模塊一：金屬材料力學(xué)性能及測(cè)試

1、課程教學(xué)模塊一：金屬材料力學(xué)性能與測(cè)試課程教學(xué)模塊一：金屬材料力學(xué)性能與測(cè)試 教學(xué)重點(diǎn)：教學(xué)重點(diǎn)： 強(qiáng)度、逆性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度等概念及其表示方法強(qiáng)度、逆性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度等概念及其表示方法 和工程意義。和工程意義。 教學(xué)難點(diǎn)：教學(xué)難點(diǎn)： 沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度的理解。沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度的理解。強(qiáng)度不足引起螺栓的過量塑性變形 螺栓韌性斷裂與脆性斷裂的比較螺栓韌性斷裂與脆性斷裂的比較課題一材料的強(qiáng)度和塑性本課題重點(diǎn)與難點(diǎn)本課題重點(diǎn)與難點(diǎn) 教學(xué)重點(diǎn)：教學(xué)重點(diǎn)： 1、金屬工藝學(xué)課程的教學(xué)目標(biāo)和方法，機(jī)械制造過程；、金屬工藝學(xué)課程的教學(xué)目標(biāo)和方法，機(jī)械制造過程；2、準(zhǔn)確理解力學(xué)性能、強(qiáng)度、塑性有

2、關(guān)名次概念，拉伸曲、準(zhǔn)確理解力學(xué)性能、強(qiáng)度、塑性有關(guān)名次概念，拉伸曲線，強(qiáng)度、塑性指標(biāo)的表示方法和市永范圍。線，強(qiáng)度、塑性指標(biāo)的表示方法和市永范圍。 教學(xué)難點(diǎn)：教學(xué)難點(diǎn)：1、機(jī)械產(chǎn)品的制造過程；、機(jī)械產(chǎn)品的制造過程；2、拉伸曲線與條件屈服強(qiáng)度。、拉伸曲線與條件屈服強(qiáng)度。一、材料的強(qiáng)度一、材料的強(qiáng)度 強(qiáng)度是指金屬材料抵抗塑性變形（永久變形）和斷裂的能強(qiáng)度是指金屬材料抵抗塑性變形（永久變形）和斷裂的能力。抵抗塑性變形和斷裂的能力越大，則強(qiáng)度越高。力。抵抗塑性變形和斷裂的能力越大，則強(qiáng)度越高。1、拉伸試樣、拉伸試樣2、拉伸曲線、拉伸曲線 下圖是低碳鋼的力下圖是低碳鋼的力-伸長曲線，圖中縱坐標(biāo)表示力拉

3、伸力伸長曲線，圖中縱坐標(biāo)表示力拉伸力F，單位為，單位為N；橫坐標(biāo)表示絕對(duì)伸長量；橫坐標(biāo)表示絕對(duì)伸長量l，單位為，單位為mm。3、強(qiáng)度、強(qiáng)度 試樣受到外力作用時(shí)，在其內(nèi)部產(chǎn)生大小與外力相等而試樣受到外力作用時(shí)，在其內(nèi)部產(chǎn)生大小與外力相等而方向相反的相互作用力，稱為內(nèi)力。單位截面積上的內(nèi)力稱為方向相反的相互作用力，稱為內(nèi)力。單位截面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力，拉伸時(shí)的應(yīng)力用符號(hào)應(yīng)力，拉伸時(shí)的應(yīng)力用符號(hào)表示。表示。1）彈性極限）彈性極限2）屈服點(diǎn)（又稱屈服強(qiáng)度）屈服點(diǎn)（又稱屈服強(qiáng)度）3）抗拉強(qiáng)度：抗拉強(qiáng)度是指試樣斷裂前能夠承受的最大拉應(yīng)）抗拉強(qiáng)度：抗拉強(qiáng)度是指試樣斷裂前能夠承受的最大拉應(yīng)力，力， 用用b表示

