彈性變性直線、彈性變性2、es段：段：曲線、彈性變形曲線、彈性變形+塑性塑性變形變形3、s s段：段：水平線（略有波動(dòng)）明水平線（略有波動(dòng)）明顯的塑顯的塑 性變形屈服現(xiàn)象，作用的性變形屈服現(xiàn)象，作用的力基本不變，試樣連續(xù)伸長。力基本不變，試樣連續(xù)伸長。4、sb曲線：曲線：彈性變形彈性變形+均勻塑性均勻塑性變形。變形。5、b點(diǎn)：點(diǎn)：出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，即試樣出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，即試樣局部截面局部截面 明顯縮小試樣承載能力明顯縮小試樣承載能力降低，拉伸力達(dá)到最大

6、值，試樣降低，拉伸力達(dá)到最大值，試樣即將斷裂。即將斷裂。 (a)試樣 (b)伸長 (c)產(chǎn)生縮頸 (d)斷裂拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象LF0 03. 脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對比）脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對比）脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象。脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象。 主要力學(xué)性能指標(biāo)：主要力學(xué)性能指標(biāo)： 剛度、彈性、強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌剛度、彈性、強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度等。性、疲勞強(qiáng)度等。1 1剛度與彈性剛度與彈性 材料在受力時(shí)發(fā)生可恢復(fù)變形的性質(zhì)叫材料在受力時(shí)發(fā)生可恢復(fù)變形的性質(zhì)叫彈彈性性，材料抵抗彈性變形的能力稱為，材料抵抗彈

7、性變形的能力稱為剛度剛度，它表，它表示材料變形的難易程度。示材料變形的難易程度。 1、彈性模量：、彈性模量：材料在彈性范圍內(nèi)服從胡克定律：材料在彈性范圍內(nèi)服從胡克定律： EE即：即：E Etana ,tana ,就是彈性模量越大，彈性變形越不容就是彈性模量越大，彈性變形越不容易進(jìn)行，易進(jìn)行，E E 越大，剛度越大，即特定外形尺寸的零越大，剛度越大，即特定外形尺寸的零件和構(gòu)件保持原有形狀和尺寸的能力也越大。件和構(gòu)件保持原有形狀和尺寸的能力也越大。 2、彈性極限：、彈性極限： 材料產(chǎn)生完全彈性變形時(shí)所能承受的最大材料產(chǎn)生完全彈性變形時(shí)所能承受的最大應(yīng)力值稱為彈性極限。應(yīng)力值稱為彈性極限。 eF F

8、e e/S/So o So為試樣的原始截面面積為試樣的原始截面面積 ；Fe試樣完全彈試樣完全彈性變形時(shí)承受的載荷，性變形時(shí)承受的載荷，N。2 2強(qiáng)強(qiáng) 度度條件屈服強(qiáng)度:0.2=F 0.2/S0 （MPa） 材料在靜載荷作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。材料在靜載荷作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。工程上常以工程上常以屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度和和抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度作為強(qiáng)度指標(biāo)。作為強(qiáng)度指標(biāo)。（1 1） 屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度（S） 指材料在外力作用下，產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力。指材料在外力作用下，產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力。它表征了材料抵抗微量塑性變形的能力。它表征了材料抵抗微量塑性變形的能力。 S S =Fs/S =F

9、s/S0 0 （MPaMPa）屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 是塑性材料選材和評定的依據(jù)。是塑性材料選材和評定的依據(jù)。 b =Fb/S0 （MPa）（2 2）抗拉強(qiáng)度）抗拉強(qiáng)度（b ） 抗拉強(qiáng)度是材料在拉斷前承受最大載荷時(shí)的應(yīng)力。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。它表征了材料在拉伸條件下所能承受的最大應(yīng)力。S So o為試樣原始截面面積；為試樣原始截面面積；F Fb b為試樣拉斷前承為試樣拉斷前承受的最大載荷，受的最大載荷，N N。抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 是脆性材料選材的依據(jù)。是脆性材料選材的依據(jù)。 強(qiáng)度的意義強(qiáng)度的意義 強(qiáng)度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能

