第一章金屬材料的機械(力學(xué))(2)新匯總

1、包括兩方面材料材料使用性能使用性能材料材料工藝性能工藝性能力學(xué)性能力學(xué)性能（強度、塑性、韌性等）強度、塑性、韌性等）物理性能物理性能（光、熱、電、磁等）（光、熱、電、磁等）化學(xué)性能化學(xué)性能（氧化、腐蝕等）（氧化、腐蝕等）生物性能（生物性能（相容性、自恢復(fù)性等）相容性、自恢復(fù)性等）加工性能加工性能（切削、鍛造等）（切削、鍛造等）鑄造性能鑄造性能（適合鑄造與否）（適合鑄造與否）焊接性能焊接性能（容易焊接與否）（容易焊接與否）熱處理性能熱處理性能（可熱處理強化）（可熱處理強化） 機械工程材料的常用性能機械工程材料的常用性能l第一章第一章 金屬材料的機械（力學(xué)）性能金屬材料的機械（力學(xué)）性能l材料的性

2、能包括材料的性能包括 :l 使用性能使用性能 ( 力學(xué)性能、物理、化學(xué)性能力學(xué)性能、物理、化學(xué)性能)l 工藝性能工藝性能 ( 鑄造性、可鍛性、切削加工性鑄造性、可鍛性、切削加工性)l力學(xué)性能力學(xué)性能 ( 機械性能機械性能 )l _ 材料在載荷材料在載荷 (外力或能量外力或能量) 以及環(huán)境因素作用下表現(xiàn)出以及環(huán)境因素作用下表現(xiàn)出l 的變形和破斷的特性。的變形和破斷的特性。l 材料受外力作用時，將會產(chǎn)生變形和破壞。其過程一般是：材料受外力作用時，將會產(chǎn)生變形和破壞。其過程一般是：彈性變形彈性變形 塑性變形塑性變形斷裂。斷裂。彈性變形彈性變形是外力去除后能夠自行恢復(fù)的變形。是外力去除后能夠自行恢復(fù)的

3、變形。塑性變形塑性變形是是外力去除后不能完全自動恢復(fù)而保留下來的變形，又稱永久變形外力去除后不能完全自動恢復(fù)而保留下來的變形，又稱永久變形 。l1-1 1-1 靜載時材料的機械性能靜載時材料的機械性能l一、靜拉伸試驗一、靜拉伸試驗l 各種性能指標(biāo)含義、單位、及影響因素。各種性能指標(biāo)含義、單位、及影響因素。 l1. 1. 應(yīng)力應(yīng)力- -應(yīng)變應(yīng)變 曲線曲線（分為四階段）：（分為四階段）： l 彈性變形彈性變形 l 屈服變形屈服變形 l 均勻塑性變形階段均勻塑性變形階段 l 局部集中塑性變形局部集中塑性變形 l 頸縮頸縮 拉伸試樣拉伸試樣拉伸試驗機拉伸試驗機* 拉伸試樣：長試樣：L0=10d0短試樣

4、：L0=5d0d0L0 0拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象力力伸長曲線伸長曲線FesbkLFsFbO屈服屈服彈彈性性變變形形縮頸縮頸斷裂斷裂塑塑性性變變形形bse彈性變形彈性變形彈性變形、彈性變形、塑性變形塑性變形非線性彈非線性彈性變形性變形l2. 2. 強度強度 l 材料抵抗變形、斷裂的能力，材料抵抗變形、斷裂的能力，l 單位單位 MN/mMN/m2 2 ( MPa ( MPa ）l 屈服強度屈服強度s s l 材料開始明顯塑性變形的抗力材料開始明顯塑性變形的抗力, , 是設(shè)計是設(shè)計l 和選材的主要依據(jù)之一。和選材的主要依據(jù)之一。l s s = = F Fs / s / A Ao o 工