4、。表示。二、材料的塑性二、材料的塑性 金屬材料在外力作用下發(fā)生塑性變形而不破壞的能力稱金屬材料在外力作用下發(fā)生塑性變形而不破壞的能力稱為塑性。為塑性。1、斷后伸長率、斷后伸長率 斷后伸長率是指試樣拉伸斷裂時(shí)的絕對(duì)伸長量與原始長斷后伸長率是指試樣拉伸斷裂時(shí)的絕對(duì)伸長量與原始長度的百分比，用符號(hào)度的百分比，用符號(hào)表示。表示。即：即：2、斷面收縮率、斷面收縮率 斷面收縮率是指試樣拉斷后，縮頸處（斷口處）橫斷面斷面收縮率是指試樣拉斷后，縮頸處（斷口處）橫斷面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比，用符號(hào)積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比，用符號(hào)表示。表示。即：即： 和和是材料的重要性能指標(biāo)。它們的數(shù)值

5、越大，材料是材料的重要性能指標(biāo)。它們的數(shù)值越大，材料的塑性越好。如果材料具有良好的塑性，則可避免材料在壓力的塑性越好。如果材料具有良好的塑性，則可避免材料在壓力加工過程中發(fā)生開裂而破壞；而普通鑄鐵的塑性差，因而不能加工過程中發(fā)生開裂而破壞；而普通鑄鐵的塑性差，因而不能進(jìn)行壓力加工，只能進(jìn)行鑄造。同時(shí)進(jìn)行壓力加工，只能進(jìn)行鑄造。同時(shí),由于材料具有一定的塑由于材料具有一定的塑性，故能保證材料不致因稍有超載而突然斷裂，增加了材料使性，故能保證材料不致因稍有超載而突然斷裂，增加了材料使用的安全可靠性。用的安全可靠性。課題二材料的硬度 教學(xué)重點(diǎn)：教學(xué)重點(diǎn)： 硬度指標(biāo)的表示方法和實(shí)際應(yīng)用。硬度指標(biāo)的表示方

6、法和實(shí)際應(yīng)用。 教學(xué)難點(diǎn)：教學(xué)難點(diǎn)： 布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度。布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度。 金屬材料抵抗其它更硬物體壓入表面的能力稱為硬度，它金屬材料抵抗其它更硬物體壓入表面的能力稱為硬度，它是衡量材料軟硬程度的判據(jù)，它表征材料抵抗表面局部彈性變是衡量材料軟硬程度的判據(jù)，它表征材料抵抗表面局部彈性變形、塑性變形或抵抗破壞的能力。材料的硬度越高，其耐磨性形、塑性變形或抵抗破壞的能力。材料的硬度越高，其耐磨性越好。越好。一、布氏硬度一、布氏硬度 布氏硬度是用單位壓痕面積的力作為布氏硬度值的計(jì)量即布氏硬度是用單位壓痕面積的力作為布氏硬度值的計(jì)量即試驗(yàn)力除以壓痕表面積，符號(hào)用試驗(yàn)力除以壓痕表面

7、積，符號(hào)用HBS（用淬火鋼球壓頭）或（用淬火鋼球壓頭）或HBW（用硬質(zhì)合金壓頭）表示。即：（用硬質(zhì)合金壓頭）表示。即：1、布氏硬度表示方法：、布氏硬度表示方法： 布氏硬度值一般不標(biāo)單位。當(dāng)壓頭為淬火鋼球時(shí)，用布氏硬度值一般不標(biāo)單位。當(dāng)壓頭為淬火鋼球時(shí)，用HBS表示；當(dāng)壓頭為硬質(zhì)合金時(shí)，用表示；當(dāng)壓頭為硬質(zhì)合金時(shí)，用HBW表示。符號(hào)表示。符號(hào)HBS或或HBW之前寫出硬度值，符號(hào)后面用數(shù)字依次表示壓頭直徑、之前寫出硬度值，符號(hào)后面用數(shù)字依次表示壓頭直徑、試驗(yàn)力及試驗(yàn)力保持時(shí)間（試驗(yàn)力及試驗(yàn)力保持時(shí)間（1015 s不標(biāo)）等試驗(yàn)條件。不標(biāo)）等試驗(yàn)條件。 例如：例如：150HBS10/1000/30。