10、力，一般鋼材的屈服強(qiáng)度在2001000MPa 之間。 強(qiáng)度越高，表明材料在工作時(shí)越可以承受較高的載荷。當(dāng)載荷一定時(shí)，選用高強(qiáng)度的材料，可以減小構(gòu)件或零件的尺寸，從而減小其自重。 因此，提高材料的強(qiáng)度是材料科學(xué)中的重要課題，稱之為材料的強(qiáng)化。思考強(qiáng)度與剛度的區(qū)別？強(qiáng)度與剛度的區(qū)別： 1）強(qiáng)度是指某種材料抵抗破壞的能力，即材料破壞時(shí)所需要的應(yīng)力。一般只是針對材料而言的。它的大小與材料本身的性質(zhì)及受力形式有關(guān)。如某種材料的抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度是指這種材料在單位面積上能承受的最大拉力、剪力，與材料的形狀無關(guān)。 2）剛度指某種構(gòu)件或結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力，即引起單位變形時(shí)所需要的應(yīng)力。一般是針對構(gòu)件或結(jié)構(gòu)而言

11、的。它的大小不僅與材料本身的性質(zhì)有關(guān)，而且與構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的截面和形狀有關(guān)。 強(qiáng)度是抵抗塑性變形的能力,剛度是表示材料發(fā)生彈性變形的難易程度 二、塑性二、塑性 在外力作用下金屬材料在斷裂前產(chǎn)生不可逆永在外力作用下金屬材料在斷裂前產(chǎn)生不可逆永久變形的能力久變形的能力 常用的塑性判據(jù)常用的塑性判據(jù)： 拉伸時(shí)的拉伸時(shí)的斷后伸長率斷后伸長率和和斷面收縮率斷面收縮率1、斷后伸長率由于同一材料用不同長度的試樣測得的斷后伸長率由于同一材料用不同長度的試樣測得的斷后伸長率數(shù)值不數(shù)值不同，因此應(yīng)注明試樣尺寸比例。如同，因此應(yīng)注明試樣尺寸比例。如: 10試樣試樣 L0=10d0 5 試樣試樣 L0=5d010100%

12、oLLL試樣拉斷后的標(biāo)距（mm）1L oL 試樣原始標(biāo)距（mm）2、斷面收縮率010100%SSL試樣斷裂后縮頸處的最小橫截面積（mm2）1S oS 試樣原始截面積（mm2） . 塑性對材料的意義塑性對材料的意義:1.是金屬材料進(jìn)行壓力加工的必要條件是金屬材料進(jìn)行壓力加工的必要條件;2.提高安全性提高安全性:因?yàn)榱慵诠ぷ鲿r(shí)萬一超因?yàn)榱慵诠ぷ鲿r(shí)萬一超載，也會由于塑性變形使材料強(qiáng)化而避載，也會由于塑性變形使材料強(qiáng)化而避免突然斷裂免突然斷裂 強(qiáng)度與塑性是一對相互矛盾的性能指標(biāo)。在金屬材料的工程應(yīng)用中，要提高強(qiáng)度，就要犧牲一部分塑性。反之，要改善塑性，就必須犧牲一部分強(qiáng)度。 正所謂“魚和熊掌二者不

13、能兼得”。但通過細(xì)化金屬材料的顯微組織，可以同時(shí)提高材料的強(qiáng)度和塑性。通常情況下金屬的伸長率不超過90% ，而有些金屬及其合金在某些特定的條件下，最大伸長率可高達(dá)1000%2000% ，個(gè)別的可達(dá)6000% ，這種現(xiàn)象稱為超塑性。由于超塑性狀態(tài)具有異常高的塑性，極小的流動(dòng)應(yīng)力，極大的活性及擴(kuò)散能力，在壓力加工、熱處理、焊接、鑄造、甚至切削加工等很多領(lǐng)域被中應(yīng)用。了解知識 GB/T 228-2002新標(biāo)準(zhǔn) GB/T 228-1987舊標(biāo)準(zhǔn)名稱符號名稱符號屈服強(qiáng)度屈服點(diǎn)s上屈服強(qiáng)度ReH上屈服點(diǎn)sU下屈服強(qiáng)度ReL下屈服點(diǎn)sL規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度Rr規(guī)定殘余延伸應(yīng)力r抗拉強(qiáng)度Rm抗拉強(qiáng)度b斷后伸長率A