5、業(yè)上的屈服強度規(guī)定產(chǎn)生工業(yè)上的屈服強度規(guī)定產(chǎn)生0.2%0.2%變形時應(yīng)力值變形時應(yīng)力值 為屈服強度為屈服強度. . 即即: : s s = = 0.20.2 l 抗拉強度抗拉強度b b ( ( 質(zhì)量控制指標(biāo)質(zhì)量控制指標(biāo) ) )l 抗拉強度是指試樣拉斷前所承受的最大拉應(yīng)力，抗拉強度是指試樣拉斷前所承受的最大拉應(yīng)力，l 用用 符號符號bb表示。是零件設(shè)計的重要依據(jù)表示。是零件設(shè)計的重要依據(jù), ,也是也是l 評定金屬材料質(zhì)量的重要指標(biāo)。評定金屬材料質(zhì)量的重要指標(biāo)。 b b = = F Fb / b / A Ao ol 鑄鐵、陶瓷、復(fù)合材料等脆性材料鑄鐵、陶瓷、復(fù)合材料等脆性材料l b b = = s

6、 s l 中、高碳鋼等無明顯屈服現(xiàn)象中、高碳鋼等無明顯屈服現(xiàn)象. .l 比強度比強度b b /d /d 玻璃鋼玻璃鋼 d = 2.0, d = 2.0, l b b = 1060MN/m = 1060MN/m2 2， 為鋁的三倍。為鋁的三倍。l3. 塑性塑性 、 塑性是材料在靜載荷作用下產(chǎn)生變形而不破壞的能力。塑性是材料在靜載荷作用下產(chǎn)生變形而不破壞的能力。 評定材料塑性的指標(biāo)是斷后伸長率和斷面收縮率。評定材料塑性的指標(biāo)是斷后伸長率和斷面收縮率。 塑性直接影響到零件的成形及使用。塑性好的材料，不僅能塑性直接影響到零件的成形及使用。塑性好的材料，不僅能順利地進行軋制、鍛壓等成形工藝，而且在使用中

7、萬一超截，由順利地進行軋制、鍛壓等成形工藝，而且在使用中萬一超截，由于變形而能避免突然斷裂。所以大多數(shù)機械零件除要求具有較高于變形而能避免突然斷裂。所以大多數(shù)機械零件除要求具有較高的強度外，還必須有一定的塑性。一般情況，伸長率達的強度外，還必須有一定的塑性。一般情況，伸長率達5 5或斷面或斷面收縮率達收縮率達1010的材料，即可滿足大多數(shù)零件的使用要求。的材料，即可滿足大多數(shù)零件的使用要求。 、是表示材料塑性好壞的指標(biāo)。是表示材料塑性好壞的指標(biāo)。 塑性好的材料易加工、使用時不易突然斷裂。塑性好的材料易加工、使用時不易突然斷裂。(1)斷面收縮率斷面收縮率(percentage reduction

8、 in area): 是指試樣拉斷處橫截面積是指試樣拉斷處橫截面積A1 的收縮量與原始橫截面積的收縮量與原始橫截面積A0之比。之比。 A0 A1 = 100% A0(2)伸長率伸長率(延伸率延伸率) specific elongation: 是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長量是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長量L k與與原始標(biāo)距原始標(biāo)距L 0之比。之比。 L k L 0 = 100% L 0 10% 屬塑性材料屬塑性材料 二二.硬度硬度( hardness ):是指材料抵抗其他是指材料抵抗其他 硬物體壓入其表面的能力。硬物體壓入其表面的能力。 布氏硬度布氏硬度HB 洛氏硬度洛氏硬度HR 維氏硬度維氏硬度HV 肖

