沖壓金屬材料的性能

1、第一章 材料的性能教學(xué)重點(diǎn)：材料的力學(xué)性能指標(biāo)及其物理意義；重點(diǎn)：材料的力學(xué)性能指標(biāo)及其物理意義一、彈性與剛度評(píng)價(jià)材料力學(xué)性能最簡(jiǎn)單和最有效的辦法就是測(cè)定材料的拉伸曲線(xiàn)。將標(biāo)準(zhǔn)試樣(見(jiàn)圖1-1)施加一單軸拉伸載荷，使之發(fā)生變形直至斷裂，便可得到試樣伸長(zhǎng)率 (試樣原始標(biāo)距的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距之比的百分率）隨應(yīng)力(試驗(yàn)期間任一時(shí)刻的力除以試樣原始橫截面積之商）變化的關(guān)系曲線(xiàn)，稱(chēng)為應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn),圖1-2為低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。圖1-1 圓形標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣圖1-2 低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)在應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)中，OA段為彈性變形階段，此時(shí)卸掉載荷，試樣恢復(fù)到原來(lái)尺寸。A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為材料承受最大彈性變形時(shí)的

2、應(yīng)力，稱(chēng)為彈性極限。其中OA部分為一斜直線(xiàn)，應(yīng)力與應(yīng)變呈比例關(guān)系，A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為保持這種比例關(guān)系的最大應(yīng)力，稱(chēng)為比例極限。由于大多數(shù)材料的A點(diǎn)和A點(diǎn)幾乎重合在一起，一般不作區(qū)分。在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力與伸長(zhǎng)率的比值稱(chēng)為彈性模量E。E實(shí)際上是OA線(xiàn)段的斜率：(MPa)，其物理意義是產(chǎn)生單位彈性變形時(shí)所需應(yīng)力的大小。彈性模量是材料最穩(wěn)定的性質(zhì)之一，它的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強(qiáng)化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對(duì)彈性模量的影響很小。材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力稱(chēng)為剛度，其指標(biāo)即為彈性模量?？梢酝ㄟ^(guò)增加橫截面積或改變截面形狀來(lái)提高零件的剛度。二、強(qiáng)度與塑性1

3、、強(qiáng)度材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力稱(chēng)為強(qiáng)度。根據(jù)加載方式不同，強(qiáng)度指標(biāo)有許多種，如抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度等。其中以拉伸試驗(yàn)測(cè)得的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度兩個(gè)指標(biāo)應(yīng)用最多。 屈服強(qiáng)度在圖1-2中, 應(yīng)力超過(guò)B點(diǎn)后, 材料將發(fā)生塑性變形。在BC段，塑性變形發(fā)生而力不增加，這種現(xiàn)象稱(chēng)為屈服。B點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱(chēng)為屈服強(qiáng)度（s S）。屈服強(qiáng)度反映材料抵抗永久變形的能力，是最重要的零件設(shè)計(jì)指標(biāo)之一。實(shí)際上多數(shù)材料的屈服強(qiáng)度不是很明顯的，因此規(guī)定拉伸時(shí)產(chǎn)生0.2% 殘余延伸率所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度，記為Rr0.2(s 0.2)，如圖1-3所示。(注：括弧內(nèi)為舊標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)，下

4、同） 抗拉強(qiáng)度Rm（sb）圖1-3 條件屈服強(qiáng)度的確定圖1-2中的CD段為均勻塑性變形階段。在這一階段，應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾佣黾樱a(chǎn)生應(yīng)變強(qiáng)化。變形超過(guò)D點(diǎn)后，試樣開(kāi)始發(fā)生局部塑性變形，即出現(xiàn)頸縮，隨應(yīng)變?cè)黾?，?yīng)力明顯下降，并迅速在E點(diǎn)斷裂。D點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力，稱(chēng)為抗拉強(qiáng)度Rm?？估瓘?qiáng)度反映材料抵抗斷裂破壞的能力，也是零件設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)材料的重要指標(biāo)。2、塑性塑性是指材料受力破壞前承受最大塑性變形的能力，指標(biāo)為斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。試樣被拉斷后，標(biāo)距部分的殘余伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距之比的百分率稱(chēng)為斷后伸長(zhǎng)率A(d)。()。式中，為原始標(biāo)距，為斷后標(biāo)距。試樣斷裂后，斷口處橫截面積的減