8、一般在零件圖或工藝文件上標(biāo)注材料要求的布氏硬度時(shí)，一般在零件圖或工藝文件上標(biāo)注材料要求的布氏硬度時(shí)，不規(guī)定試驗(yàn)條件，只需標(biāo)出要求的硬度值范圍和硬度符號(hào)，如不規(guī)定試驗(yàn)條件，只需標(biāo)出要求的硬度值范圍和硬度符號(hào)，如210230HBS。2、布氏硬度的優(yōu)缺點(diǎn)：、布氏硬度的優(yōu)缺點(diǎn)：1）優(yōu)點(diǎn)）優(yōu)點(diǎn) 測(cè)定數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定、數(shù)據(jù)重復(fù)性強(qiáng)，常用于測(cè)定退火、測(cè)定數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定、數(shù)據(jù)重復(fù)性強(qiáng)，常用于測(cè)定退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼、鑄鐵及有色金屬的硬度。正火、調(diào)質(zhì)鋼、鑄鐵及有色金屬的硬度。 2）缺點(diǎn)）缺點(diǎn) 對(duì)不同材料需要更換壓頭和改變載荷，且壓痕較大，壓痕對(duì)不同材料需要更換壓頭和改變載荷，且壓痕較大，壓痕直徑的測(cè)量也較麻煩，易損

9、壞成品的表面，故不宜在成品上進(jìn)直徑的測(cè)量也較麻煩，易損壞成品的表面，故不宜在成品上進(jìn)行試驗(yàn)。行試驗(yàn)。二、洛氏硬度二、洛氏硬度 洛氏硬度是用壓痕深度作為洛氏硬度值的計(jì)量即，符號(hào)用洛氏硬度是用壓痕深度作為洛氏硬度值的計(jì)量即，符號(hào)用符號(hào)用符號(hào)用HR表示，其計(jì)算公式為：表示，其計(jì)算公式為： 1、壓頭類型：、壓頭類型： 洛氏硬度所用的壓頭有下列幾種，淬火鋼球壓頭多用于測(cè)洛氏硬度所用的壓頭有下列幾種，淬火鋼球壓頭多用于測(cè)定退火件、有色金屬等較軟材料的硬度，壓入深度較深；金剛定退火件、有色金屬等較軟材料的硬度，壓入深度較深；金剛石壓頭多用于測(cè)定淬火鋼等較硬材料的硬度，壓入深度較淺。石壓頭多用于測(cè)定淬火鋼等較

10、硬材料的硬度，壓入深度較淺。2、試驗(yàn)規(guī)范及表示方法、試驗(yàn)規(guī)范及表示方法: 采用不同的壓頭與總試驗(yàn)力，組合成幾種不同的洛氏硬度采用不同的壓頭與總試驗(yàn)力，組合成幾種不同的洛氏硬度標(biāo)尺。我國常用的是標(biāo)尺。我國常用的是HRA、HRB、HRC三種，其中三種，其中HRC應(yīng)用應(yīng)用最廣。最廣。 洛氏硬度無單位，須標(biāo)明硬度標(biāo)尺符號(hào)，在符號(hào)前面寫出洛氏硬度無單位，須標(biāo)明硬度標(biāo)尺符號(hào)，在符號(hào)前面寫出硬度值，如硬度值，如58HRC、76HRA。 3、洛氏硬度的優(yōu)缺點(diǎn)：、洛氏硬度的優(yōu)缺點(diǎn)：1）優(yōu)點(diǎn)）優(yōu)點(diǎn) 操作迅速、簡便，硬度值可從表盤上直接讀出；壓痕較操作迅速、簡便，硬度值可從表盤上直接讀出；壓痕較小，可在工件表面試驗(yàn)