9、氏硬度肖氏硬度HS銼刀法銼刀法常用測量硬度的方法常用測量硬度的方法l硬度硬度 l 硬度是指材料抵抗局部變形，特別是塑性變硬度是指材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力，是衡量材料軟硬的判據(jù)，是一形、壓痕或劃痕的能力，是衡量材料軟硬的判據(jù)，是一個綜合的物理量。是工業(yè)上質(zhì)量檢驗、工藝設(shè)計最常用個綜合的物理量。是工業(yè)上質(zhì)量檢驗、工藝設(shè)計最常用的試驗方法。材料的硬度越高，耐磨性越好，故常將硬的試驗方法。材料的硬度越高，耐磨性越好，故常將硬度值作為衡量材料耐磨性的重要指標(biāo)之一。抵抗外物壓度值作為衡量材料耐磨性的重要指標(biāo)之一。抵抗外物壓入的能力入的能力 。l 硬度的應(yīng)用：硬度的應(yīng)用：l 檢驗產(chǎn)

10、品質(zhì)量檢驗產(chǎn)品質(zhì)量l 衡量刀具、軸承等軟硬程度和耐磨性衡量刀具、軸承等軟硬程度和耐磨性 l 可換算為強度極限可換算為強度極限 l1 1布氏硬度布氏硬度 l 用直徑為用直徑為D D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球，以相應(yīng)的試驗力的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球，以相應(yīng)的試驗力F F壓入試樣表面，保持規(guī)定的時間后卸除試驗力，在試樣表面留下壓入試樣表面，保持規(guī)定的時間后卸除試驗力，在試樣表面留下球形壓痕，如左圖所示。球形壓痕，如左圖所示。l 布氏硬度值用球面壓痕單位面積上布氏硬度值用球面壓痕單位面積上l所承受的平均壓力表示。用淬火鋼球作所承受的平均壓力表示。用淬火鋼球作l壓頭時，布氏硬度用符號壓頭時，布氏硬度用符號“H

11、BSHBS”表示表示; ;用用l硬質(zhì)合金球作壓頭，布氏硬度用符號硬質(zhì)合金球作壓頭，布氏硬度用符號“HBWHBW”表示。表示。l 布氏硬度適用于未淬火的鋼、鑄鐵、有色金屬或軟質(zhì)的軸承布氏硬度適用于未淬火的鋼、鑄鐵、有色金屬或軟質(zhì)的軸承合金。合金。 l壓頭：壓頭：淬火鋼球淬火鋼球 HBSHBS硬質(zhì)合金鋼球硬質(zhì)合金鋼球 HBWHBW布氏硬度計布氏硬度計 l HB = F/S HB = F/S （ MPa MPa 或或 kgf/mmkgf/mm2 2 ） ，l F F 施加的載荷施加的載荷l S S 壓頭表面積壓頭表面積 l l 特點特點： l 平均、重復(fù)性好；平均、重復(fù)性好；l 壓痕面積大，不適合于

12、成品檢驗；壓痕面積大，不適合于成品檢驗；l HBS - HBS - 鋼球壓頭（鋼球壓頭（450450）；）；l HBW - HBW - 硬質(zhì)合金鋼球壓頭（硬質(zhì)合金鋼球壓頭（450450） 表示方法：表示方法：符號符號HBS或或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號之前的數(shù)字表示硬度值，符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。如如: :120HBS10/1000/30表示表示直徑為直徑為10mm的鋼球的鋼球在在1000kgf（9.807kN）載荷載荷作用下作用下保持保持30s測得的測得的布氏硬度值為布氏硬度值為120。h1-h0洛

13、氏硬度測試示意圖洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計洛氏硬度計10HRCHBSl洛氏硬度洛氏硬度 洛氏硬度是以頂角為洛氏硬度是以頂角為120120的金剛石圓錐體或直徑為的金剛石圓錐體或直徑為1.5881.588的淬火鋼球作壓頭，以規(guī)定的試驗力使其壓入試的淬火鋼球作壓頭，以規(guī)定的試驗力使其壓入試樣表面。試驗時，先加初試驗力，然后加主試驗力。壓入樣表面。試驗時，先加初試驗力，然后加主試驗力。壓入試樣表面之后卸除主試驗力，在保留初試驗力的情況下，試樣表面之后卸除主試驗力，在保留初試驗力的情況下，根據(jù)試樣表面壓痕深度，確定被測金屬材料的洛氏硬度值。根據(jù)試樣表面壓痕深度，確定被測金屬材料的洛氏硬度值。 優(yōu)點：操