14、或A11.3斷后伸長率5或10斷面收縮率Z斷面收縮率斷后伸長率斷后伸長率 10% 屬塑性材料屬塑性材料長試樣：10 簡寫為簡寫為短試樣：5 三、硬三、硬 度度硬度：硬度：硬度試驗(yàn)方法硬度試驗(yàn)方法:壓入法壓入法 它是材料性能的一個(gè)綜合的物理量。它是材料性能的一個(gè)綜合的物理量。(表示金屬材料在一個(gè)小的體積范圍內(nèi)金屬表示金屬材料在一個(gè)小的體積范圍內(nèi)金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力）或劃痕的能力）硬度是各種零件和工具必須具備的力學(xué)性能硬度是各種零件和工具必須具備的力學(xué)性能指標(biāo)。指標(biāo)。布氏硬度（布氏硬度（HB）洛氏硬度（洛氏硬度（HR）維氏硬度

15、（維氏硬度（HV） 硬度反映的是材料抵抗表面局部塑性變形的硬度反映的是材料抵抗表面局部塑性變形的能力。能力。 以下為壓入法測量方法：以下為壓入法測量方法：一、布氏硬度1、測定原理布氏硬度計(jì)布氏硬度計(jì) 原理原理: :用一定直徑的球體（淬用一定直徑的球體（淬火鋼球或硬質(zhì)合金球）以相應(yīng)的火鋼球或硬質(zhì)合金球）以相應(yīng)的試驗(yàn)力壓入待測材料表面，保持試驗(yàn)力壓入待測材料表面，保持規(guī)定時(shí)間并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后卸除規(guī)定時(shí)間并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后卸除試驗(yàn)力，測量材料表面試驗(yàn)力，測量材料表面壓痕直徑壓痕直徑，以計(jì)算硬度的一種壓痕硬度試驗(yàn)以計(jì)算硬度的一種壓痕硬度試驗(yàn)方法。方法。布氏硬度試驗(yàn)布氏硬度試驗(yàn)（布氏硬度計(jì)）布氏硬度試驗(yàn)原

16、理圖)/()(2102. 0102. 0)(222mmNdDDDFSFWHBS壓2、計(jì)算公式HBS：淬火鋼球作壓頭；適用于450HBSHBW：硬質(zhì)合金球作壓頭；適用于650HBW *布氏硬度一般不用計(jì)算，而是用專用的放大鏡測出壓痕直徑 d, 再從專門的表中查出相應(yīng)的布氏硬度值。試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測的材料不同，球直徑、試驗(yàn)力及試試驗(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)間按表驗(yàn)力保持時(shí)間按表1-1選擇選擇材料材料種類種類布氏硬度范布氏硬度范圍圍HBSHBS（HBWHBW）試樣厚試樣厚度度/mm/mm0.1020.102球的直球的直徑徑/mm/mm試驗(yàn)力試驗(yàn)力F/KNF/KN（k k g

17、 f)g f)試驗(yàn)力試驗(yàn)力保持時(shí)保持時(shí)間間/s/s鋼、鋼、鑄鐵鑄鐵140-450140-4506 63 34 42 222303010.010.05.05.02.52.529.42(3000)29.42(3000)7.355(750)7.355(750)1.839(187.5)1.839(187.5)1212140666 63 3101010.010.05.05.09.807(1000)9.807(1000)2.452(250)2.452(250)1212非鐵非鐵金屬金屬1301306 63 34 42 22662.52.510.010.02.452(250)2.452(250)6060表表1

18、-1 布氏硬度試驗(yàn)規(guī)范布氏硬度試驗(yàn)規(guī)范3、表示方法XXX HBS(W) XX / XXX / XX硬度值壓頭直徑（mm）試驗(yàn)力保持 時(shí)間（s）500HBW5/750*例：表示用直徑5mm硬質(zhì)合金球在7355N試驗(yàn)力作用下保持1015s測得的布氏硬度值為500120HBS10/1000/30表示用直徑10mm鋼球壓頭在9807N試驗(yàn)力作用下保持30s測得的布氏硬度值為120習(xí)慣上布氏硬度值不標(biāo)出試驗(yàn)規(guī)范，如 170HBS。 4、適用范圍常用于測小于450HBS的原材料或零件毛坯的硬度，不能測淬火鋼件的硬度。優(yōu)點(diǎn)：測值重復(fù)優(yōu)點(diǎn)：測值重復(fù)性強(qiáng)、測量結(jié)果性強(qiáng)、測量結(jié)果準(zhǔn)確準(zhǔn)確缺點(diǎn)：壓痕大，不缺點(diǎn)：壓痕