11、；可測(cè)量較薄工件的硬度，因而廣泛用小，可在工件表面試驗(yàn)；可測(cè)量較薄工件的硬度，因而廣泛用于熱處理質(zhì)量的檢驗(yàn)。于熱處理質(zhì)量的檢驗(yàn)。 2）缺點(diǎn)）缺點(diǎn) 精確性較低，硬度值重復(fù)性差、分散度大，通常需要在材精確性較低，硬度值重復(fù)性差、分散度大，通常需要在材料的不同部位測(cè)試數(shù)次，取其平均值來代表材料的硬度。此料的不同部位測(cè)試數(shù)次，取其平均值來代表材料的硬度。此外，用不同標(biāo)尺測(cè)得的硬度值彼此之間沒有聯(lián)系，也不能直接外，用不同標(biāo)尺測(cè)得的硬度值彼此之間沒有聯(lián)系，也不能直接進(jìn)行比較。進(jìn)行比較。 三、維氏硬度三、維氏硬度 維氏硬度也是以單位壓痕面積的力作為硬度值計(jì)量。試驗(yàn)維氏硬度也是以單位壓痕面積的力作為硬度值計(jì)量

12、。試驗(yàn)力較小，壓頭是錐面夾角為力較小，壓頭是錐面夾角為136的金剛石正四棱錐體，見下的金剛石正四棱錐體，見下圖所示。圖所示。 1、維氏硬度表示方法：、維氏硬度表示方法： 維氏硬度用符號(hào)維氏硬度用符號(hào)HV表示。在符號(hào)表示。在符號(hào)HV前方標(biāo)出硬度值，在前方標(biāo)出硬度值，在HV后面按試驗(yàn)力大小和試驗(yàn)力保持時(shí)間（后面按試驗(yàn)力大小和試驗(yàn)力保持時(shí)間（1015s不標(biāo)出）的不標(biāo)出）的順序用數(shù)字表示試驗(yàn)條件。順序用數(shù)字表示試驗(yàn)條件。 例如：例如：640HV300。 2、維氏硬度的優(yōu)缺點(diǎn)、維氏硬度的優(yōu)缺點(diǎn)1）優(yōu)點(diǎn)）優(yōu)點(diǎn) 可測(cè)軟、硬金屬，特別是極薄零件和滲碳層、滲氮層的硬可測(cè)軟、硬金屬，特別是極薄零件和滲碳層、滲氮層

13、的硬度，其測(cè)得的數(shù)值較準(zhǔn)確，并且不存在布氏硬度試驗(yàn)?zāi)欠N載荷度，其測(cè)得的數(shù)值較準(zhǔn)確，并且不存在布氏硬度試驗(yàn)?zāi)欠N載荷與壓頭直徑比例關(guān)系的約束。此外，維氏硬度也不存在洛氏硬與壓頭直徑比例關(guān)系的約束。此外，維氏硬度也不存在洛氏硬度那樣不同標(biāo)尺的硬度無法統(tǒng)一的問題，而且比洛氏硬度能更度那樣不同標(biāo)尺的硬度無法統(tǒng)一的問題，而且比洛氏硬度能更好地測(cè)定薄件或薄層的硬度。好地測(cè)定薄件或薄層的硬度。2）缺點(diǎn)是）缺點(diǎn)是 硬度值的測(cè)定較為麻煩，工作效率不如洛氏硬度，因此不硬度值的測(cè)定較為麻煩，工作效率不如洛氏硬度，因此不太適合成批生產(chǎn)的常規(guī)檢驗(yàn)。太適合成批生產(chǎn)的常規(guī)檢驗(yàn)。課題三材料的沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度 教學(xué)重點(diǎn)：教學(xué)重