5、少值與原始橫截面積的比值稱(chēng)為斷面收縮率Z(y)。()。式中，為原始橫截面積，為斷后最小橫截面積。 顯然，A與Z值越大，材料的塑性越好。兩者相比，用Z 表示塑性比A 更接近于真實(shí)應(yīng)變。當(dāng)AZ時(shí)，試樣無(wú)頸縮，是脆性材料的表征，反之，AZ時(shí)，試樣有頸縮，是塑性材料的表征。試樣d()不變時(shí)，隨增加，A下降，只有當(dāng)為常數(shù)時(shí)，不同材料的伸長(zhǎng)率才有可比性。當(dāng)時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率用(d10) 表示，當(dāng)時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率用A()表示，很明顯，A。從拉伸曲線(xiàn)我們還可以得到材料韌性的信息，所謂材料的韌性是指材料從變形到斷裂整個(gè)過(guò)程所吸收的能量，具體地說(shuō)就是拉伸曲線(xiàn)與橫坐標(biāo)所包圍的面積。三、硬度硬度是指材料抵抗局部塑性變形的能

6、力，現(xiàn)在多用壓入法測(cè)定。根據(jù)測(cè)量方法不同，常用的硬度指標(biāo)有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等。用各種方法所測(cè)得的硬度值不能直接比較，可通過(guò)硬度對(duì)照表?yè)Q算。1、布氏硬度布氏硬度的試驗(yàn)原理如圖1-4所示。將直徑為D的鋼球或硬質(zhì)合金球，在一定載荷P的作用下壓入試樣表面，保持一定時(shí)間后卸除載荷，所施加的載荷與壓痕表面積的比值即為布氏硬度。布氏硬度值可通過(guò)測(cè)量壓痕平均直徑d查表得到。當(dāng)壓頭為鋼球時(shí),布氏硬度用符號(hào)HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金時(shí)用符號(hào)HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。符號(hào)HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷

7、及載荷保持時(shí)間。如120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為120。布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量誤差小、數(shù)據(jù)穩(wěn)定；缺點(diǎn)是壓痕大，不能用于太薄件或成品件。最常用的鋼球壓頭適于測(cè)定退火鋼、正火鋼、調(diào)質(zhì)鋼、鑄鐵及有色金屬的硬度。材料的Rm（sb）與HB之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為：對(duì)于低碳鋼：Rm（MPa）3.6HB對(duì)于高碳鋼：Rm（MPa）3.4HB對(duì)于灰鑄鐵：Rm（MPa）1HB或 Rm（MPa）0.6（HB-40）圖1-4 布氏硬度的試驗(yàn)原理2、洛氏硬度洛氏硬度的試驗(yàn)原理如圖1-5所示。在初載荷和總載荷（初載荷與主載荷之和）的先

8、后作用下，將壓頭（金剛石圓錐體或鋼球）壓入試樣表面，保持一定時(shí)間后卸除主載荷，用測(cè)量的殘余壓痕深度增量計(jì)算硬度值（為初載荷壓入的深度，為卸除主載荷后殘余壓痕的深度）。洛氏硬度用符號(hào)HR表示，根據(jù)壓頭類(lèi)型和主載荷不同，分為九個(gè)標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為A、B、C，如表1-1所示。符號(hào)HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺，如50HRC表示用C標(biāo)尺測(cè)定的洛氏硬度值為50。圖1-5 洛氏硬度的試驗(yàn)原理表1-1 常用洛氏硬度的符號(hào)、試驗(yàn)條件及應(yīng)用硬度標(biāo)尺硬度符號(hào)壓頭類(lèi)型初載荷P0/N主載荷P1/NK表盤(pán)刻度顏色硬度范圍應(yīng)用舉例AHRA金剛石圓錐98.07490.3100黑色2088碳化物、硬質(zhì)合金、表面淬火

9、鋼等BHRB1.588mm鋼球98.07882.6130紅色20100軟鋼、退火鋼、銅合金等CHRC金剛石圓錐98.071373100黑色2070淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等 實(shí)際測(cè)量時(shí)，硬度值可直接從洛氏硬度計(jì)的表盤(pán)上直接讀出。洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便、壓痕小、適用范圍廣。缺點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果分散度大。3、維氏硬度維氏硬度的試驗(yàn)原理如圖1-6所示。將頂部?jī)上鄬?duì)面具有規(guī)定角度（136°）的正四棱錐體金剛石壓頭在載荷P的作用下壓入試樣表面，保持一定時(shí)間后卸除載荷，所施加的載荷與壓痕表面積的比值即為維氏硬度。維氏硬度可通過(guò)測(cè)量壓痕對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度d查表得到。維氏硬度用符號(hào)HV表示，符號(hào)前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)

