金屬材料性能論文金屬材料的論文

1、精品文檔船電 101李偉聰 09何碧樞 11關(guān)于 “金屬材料的力學(xué)性能”的論文金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能是指金屬材料在外力作用下抵抗變形或破壞的能力，如強(qiáng)度、硬度、彈性、塑性、韌性等。這些性能是化工設(shè)備設(shè)計(jì)中材料選擇及計(jì)算時(shí)決定許用應(yīng)力的依據(jù)。強(qiáng)度材料的強(qiáng)度是指材料抵抗外加載荷而不致失效破壞的能力.一般來(lái)講， 材料強(qiáng)度僅指材料在達(dá)到允許的變形程度或斷裂前所能承受的最大應(yīng)力，像彈性極限、屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、疲勞極限和蠕變極限等。材料在常溫下的強(qiáng)度指標(biāo)有屈服強(qiáng)度和抗拉（壓）強(qiáng)度。屈服強(qiáng)度表示材料抵抗開始產(chǎn)生大量塑性變形的應(yīng)力。 抗拉強(qiáng)度表示材料抵抗外力而不致斷裂的最大應(yīng)力。 在工程上，不僅

2、需要材料的屈服強(qiáng)度高，而且還需要考慮屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值（屈強(qiáng)比） ，根據(jù)不同的設(shè)備要求，其比值應(yīng)適當(dāng)。 屈強(qiáng)比較小材料制造的零件具有較高的安全可靠性，因?yàn)樵诠ぷ鲿r(shí)萬(wàn)一超載， 也能由于塑性變形使金屬的強(qiáng)度提高而不致立刻斷裂。但如果屈強(qiáng)比太低，則材料強(qiáng)度的利用率會(huì)降低。因此，過(guò)大、過(guò)小的屈強(qiáng)比都是不適宜的。在化工煉油設(shè)備中，很多零部件是長(zhǎng)期在高溫下工作的，對(duì)于制造這些零部件的金屬材料的屈服限 ss、抗拉強(qiáng)度限 sb 都會(huì)發(fā)生顯著變化，必須考慮溫度對(duì)力學(xué)性能的影響。通常隨著溫度升高，金屬的強(qiáng)度降低而塑性增加。另外，金屬材料在高溫長(zhǎng)期工作時(shí)，在一定應(yīng)力下，會(huì)隨著時(shí)間.精品文檔的延長(zhǎng)緩慢地不斷發(fā)生

3、塑性變化的現(xiàn)象，稱為“蠕變”現(xiàn)象。例如，高溫高壓蒸汽管道雖然其承受的應(yīng)力遠(yuǎn)小于工作溫度下材料的屈服點(diǎn)，但在長(zhǎng)期的使用中則會(huì)產(chǎn)生緩慢而連續(xù)的變形使管徑日趨增大，最后可能導(dǎo)致破裂。材料在高溫條件下抵抗這種緩慢塑性變形的能力，用蠕變極限sn 表示。蠕變極限是指試樣在一定溫度下和在規(guī)定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生的蠕變變形量（總的或殘余的）或第階段的蠕變速度等于某規(guī)定值時(shí)的最大應(yīng)力。對(duì)于長(zhǎng)期承受交變應(yīng)力作用的金屬材料，還有考慮“疲勞破壞”。所謂“疲勞破壞”是指金屬材料在小于屈服強(qiáng)度極限的循環(huán)載荷長(zhǎng)期作用下發(fā)生破壞的現(xiàn)象。疲勞斷裂與靜載荷下斷裂不同，無(wú)論在靜載荷下顯示脆性或韌性的材料，在疲勞斷裂時(shí)，都不產(chǎn)生明顯的

4、塑性變形，斷裂是突然發(fā)生的，因此具有很大的危險(xiǎn)性，常常造成嚴(yán)重的事故。金屬材料在循環(huán)應(yīng)力下，經(jīng)受無(wú)限次循環(huán)而不發(fā)生破壞的最大應(yīng)力稱為“疲勞強(qiáng)度”，以sr（見（a）式）表示，稱為應(yīng)力循環(huán)系數(shù)或應(yīng)力比，在對(duì)稱循環(huán)時(shí)， (r=-1 ）表示。對(duì)于一般鋼材，以106107 次不被破壞的應(yīng)力，作為疲勞強(qiáng)度。 硬度 硬度是指固體材料對(duì)外界物體機(jī)械作用（如壓陷、刻劃）的局部抵抗能力。它是由采用不同的試驗(yàn)方法來(lái)表征不同的抗力。硬度不是金屬獨(dú)立的基本性能， 而是反映材料彈性、 強(qiáng)度與塑性等的綜合性能指標(biāo)。在工程技術(shù)中應(yīng)用最多的是壓入硬度， 常用的指標(biāo)有布氏硬度 (HB) 、洛氏硬度 (HRC、 HRB) 和維氏硬