14、作簡便、可直接讀數(shù)。優(yōu)點：操作簡便、可直接讀數(shù)。 壓痕??；適于各種硬度值的測量；壓痕??；適于各種硬度值的測量； 是目前工廠應(yīng)用最為廣泛的試驗方法。是目前工廠應(yīng)用最為廣泛的試驗方法。 缺點：重復(fù)率低缺點：重復(fù)率低 HRHR （120120金剛石圓錐體壓頭或金剛石圓錐體壓頭或1.588mm1.588mm的鋼球）的鋼球）l HRBHRB（鋼球壓頭，（鋼球壓頭，100kg100kg載荷）載荷）l 測量未淬火鋼，有色金屬。測量未淬火鋼，有色金屬。 l HRCHRC（圓錐壓頭，（圓錐壓頭，150kg150kg載荷）載荷）l 測量調(diào)質(zhì)鋼、淬硬鋼制品。測量調(diào)質(zhì)鋼、淬硬鋼制品。 l HRA（圓錐壓頭，（圓錐壓頭

15、，60kg載荷）載荷）l 測量硬、薄試件、硬質(zhì)合金。測量硬、薄試件、硬質(zhì)合金。l 表面洛氏硬度（表面洛氏硬度（HR15N HR30N HR45NHR15N HR30N HR45N）鋼球壓頭鋼球壓頭與金剛石與金剛石壓頭壓頭洛氏硬度壓痕洛氏硬度壓痕適用范圍適用范圍: 測量薄板類測量薄板類 ; HVHBS ;用壓痕兩對角線的平均長度來計算。H V=F/Saadl維氏硬度（維氏硬度（HVHV） l 金剛石正四棱錐壓頭，精確，但操作復(fù)雜，金剛石正四棱錐壓頭，精確，但操作復(fù)雜，l 用于科學(xué)試驗。用于科學(xué)試驗。 l 壓力可選壓力可選5 5120kg120kg間的特定值；適于各種間的特定值；適于各種l 硬度值

16、的測量；壓痕小，可測表面硬化層、硬度值的測量；壓痕小，可測表面硬化層、l 薄片零件。薄片零件。 工工 件件254mm2.5ghl5顯微硬度（顯微硬度（HM）l壓力小于壓力小于10kg的的HV，可測組成相的硬度。，可測組成相的硬度。小負(fù)荷維氏小負(fù)荷維氏硬度計硬度計顯微維氏硬度顯微維氏硬度計計l一組硬度差為一組硬度差為5HRC的銼刀。例如的銼刀。例如: 10HRC、15HRC、20HRC等。等。HRA、HRB、HRC分別測得的硬度，不可直接比較大小例如：例如： 50HRC70HRA 50HRC40HRC 50HRB40HRC l硬度之間互換的關(guān)系硬度之間互換的關(guān)系：l 200 600HBS時時：

17、10HRc HBSl硬度小于硬度小于450HBS時時： HBS HVl1-2 1-2 動載時材料的機械性能動載時材料的機械性能一、沖擊韌性一、沖擊韌性（impact toughnessimpact toughness）l 材料抵抗沖擊載荷的能力材料抵抗沖擊載荷的能力 l a akuku = = 沖擊破壞所消耗的功沖擊破壞所消耗的功 A Ak k / / 試樣斷口截面積試樣斷口截面積 F F l ( J/cm ( J/cm2 2 或或 MJ/mMJ/m2 2 ) ) l A Ak k變形功及斷裂功（變形功及斷裂功（ J J ） l 影響因素影響因素 ：材料、：材料、T T、試樣大小、缺口形狀等。