19、大，不適合成品檢驗(yàn)適合成品檢驗(yàn)二、洛氏硬度測定原理 原理原理: : 用金剛石圓錐或淬火鋼球，在試驗(yàn)力的作用金剛石圓錐或淬火鋼球，在試驗(yàn)力的作用下壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，用用下壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，用測量的殘余壓痕深度增量來計(jì)算硬度的一種壓痕硬測量的殘余壓痕深度增量來計(jì)算硬度的一種壓痕硬度試驗(yàn)。度試驗(yàn)。 2 2、洛氏硬度值、洛氏硬度值 用測量的殘余壓痕深度表示。實(shí)用測量的殘余壓痕深度表示。實(shí)際測試時(shí)，可從表盤上直接讀出。際測試時(shí)，可從表盤上直接讀出。如：如：50HRC50HRC 1 1、洛氏硬度試驗(yàn)、洛氏硬度試驗(yàn)（洛氏硬度計(jì)）硬度硬度符號符號壓頭類壓頭類型型總實(shí)總實(shí)

20、驗(yàn)力驗(yàn)力F/N 硬度值有效范圍硬度值有效范圍應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍HRA金剛石金剛石圓錐體圓錐體58870 08585適用于測量硬質(zhì)合金、表面淬硬適用于測量硬質(zhì)合金、表面淬硬層或滲碳層層或滲碳層HRB直徑為直徑為1.588mm鋼鋼球球98025100100適用于測量非鐵金屬適用于測量非鐵金屬,退火、退火、正正火鋼等火鋼等HRC金剛石金剛石圓錐體圓錐體1470206767適用于調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等適用于調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測的材料不同，壓頭的類型、試驗(yàn)力及按表試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測的材料不同，壓頭的類型、試驗(yàn)力及按表1-2選擇，對應(yīng)的洛氏硬度標(biāo)尺為選擇，對應(yīng)的洛氏硬度標(biāo)尺為HRA、HRB、HRC三種三

21、種表表1-2 常用的三種洛氏硬度的試驗(yàn)條件及應(yīng)用范圍常用的三種洛氏硬度的試驗(yàn)條件及應(yīng)用范圍2、符號002. 0hkHR3、表示方法：硬度值+HR52HRC：表示C 標(biāo)尺測量的洛氏洛氏硬度值為52。70HRA例：洛氏硬度洛氏硬度HRC可以可以用于硬度很高的材料用于硬度很高的材料，在鋼件熱處理質(zhì)量，在鋼件熱處理質(zhì)量檢查中應(yīng)用最多。檢查中應(yīng)用最多。4、適用范圍優(yōu)點(diǎn)：測量迅速簡便，壓痕小，可在成品零件上檢測 。4 4、測量范圍、測量范圍 用于測量用于測量淬火鋼、硬質(zhì)合金淬火鋼、硬質(zhì)合金等材料等材料. .A,B,C表示標(biāo)尺，其中C 標(biāo)尺用 的最廣泛。三、維氏硬度1、測定原理用一定的試驗(yàn)力F，將頂角為13

22、60的金剛石四棱錐壓入金屬表面，保持一定時(shí)間后卸去試驗(yàn)力，然后測出壓痕對角線長度d1、d2（mm），并求出壓痕對角線的平均值d。 2 2、維氏硬度值、維氏硬度值 用壓痕對角線長度表示。用壓痕對角線長度表示。如：如：640HV640HV。 4 4、測量范圍、測量范圍 常用于測薄件、鍍層、化學(xué)熱處理后的表層等。常用于測薄件、鍍層、化學(xué)熱處理后的表層等。3 3、優(yōu)缺點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)（1 1）測量準(zhǔn)確，應(yīng)用范圍廣（硬度從極軟到極硬）測量準(zhǔn)確，應(yīng)用范圍廣（硬度從極軟到極硬）（2 2）可測成品與薄件可測成品與薄件（3 3）試樣表面要求高，費(fèi)工。試樣表面要求高，費(fèi)工。四、沖擊韌性 剛度、彈性、強(qiáng)度、塑性、硬度等力