5、度 (HV) 等。所得到的硬度值的大小實(shí)質(zhì)上是表示金屬表面抵抗壓入物體 (鋼球或錐體 )所引起局部塑性變形的抗力大小。 一般情況下，硬度高的材料強(qiáng)度高，耐磨性能較好，而切削加工性.精品文檔能較差。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，大部分金屬的硬度和強(qiáng)度之間有如下近似關(guān)系：低碳鋼sb 0.36 HB高碳鋼sb 0.34 HB灰鑄鐵sb0.1 HB因而可用硬度近似地估計(jì)抗拉強(qiáng)度。塑性材料的塑性是指材料受力時(shí)，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)屈服點(diǎn)后，能產(chǎn)生顯著的變形而不即行斷裂的性質(zhì)。 工程上以延伸率d 和斷面收縮率y 作為衡量金屬靜載荷下塑性變形能力的指標(biāo)。1 延伸率（ d） 延伸率主要反映材料均勻變形的能力。它以試件拉斷后， 總伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度

6、與原始長(zhǎng)度的比值百分率 d（%）來(lái)表示。（ 2-1）（ 2-1） 式中 l- 試件斷裂后的標(biāo)距長(zhǎng)度， mm2； l0- 試件原始的標(biāo)距長(zhǎng)度， mm2； l- 斷裂后試件的絕對(duì)伸長(zhǎng)量， mm2。延伸率的大小與試件尺寸有關(guān)，為了便于進(jìn)行比較，須將試件標(biāo)準(zhǔn)化?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)采用的拉伸試樣有：長(zhǎng)圓試樣用l0/d0=10（d0 為試樣直徑）、短圓試樣用 l0/d0=5 ，分別在延伸率下標(biāo)以d10 和 d5 來(lái)表示。2 斷面收縮率y 斷面收縮率主要反映材料局部變形的能力。它以試件拉斷后，斷面縮小的面積與原始截面面積比值的百分率y.精品文檔（%）來(lái)表示。（ 2-2）式中 A- 試件斷裂后的最小截面積，mm2；A0-

7、 試件的原始截面積，mm2。斷面收縮率的大小與試件尺寸無(wú)關(guān)。它不是一個(gè)表征材料固有性能的指標(biāo)，但它對(duì)材料的組織變化比較敏感，尤其對(duì)鋼的氫脆以及材料的缺口比較敏感。材料的延伸率與斷面收縮率值愈大，材料塑性愈好。塑性指標(biāo)在化工設(shè)備設(shè)計(jì)中具有重要意義，有良好的塑性才能進(jìn)行成型加工，如彎卷和沖壓等； 良好的塑性性能可使設(shè)備在使用中產(chǎn)生塑性變形而避免發(fā)生突然的斷裂。承受靜載荷的容器及零件，其制作材料都應(yīng)具有一定塑性，一般要求 d510 20。過(guò)高的塑性常常會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度降低。 沖擊韌性=V對(duì)于承受波動(dòng)或沖擊載荷的零件及在低溫條件下使用的設(shè)備， 其材料性能僅考慮以上幾種指標(biāo)是不夠的，必須考慮抗沖擊性能。材料的

8、抗沖擊能力常以使其破壞所消耗的功或吸收的能除以試件的截面面積來(lái)衡量， 稱為材料的沖擊韌度，以 ak 表示，單位 J/cm2。韌性可理解為材料在外加動(dòng)載荷突然襲擊時(shí)的一種及時(shí)并迅速塑性變形的能力。韌性高的材料一般都有較高的塑性指標(biāo)，但塑性指標(biāo)較高的材料，卻不一定具有較高的韌性，原因是在靜載下能夠緩慢塑性變形的材料，在動(dòng)載下不一定能迅速地塑性變形。因此，沖擊值的高低，決定于材料有無(wú)迅速塑性變形的能力。由于 ak 值在低溫時(shí)會(huì)有不同程度的下降，故在化工設(shè)備中，低溫容器.精品文檔所用鋼板， ak 值不得低于 30 J/cm2?！敖饘俚牧W(xué)性能 ”是“金屬材料與熱處理基礎(chǔ) ”教學(xué)單元中的重要內(nèi)容 ,在“

9、金屬的力學(xué)性能 ”教學(xué)單元中涉及的實(shí)驗(yàn)較多 ,教材通過(guò)各種試驗(yàn)機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別說(shuō)明各力學(xué)性能指標(biāo)的測(cè)定 .一、巧設(shè)演示 ,引出概念恰當(dāng)?shù)恼n堂演示可以把一些深?yuàn)W難懂的問(wèn)題直觀地反映出來(lái) ,通過(guò)感性認(rèn)識(shí)加深對(duì)知識(shí)的理解 ,從而達(dá)到深入淺出的教學(xué)效果。例如 ,講述 “強(qiáng)度 ”“韌性 ”的概念時(shí) ,可以分別做以下演示實(shí)驗(yàn)。演示 1 取一段 100mm 長(zhǎng) 0.6mm 的細(xì)鐵絲和 100mm 長(zhǎng) 0.9mm 的焊錫絲 ,徒手對(duì)拉 ,錫絲很容易拉斷而細(xì)鐵絲拉不斷。說(shuō)明細(xì)鐵絲在拉力 (靜載荷 )作用下更難斷裂 ,即抵抗能力更強(qiáng)。 由此引出“強(qiáng)度 ”的概念 ,可以容易理解。演示 2 用手指輕彈橡皮泥和粉筆 ,