18、、試樣大小、缺口形狀等。 l 應(yīng)用應(yīng)用 汽車緊急制動；蒸汽錘；沖床等動載荷。汽車緊急制動；蒸汽錘；沖床等動載荷。 l 脆性材料脆性材料 斷裂前無明顯變形，斷口呈結(jié)晶狀，有金屬光澤。斷裂前無明顯變形，斷口呈結(jié)晶狀，有金屬光澤。 l 韌性材料韌性材料 斷裂前明顯塑變，斷口呈灰色纖維狀，無光澤。斷裂前明顯塑變，斷口呈灰色纖維狀，無光澤。 材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。沖擊試驗機沖擊試驗機沖擊試樣和沖擊試驗示意圖沖擊試樣和沖擊試驗示意圖試樣沖斷時所消耗的試樣沖斷時所消耗的沖擊功沖擊功A k為為: A k = m g H m g h (J) 沖擊韌性值沖擊韌性值

19、a k 就是試樣缺口處單位就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。截面積上所消耗的沖擊功。 AK a k = (J/cm) S0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)量與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)直接有關(guān)Titanic近代船用鋼板近代船用鋼板l二、二、疲勞強度疲勞強度( fatigue strength ): 疲勞疲勞：材料在交變應(yīng)力作用下，在遠(yuǎn)小于強度極限，：材料在交變應(yīng)力作用下，在遠(yuǎn)小于強度極限，l 甚至小于屈服極限的應(yīng)力下發(fā)生斷裂。甚至小于屈服極限的應(yīng)力下發(fā)生斷裂。 l 疲勞占失效零件的疲勞占失效零件的70%70%以上，以上，80%80%的斷裂由疲勞造

20、成。的斷裂由疲勞造成。 疲勞極限疲勞極限：表示材料經(jīng)無數(shù)次交變載荷作用而不致引表示材料經(jīng)無數(shù)次交變載荷作用而不致引 起斷裂的最大應(yīng)力值。起斷裂的最大應(yīng)力值。 對稱彎曲疲勞強度對稱彎曲疲勞強度-1-1 l 疲勞原因疲勞原因 劃痕、內(nèi)應(yīng)力集中引起微裂紋展劃痕、內(nèi)應(yīng)力集中引起微裂紋展 l 影響因素影響因素：循環(huán)應(yīng)力特征、溫度、材料成分和組織、：循環(huán)應(yīng)力特征、溫度、材料成分和組織、l 夾雜物、表面狀態(tài)、殘余應(yīng)力等。夾雜物、表面狀態(tài)、殘余應(yīng)力等。 l 陶瓷、高分子材料的疲勞抗力很低；陶瓷、高分子材料的疲勞抗力很低； l 金屬材料，纖維增強復(fù)合材料疲勞強度較高。金屬材料，纖維增強復(fù)合材料疲勞強度較高。 鋼

21、材的循環(huán)次數(shù)鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取一般取 N = 107有色金屬的循環(huán)次數(shù)有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取一般取 N = 108鋼材的鋼材的疲勞強度疲勞強度與與抗拉強度抗拉強度之間的關(guān)系之間的關(guān)系: -1 = (0.45 (0.450.55)0.55) b疲勞斷口的特點疲勞斷口的特點l疲勞源區(qū)和疲勞裂紋擴展區(qū)的微觀形貌疲勞源區(qū)和疲勞裂紋擴展區(qū)的微觀形貌一個疲一個疲勞源勞源兩個疲兩個疲勞源勞源微裂紋微裂紋疲勞疲勞條紋條紋疲疲勞勞源源區(qū)區(qū)疲疲勞勞裂裂紋紋擴擴展展區(qū)區(qū)本節(jié)中本節(jié)中所講的所講的材料的材料的力學(xué)性力學(xué)性能指標(biāo)能指標(biāo)及應(yīng)用及應(yīng)用剛度剛度：在設(shè)計中，考慮構(gòu)件在受在設(shè)計中，考慮構(gòu)件在受力時發(fā)生的彈性變形