23、學(xué)性能指標(biāo)都是材料在靜載荷作用下的表現(xiàn)。 材料在工作時(shí)還經(jīng)常受到動(dòng)載荷的作用，沖擊載荷就是常見的一種。 在設(shè)計(jì)和制造受沖擊載荷的零件和工具（如鍛錘、沖床、鉚釘槍等）時(shí)，必須考慮所用材料除具有足夠的靜載荷作用下得力學(xué)性能指標(biāo)外，還必須具有足夠的抵抗沖擊載荷的能力。 1、沖擊載荷與靜載荷的主要區(qū)別在于加載時(shí)間短、加載速率高、應(yīng)力集中。由于加載速率提高，金屬形變速率也隨之增加。 2、沖擊載荷對材料的作用效果或破壞效應(yīng)大于靜載荷。 3、 材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力，稱為沖擊韌性。 示例：玻璃在沖擊載荷作用下非常容易破裂，說明其沖擊韌性很低。沖擊載荷的幾點(diǎn)特點(diǎn): 1、沖擊載荷與靜載荷的主要區(qū)別在

24、于加載時(shí)間短、加載速率高、應(yīng)力集中。由于加載速率提高，金屬形變速率也隨之增加。 2、沖擊載荷對材料的作用效果或破壞效應(yīng)大于靜載荷。 3、 材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力，稱為沖擊韌性。 示例：玻璃在沖擊載荷作用下非常容易破裂，說明其沖擊韌性很低。沖擊載荷的幾點(diǎn)特點(diǎn): 1、沖擊載荷與靜載荷的主要區(qū)別在于加載時(shí)間短、加載速率高、應(yīng)力集中。由于加載速率提高，金屬形變速率也隨之增加。 2、沖擊載荷對材料的作用效果或破壞效應(yīng)大于靜載荷。 3、 材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力，稱為沖擊韌性。 示例：玻璃在沖擊載荷作用下非常容易破裂，說明其沖擊韌性很低。沖擊載荷的幾點(diǎn)特點(diǎn): 1、沖擊載荷與靜載荷的主

25、要區(qū)別在于加載時(shí)間短、加載速率高、應(yīng)力集中。由于加載速率提高，金屬形變速率也隨之增加。 2、沖擊載荷對材料的作用效果或破壞效應(yīng)大于靜載荷。 3、 材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力，稱為沖擊韌性。 示例：玻璃在沖擊載荷作用下非常容易破裂，說明其沖擊韌性很低。1、沖擊試驗(yàn) 沖擊試樣 沖擊試驗(yàn)原理 一次擺錘沖擊試驗(yàn) 沖擊韌性的表示方法原理 沖擊韌性可以通過一次擺錘沖擊試驗(yàn)來測定，試驗(yàn)時(shí)將帶有U型或V型缺口的沖擊試樣放在試驗(yàn)機(jī)架的支座上，將擺錘升至高度H1，使其具有勢能mgH1；然后使擺錘由此高度自由下落將試樣沖斷，并向另一方向升高至H2，這時(shí)擺錘的勢能為mgH2。 所以，擺錘用于沖斷試樣的能量 A

26、K=mg（H1-H2），即為沖擊功（焦耳/J）。擺錘式一次沖擊試驗(yàn) 如不能制備標(biāo)準(zhǔn)試佯，可采用寬度7.5mm或5mm等小尺寸試祥,試樣的其他尺寸及公差與相應(yīng)缺口的標(biāo)準(zhǔn)試樣相同，缺口應(yīng)開在試樣的窄面上。其中5mm10mm55mm試樣常用于薄板材料的檢驗(yàn)。 焊接接頭沖擊試樣的形狀和尺寸與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)試樣相同，但其缺口軸線應(yīng)當(dāng)垂直焊縫表面。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。將質(zhì)量為m的擺錘安放到規(guī)定的高度的擺錘安放到規(guī)定的高度H，然后下落，將試樣，然后下落，將試樣打斷，并擺過支點(diǎn)升到某一高度打斷，并擺過支點(diǎn)升到某一高

27、度h，試樣在沖擊試驗(yàn)力一次作，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用下，折斷時(shí)所吸收的功為沖擊吸收功為Ak。1、試樣沖斷時(shí)所消耗的、試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功沖擊功A k為為: A k = m g H m g h (J)2、沖擊韌度沖擊韌度a k AK a k = (J/cm) Sk沖擊吸收功和沖擊韌度就是試樣缺口處單位截面積上就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。所消耗的沖擊功。沖擊吸收功 Ak 作為材料韌性判據(jù)，與溫度、試樣形狀、尺寸、表面粗糙度、內(nèi)部組織和缺陷有關(guān)。1.沖擊韌度對材料內(nèi)部缺陷反映很敏感沖擊韌度對材料內(nèi)部缺陷反映很敏感能夠靈敏地顯示材料的宏觀缺陷和組