10、結(jié)果是橡皮泥產(chǎn)生了彎曲但并沒(méi)有斷裂 ,粉筆立即斷成兩截飛出。說(shuō)明在沖擊載荷的作用下粉筆的抵抗能力更弱,由此引出 “沖擊韌性 ”的概念。這樣就能從感受中理解概念。再如 ,在講到材料的硬度時(shí),可用一簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)求證課本知識(shí):找一把小刀切削橡皮擦和鉛筆。 小刀可以輕而易舉地切削橡皮擦 ,而切削鉛筆卻要花較大的力氣。 說(shuō)明橡皮擦的硬度低 ,而鉛筆的硬度高。 在講到材料硬度的測(cè)定方法時(shí) ,我準(zhǔn)備了一塊橡皮泥、一塊橡皮擦、一塊和一把小刀 ,先將橡皮泥和橡皮擦放到一位同學(xué)的手中 ,要求判斷其硬度 ,說(shuō)明判斷方法 ;再將小石塊和小木塊放到同學(xué)的手中 ,要求判斷其硬度 ,并說(shuō)明判斷方法。所以.精品文檔根據(jù)生活常識(shí)

11、很自然得出如下結(jié)論 :前者用手捏 (壓痕法 )得出橡皮擦更硬 , 后者用小刀劃 (劃痕法 )得出石塊更硬。接下來(lái)再講授 “布氏硬度測(cè)量法 ”等相關(guān)內(nèi)容時(shí) ,便不難理解了。事實(shí)證明 ,這種簡(jiǎn)單的演示實(shí)驗(yàn) ,對(duì)幫助我們理解和掌握概念能起到很好的作用。通過(guò)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn) ,不僅可以使我們具備一定的感性認(rèn)識(shí)。 更重要地是使進(jìn)一步理解物理概念和定理是怎樣在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上建立起來(lái)的 ,從而有效地幫助我們形成概念 ,導(dǎo)出規(guī)律 ,掌握理論 ,正確而深刻地領(lǐng)會(huì)物理知識(shí) .二、引導(dǎo)設(shè)計(jì)測(cè)試方法,并付諸實(shí)驗(yàn)過(guò)程注重 “動(dòng)手優(yōu)先 ”,重點(diǎn)放在精心組織實(shí)際操作的過(guò)程中 ,不僅表現(xiàn)在引導(dǎo)我們積極參與操作上 ,而且表現(xiàn)在操作之前所進(jìn)

12、行的實(shí)驗(yàn)構(gòu)思和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上 ,以及實(shí)驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的總結(jié)升華等方面。通過(guò)在 “真實(shí) ”環(huán)境下的 “做中學(xué)、做中教、實(shí)踐中教理論”,讓我們學(xué)起來(lái),提高我們的學(xué)習(xí)興趣和樂(lè)趣 ,增強(qiáng)學(xué)習(xí)成效 ,這符合職業(yè)教育的特性與中職生的認(rèn)知特點(diǎn)。例如拉伸試驗(yàn) ,可以引導(dǎo)做以下簡(jiǎn)易分組實(shí)驗(yàn) :將同學(xué)們分組 ,每組 4 人。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?:觀察拉伸過(guò)程中的強(qiáng)化、縮頸、斷裂等現(xiàn)象 ,并測(cè)定斷后長(zhǎng)度和斷面直徑。實(shí)驗(yàn)試樣 :長(zhǎng) 50mm0.9mm 的焊錫絲若干 ,長(zhǎng) 50mm0.6m m 的細(xì)鐵絲若干。實(shí)驗(yàn)工具 :每組游標(biāo)卡尺 1 把,老虎鉗 2 把。實(shí)驗(yàn)過(guò)程 :.精品文檔第一步 :用老虎鉗分別夾緊細(xì)鐵絲的兩端(墊紙 ),兩手對(duì)拉直到把鐵絲拉斷 ,觀察鐵絲粗細(xì)和長(zhǎng)度的變化。第二步 :用老虎鉗分別夾緊焊錫絲的兩端(墊紙 ),兩手對(duì)拉直到把錫絲拉斷 ,觀察錫絲粗細(xì)和長(zhǎng)度的變化。第三步 :通過(guò)測(cè)量可知 ,細(xì)鐵絲的斷后長(zhǎng)度為 60mm( 伸長(zhǎng) 10mm) 、細(xì)鐵絲的斷口直徑為 0.45mm; 焊錫絲的斷后長(zhǎng)度為 54.5mm( 伸長(zhǎng) 4.5mm) 、焊錫絲的斷口直徑為 0.6mm 。通過(guò)設(shè)計(jì)以上實(shí)驗(yàn)生對(duì)于拉伸過(guò)程的強(qiáng)化、縮頸、斷裂等現(xiàn)象