10、字按順序分別表示載荷值及載荷保持時(shí)間。如640HV30/20表示在294.2N載荷作用下保持20s測(cè)定的維氏硬度值為640。根據(jù)施加的載荷范圍不同，規(guī)定了三種維氏硬度的測(cè)定方法，如表1-2所示。圖1-6 維氏硬度的試驗(yàn)原理維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)，既可測(cè)量由極軟到極硬的材料的硬度，又能互相比較。既可測(cè)量大塊材料、表面硬化層的硬度，又可測(cè)量金相組織中不同相的硬度。表1-2 維氏硬度的測(cè)定方法(GB/T 4340.1-1999)載荷范圍/N硬度符號(hào)實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)P49.03HV5維氏硬度試驗(yàn)1.961P49.03HV0.2HV5小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)0.09807P1.961HV0.01HV0

11、.2顯微維氏硬度試驗(yàn)四、沖擊韌性許多機(jī)械零件、構(gòu)件或工具在服役時(shí)，會(huì)受到?jīng)_擊載荷的作用，如活塞銷(xiāo)、沖模和鍛模等。材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力稱(chēng)為沖擊韌性?？捎靡淮螖[錘實(shí)驗(yàn)測(cè)得沖擊吸收功（單位為J），用Ak 表示。試樣缺口處單位橫截面積上的沖擊吸收功稱(chēng)為沖擊韌性值, 用表示。沖擊試驗(yàn)所用試樣為標(biāo)準(zhǔn)夏比缺口試樣。材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)Ak值發(fā)生急劇下降的現(xiàn)象稱(chēng)為韌脆轉(zhuǎn)變，發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱(chēng)為韌脆轉(zhuǎn)變溫度，如圖1- 9所示。常在低溫下服役的船舶、橋梁等結(jié)構(gòu)材料的使用溫度應(yīng)高于其韌脆轉(zhuǎn)變溫度，如果使用溫度低于韌脆轉(zhuǎn)變溫度，則材料處于脆性狀態(tài)，可能發(fā)生低應(yīng)力脆性破壞

12、。應(yīng)當(dāng)指出的是，并非所有材料都有韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，如鋁和銅合金等就沒(méi)有韌脆轉(zhuǎn)變。圖1-9 韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線(xiàn)示意圖五、疲勞實(shí)際工作中的構(gòu)件常常是在交變載荷的作用下。所謂交變載荷是指大小或方向隨時(shí)間而變化的載荷。在這種載荷的作用下，材料常常在遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度的應(yīng)力下發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱(chēng)為疲勞。如發(fā)動(dòng)機(jī)的軸、齒輪等均受交變載荷作用。實(shí)際服役的金屬材料有90%是因?yàn)槠诙茐?。疲勞破壞是脆性破壞，它的一個(gè)重要特點(diǎn)是具有突發(fā)性，因而更具災(zāi)難性。材料承受的交變應(yīng)力與斷裂時(shí)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系可用疲勞曲線(xiàn)來(lái)描述（見(jiàn)圖1-10）。隨下降，N值增加，材料經(jīng)無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力稱(chēng)為疲勞極限。對(duì)

13、于對(duì)稱(chēng)循環(huán)交變應(yīng)力的疲勞極限用-1表示。實(shí)際當(dāng)中，作無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)的疲勞試驗(yàn)是不可能的，對(duì)于鋼鐵材料，一般規(guī)定疲勞極限對(duì)應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為107，有色金屬為108。圖1-10 疲勞曲線(xiàn)示意圖提高零件的疲勞抗力，除應(yīng)合理選材外，還應(yīng)注意其結(jié)構(gòu)形狀，避免應(yīng)力集中，減少缺陷，還可采用提高表面光潔度和表面強(qiáng)化等方法。六、斷裂韌性工程上有時(shí)會(huì)出現(xiàn)材料在遠(yuǎn)低于b的情況下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。斷裂力學(xué)認(rèn)為，材料中存在缺陷是絕對(duì)的，常見(jiàn)的缺陷是裂紋。在應(yīng)力的作用下，這些裂紋將發(fā)生擴(kuò)展，一旦擴(kuò)展失穩(wěn)，便會(huì)發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂。材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力稱(chēng)為斷裂韌性。研究表明，斷裂應(yīng)力與裂紋長(zhǎng)度2之間的關(guān)系為，因此便