28、織微小變化，因此在生產(chǎn)中可用來檢驗(yàn)材料的冶金質(zhì)量,熱加工質(zhì)量沖擊韌度對材料的意義:2.沖擊韌度隨溫度下降越?jīng)_擊韌度隨溫度下降越來越低來越低冷脆現(xiàn)象冷脆現(xiàn)象 在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以下，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，說明低溫沖擊性能越好 2.材料沖擊韌性的表示方法 國標(biāo)GB/T2291994 沖擊功吸收功：表征金屬材料沖擊韌性高低的指標(biāo)是沖擊功吸收功，也就是材料在斷裂前所吸收的能量。 根據(jù)試樣缺口的不同，沖擊吸收功用AKV和AKU表示，單位為焦耳，數(shù)值可從試驗(yàn)機(jī)的刻度盤上讀出。 2.材料沖擊韌性的表示方法 國標(biāo)GB/T2292007 沖擊吸收能量：表征金屬材料沖擊韌性高低的指標(biāo)是

29、沖擊吸收能量; Kmg（H1-H2）2.材料沖擊韌性的表示方法 按照國標(biāo)GB/T2292007，U型缺口試樣和V型缺口試樣的沖擊能量分別表示為KU和KV，并用下標(biāo)數(shù)字2或8表示擺錘刀刃半徑，如KU2 ，其單位是焦耳（J）。 沖擊吸收能量的大小直接由試驗(yàn)機(jī)的刻度盤上直接讀出。 沖擊吸收能量的值越大，材料的韌性越大，越可以承受較大的沖擊載荷。 沖擊吸收能量K或沖擊韌性值K越大，材料的韌性越大，越可以承受較大的沖擊載荷。一般把沖擊吸收能量低的材料稱為脆性材料，沖擊吸收能量高的材料稱為韌性材料?！拘≠Y料】小資料】GB/T 2292007與GB/T 2291994相比，在金屬?zèng)_擊韌性的名稱和符號等方面有

30、較大變化，為方便讀者學(xué)習(xí)，將關(guān)于金屬材料沖擊韌性的新、舊標(biāo)準(zhǔn)名稱和符號對照列于下表中。新標(biāo)準(zhǔn)GB/T2292007舊標(biāo)準(zhǔn)GB/T2291994名稱符號名稱符號沖擊吸收能量K沖擊吸收功AKU型缺口試樣在2mm錘刃下的沖擊吸收能量KU 2U型缺口沖擊吸收功(2mm錘刃)AKUU型缺口試樣在8mm錘刃下的沖擊吸收能量KU 8V型缺口試樣在2mm錘刃下的沖擊吸收能量KV 2V型缺口沖擊吸收功(2mm錘刃)AKVV型缺口試樣在2mm錘刃下的沖擊吸收能量KV 8轉(zhuǎn)變溫度Tt韌脆轉(zhuǎn)變溫度TC 缺口沖擊試驗(yàn)最大的優(yōu)點(diǎn)就是測量迅速簡便 用于控制材料的冶金質(zhì)量和鑄造、鍛造、焊接及熱處理等熱加工工藝的質(zhì)量。 用來評

31、定材料的冷脆傾向（測定韌脆轉(zhuǎn)變溫度）。設(shè)計(jì)時(shí)要求機(jī)件的服役溫度高于材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。 3.沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用3.沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用 缺口沖擊試驗(yàn)由于其本身反映一次或少數(shù)次大能量沖擊破斷抗力，因此對某些特殊shu服役條件下的零件，如彈殼、裝甲板、石油射孔槍等，有一定的參考價(jià)值。 通過一次擺錘沖擊試驗(yàn)測定的沖擊吸收吸收能量K是一個(gè)由強(qiáng)度和塑性共同決定的綜合性力學(xué)性能指標(biāo)，不能直接用于零件和構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算，但它是一個(gè)重要參考，所以將材料的沖擊韌性列為金屬材料的常規(guī)力學(xué)性能，ReL(Rr0.2)、Rm、A、Z和K被稱為金屬材料常規(guī)力學(xué)性能的五大指標(biāo)。低溫脆性隨溫度降低，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的現(xiàn)象 。