22、量，需要用力時發(fā)生的彈性變形量，需要用剛度。主要力學(xué)性能是材料的彈剛度。主要力學(xué)性能是材料的彈性模量。如鏜床的鏜桿、齒輪軸性模量。如鏜床的鏜桿、齒輪軸等等彈性指標(biāo)彈性指標(biāo)：彈性極限和彈性模彈性極限和彈性模量是設(shè)計彈性零件考慮的性能指量是設(shè)計彈性零件考慮的性能指標(biāo)。如汽車板簧和各類彈簧等標(biāo)。如汽車板簧和各類彈簧等強度和塑性指標(biāo)強度和塑性指標(biāo)：屈服強度屈服強度和塑性用于一般零件的抗斷裂設(shè)和塑性用于一般零件的抗斷裂設(shè)計。計。硬度硬度：在耐磨零件中必須考慮的在耐磨零件中必須考慮的性能指標(biāo)。如滾珠軸承、活塞環(huán)性能指標(biāo)。如滾珠軸承、活塞環(huán)等等. 1-3 1-3 高溫下的機械性能高溫下的機械性能 溫度升高溫

23、度升高 硬度、強度、彈性模量下降；塑性、韌性硬度、強度、彈性模量下降；塑性、韌性 增加。增加。 蠕變?nèi)渥?常溫下工作的有機材料，隨時間的延長，應(yīng)變量常溫下工作的有機材料，隨時間的延長，應(yīng)變量 緩慢增加，甚至發(fā)生斷裂。緩慢增加，甚至發(fā)生斷裂。 1-4 1-4 斷裂韌性斷裂韌性 K KICIC 低應(yīng)力脆斷低應(yīng)力脆斷 應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服強度時發(fā)生突然脆性應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服強度時發(fā)生突然脆性 斷裂斷裂 機理機理 微裂紋、缺陷、應(yīng)力集中微裂紋、缺陷、應(yīng)力集中 裂紋擴展裂紋擴展 失穩(wěn)擴展失穩(wěn)擴展 。 斷裂韌性斷裂韌性 裂紋失穩(wěn)擴展抗力裂紋失穩(wěn)擴展抗力 影響因素影響因素 成分、熱處理、加工工藝。成分、熱處理、加工工

24、藝。 低應(yīng)力脆斷：低應(yīng)力脆斷： 有些零件在工作應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于屈服點時就會發(fā)生有些零件在工作應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于屈服點時就會發(fā)生 脆性斷裂脆性斷裂.這種現(xiàn)象稱為低應(yīng)力脆斷這種現(xiàn)象稱為低應(yīng)力脆斷 。 如如1943.1.161943.1.16日日, , 美國美國T-2T-2型油船停泊在裝貨碼頭時沿甲型油船停泊在裝貨碼頭時沿甲板擴展板擴展, ,斷成兩半斷成兩半, ,計算的甲板應(yīng)力為計算的甲板應(yīng)力為7kg/mm2.7kg/mm2.破壞是突然發(fā)破壞是突然發(fā)生的生的, , 當(dāng)時海面平靜當(dāng)時海面平靜, ,天氣溫和天氣溫和, ,其計算的甲板應(yīng)力只有其計算的甲板應(yīng)力只有 7.0kg/mm27.0kg/mm2，遠(yuǎn)低于，遠(yuǎn)低于b(30-40kg/mm2)b(30-40kg/mm2)。 1-5 1-5 工藝性能工藝性能是力學(xué)性能、物理化學(xué)性能的綜合是力學(xué)性能、物理化學(xué)性能的綜合l 鑄造性鑄造性：包括流動性、收縮性、熱裂傾向性、偏析等包括流動性、收縮性、熱裂傾向性、偏析等。l 鍛造性鍛造性：包括可鍛性、冷墩性、沖壓性、鍛后冷卻要求等包括可鍛性、冷墩性、沖壓性、鍛后冷卻要求等l 碳鋼的可鍛性：低碳鋼碳鋼的可鍛性：低碳鋼 中碳鋼中碳鋼 高碳鋼高碳鋼l 低合金鋼的可鍛性近似于中碳鋼；高合金鋼的低合金鋼的可鍛性近似于中碳鋼；高