14、提出一個(gè)描述裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的指標(biāo)應(yīng)力強(qiáng)度因子：（）。式中，Y是與裂紋形狀、加載方式及試樣幾何尺寸有關(guān)的系數(shù)，可查手冊(cè)得到，為名義外加應(yīng)力（MPa），為裂紋的半長(zhǎng)（m）。隨或增加或兩者同時(shí)增加，也增加，當(dāng)增大到某一定值時(shí)，裂紋便失穩(wěn)擴(kuò)展而發(fā)生斷裂。這個(gè)的臨界值就稱(chēng)作斷裂韌性，用表示，（為斷裂應(yīng)力，為臨界裂紋半長(zhǎng)）。與的關(guān)系，相同于與Rm的關(guān)系。因此與Rm一樣都是材料本身的一種力學(xué)性能指標(biāo)。七、高溫蠕變所謂高溫蠕變是指在高于0.5T熔的溫度及遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力下，材料隨加載時(shí)間的延長(zhǎng)緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象?？衫米冃瘟侩S時(shí)間變化的蠕變曲線(xiàn)來(lái)描述蠕變過(guò)程，如圖1-11所示?？梢钥闯?，蠕變

15、分為三個(gè)階段，第階段為減速蠕變階段，第階段為穩(wěn)態(tài)蠕變階段，此時(shí)變形速率恒定，第階段為加速蠕變階段。圖1-11 典型的蠕變曲線(xiàn)示意圖表征高溫結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能的基本強(qiáng)度指標(biāo)有兩個(gè)，一個(gè)是蠕變極限，即在一定溫度、一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一定變形量時(shí)的應(yīng)力，用表示，如表示在700 C°下保持1000小時(shí)變形量達(dá)到0.2%時(shí)的應(yīng)力。另一個(gè)是持久強(qiáng)度，即在一定溫度、一定時(shí)間內(nèi)發(fā)生斷裂時(shí)的應(yīng)力，用表示，如表示在700 C°下經(jīng)10000小時(shí)發(fā)生斷裂時(shí)的應(yīng)力。與高溫蠕變有關(guān)的另一重要現(xiàn)象是應(yīng)力松弛。應(yīng)力松弛是指在總變形量不變的條件下，材料應(yīng)力隨時(shí)間逐漸下降的現(xiàn)象對(duì)于在高溫下使用的彈簧和緊固件，如螺栓

16、、鉚釘?shù)?，其松弛性能是很重要的，因?yàn)樗沙趯⑹惯@些零件不同程度地喪失彈性或緊固作用。松弛除與材料有關(guān)外，還與工作應(yīng)力和工作溫度有關(guān)。金屬材料性能 為更合理使用金屬材料充分發(fā)揮其作用必須掌握各種金屬材料制成的零、構(gòu)件在正常工作情況下應(yīng)具備的性能使用性能及其在冷熱加工過(guò)程中材料應(yīng)具備的性能工藝性能。 材料的使用性能包括物理性能如比重、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性、磁性等、化學(xué)性能耐用腐蝕性、抗氧化性力學(xué)性能也叫機(jī)械性能。 材料的工藝性能指材料適應(yīng)冷、熱加工方法的能力。 一、機(jī)械性能 機(jī)械性能是指金屬材料在外力作用下所表現(xiàn)出來(lái)的特性。 1 、強(qiáng)度材料在外力載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。材料單位面積

17、受載荷稱(chēng)應(yīng)力。 2 、屈服點(diǎn) s 稱(chēng)屈服強(qiáng)度指材料在拉抻過(guò)程中材料所受應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時(shí)載荷不再增加變形卻繼續(xù)增加或產(chǎn)生 0.2%L 。時(shí)應(yīng)力值單位用牛頓 / 毫米 2 N/mm2 表示。 3 、抗拉強(qiáng)度 b 也叫強(qiáng)度極限指材料在拉斷前承受最大應(yīng)力值。單位用牛頓 / 毫米 2 N/mm2 表示。 4 、延伸率 材料在拉伸斷裂后總伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距長(zhǎng)度的百分比。 5 、斷面收縮率 材料在拉伸斷裂后、斷面最大縮小面積與原斷面積百分比。 6 、硬度指材料抵抗其它更硬物壓力其表面的能力常用硬度按其范圍測(cè)定分布氏硬度 HBS 、 HBW 和洛氏硬度 HKA 、 HKB 、 HRC 7 、沖擊韌性 Ak 材料抵抗沖擊載荷的能力單位為焦耳 / 厘米 2 J/cm2 . 二、工藝性能 指材料承受各種加工、處理的能力的那些性能。 8 、鑄造性能指金屬或合金是否適合鑄造的一些工藝性能主要包括流性能、充滿(mǎn)鑄模能力收縮性、鑄件凝固時(shí)體積收縮的能力偏析指化學(xué)成分不均性。 9 、焊接性能指金屬材料通過(guò)加熱或加熱和加壓焊接方法把兩個(gè)或兩個(gè)以上金屬材料焊接到一起接口處能滿(mǎn)足使用目的的特性。 10 、頂氣段性能指金屬材料能承