32、冷脆：材料因溫度降低導(dǎo)致沖擊韌性的急劇下降并引起脆性破壞的現(xiàn)象。 對壓力容器、橋梁、汽車、船舶的影響較大。 沖擊韌性與溫度有密切的關(guān)系，溫度降低，沖擊韌性隨之降低。當(dāng)?shù)陀谀骋粶囟葧r(shí)材料的韌性急劇下降，材料將由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。這一溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度（ Tt ）。 轉(zhuǎn)變溫度（ Tt ）越低，表明材料的低溫韌性越好，對于在寒冷地區(qū)使用的材料要十分重要。 金屬材料的成分對韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響很大，一般的碳素鋼，其韌脆轉(zhuǎn)變溫度（ Tt ）大約為-20，某些合金鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度（ Tt ）可達(dá)-40以下。TITANIC建造中的建造中的Titanic 號號TITANIC的沉沒的沉沒與船體材料的質(zhì)量與船體

33、材料的質(zhì)量直接有關(guān)直接有關(guān)1912年4月號稱永不沉沒的泰坦尼克號（Titanic）首航沉沒于冰海，成了20世紀(jì)令人難以忘懷的悲慘海難。20世紀(jì)80年代后，材料科學(xué)家通過對打撈上來的泰坦尼克號船板進(jìn)行研究，回答了80年的未解之謎。由于Titanic 號采用了含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。所以，當(dāng)船在冰水中撞擊冰山時(shí)，脆性船板使船體產(chǎn)生很長的裂紋，海水大量涌入使船迅速沉沒。下圖中左面的試樣取自海底的Titanic號，沖擊試樣是典型的脆性斷口，右面的是近代船用鋼板的沖擊試樣。4.4.提高提高沖擊韌性的途徑?jīng)_擊韌性的途徑 沖擊韌性是一個(gè)對材料組織結(jié)構(gòu)相當(dāng)敏感的量，所以提高材料的沖擊韌性的

34、途徑有： 1 改變材料的成分，如加入釩、鈦、鋁、氮等元素，通過細(xì)化晶粒來提高其韌性，尤其是低溫韌性； 2、提高材料的冶金質(zhì)量，減少偏析、夾渣、 氣泡等缺陷；五、疲勞強(qiáng)度 想想 一一 想想想想 一一 想想人工作久了就會感到疲勞，難道金屬工作久了也會疲勞嗎？金屬的疲勞能得到恢復(fù)嗎？金屬材料在受到交變應(yīng)力或重復(fù)循環(huán)應(yīng)力時(shí)，往往在工作應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度的情況下突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。五、疲勞強(qiáng)度 1998年6月3日，德國發(fā)生了戰(zhàn)后最慘重的一起鐵路交通事故。一列高速列車脫軌，造成100多人遇難。 事故的原因已經(jīng)查清，是因?yàn)橐还?jié)車廂的車輪“內(nèi)部疲勞斷裂”引起的。首先是一個(gè)車輪的輪箍gu發(fā)生斷裂，導(dǎo)致車輪

35、脫軌，進(jìn)而造成車廂橫擺，此時(shí)列車正好過橋，橫擺的車廂以其巨大的力量將橋墩撞斷，造成橋梁坍塌，壓住了通過的列車車廂，并使已通過橋洞的車頭及前5節(jié)車廂斷開，而后面的幾節(jié)車廂則在巨大慣性的推動(dòng)下接二連三地撞在坍塌的橋體上，從而導(dǎo)致了這場近50年來德國最慘重的鐵路事故。1.變動(dòng)載荷和循環(huán)應(yīng)力變動(dòng)載荷和循環(huán)應(yīng)力 1.變動(dòng)載荷 引起疲勞破壞的外力，指載荷大小、甚至方向均隨時(shí)間變化的載荷，其在單位面積上的平均值即為變動(dòng)應(yīng)力。 變動(dòng)應(yīng)力可分為規(guī)則周期變動(dòng)應(yīng)力(也稱循環(huán)應(yīng)力)和無規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力兩種。金屬疲勞產(chǎn)生的原因a)應(yīng)力大小變化 b)c）應(yīng)力大小和方向都變化 d) 應(yīng)力大小和方向無規(guī)則變化 1.平均應(yīng)力平均應(yīng)力2.應(yīng)力幅應(yīng)力幅2