14、點(diǎn)： 韌性指標(biāo)的表示方法和實(shí)際應(yīng)用。韌性指標(biāo)的表示方法和實(shí)際應(yīng)用。 教學(xué)難點(diǎn)：教學(xué)難點(diǎn)： 疲勞的概念、表示方法、提高疲勞強(qiáng)度措施。疲勞的概念、表示方法、提高疲勞強(qiáng)度措施。 外力的瞬時(shí)沖擊作用所引起的變形和應(yīng)力比靜載荷大得外力的瞬時(shí)沖擊作用所引起的變形和應(yīng)力比靜載荷大得多，因此在設(shè)計(jì)承受沖擊載荷的零件和工具時(shí)，不僅要滿足強(qiáng)多，因此在設(shè)計(jì)承受沖擊載荷的零件和工具時(shí)，不僅要滿足強(qiáng)度、塑性、硬度等性能要求，還必須有足夠的韌性。度、塑性、硬度等性能要求，還必須有足夠的韌性。 1、沖擊吸收功、沖擊吸收功 韌性是指金屬材料在斷裂前吸收變形能量的能力。韌性是指金屬材料在斷裂前吸收變形能量的能力。 根據(jù)功能原理

15、可知：擺錘沖斷試樣所消耗的功根據(jù)功能原理可知：擺錘沖斷試樣所消耗的功AK=mgh1-mgh2。AK稱為沖擊吸收功，單位焦耳（稱為沖擊吸收功，單位焦耳（J），用），用AK除以試樣除以試樣缺口處的橫截面積所得的商即為該材料的沖擊韌度，用符號(hào)缺口處的橫截面積所得的商即為該材料的沖擊韌度，用符號(hào)K表示，即：表示，即： 沖擊吸收功沖擊吸收功AK與溫度有關(guān)，見下圖所示。韌脆轉(zhuǎn)變溫度與溫度有關(guān)，見下圖所示。韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，材料的低溫抗沖擊性能越好。越低，材料的低溫抗沖擊性能越好。 五、疲勞強(qiáng)度五、疲勞強(qiáng)度 許多機(jī)械零件是在交變應(yīng)力（循環(huán)應(yīng)力）作用下工作的，許多機(jī)械零件是在交變應(yīng)力（循環(huán)應(yīng)力）作用下工作的，

16、此時(shí)，雖然零件所承受的應(yīng)力數(shù)值小于材料的屈服強(qiáng)度，但在此時(shí)，雖然零件所承受的應(yīng)力數(shù)值小于材料的屈服強(qiáng)度，但在長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后也會(huì)發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象叫疲勞斷裂。長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后也會(huì)發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象叫疲勞斷裂。 交變應(yīng)力的大小和斷裂循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系通常用疲勞曲交變應(yīng)力的大小和斷裂循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系通常用疲勞曲線來來描述，如下圖所示。疲勞曲線表明，當(dāng)應(yīng)力低于某一值線來來描述，如下圖所示。疲勞曲線表明，當(dāng)應(yīng)力低于某一值時(shí)，即使循環(huán)次數(shù)無窮多也不發(fā)生斷裂，此應(yīng)力值稱為疲勞強(qiáng)時(shí)，即使循環(huán)次數(shù)無窮多也不發(fā)生斷裂，此應(yīng)力值稱為疲勞強(qiáng)度或疲勞極限，用符號(hào)度或疲勞極限，用符號(hào)-1表示。在疲勞強(qiáng)度測(cè)定中，不可能表示。在疲勞強(qiáng)度測(cè)定中，不可能把循環(huán)次數(shù)做到無窮大，而是規(guī)定一定的循環(huán)次數(shù)作國基數(shù)。把循環(huán)次數(shù)做到無窮大，而是規(guī)定一定的循環(huán)次數(shù)作國基數(shù)。 常用鋼材的循環(huán)基數(shù)一般取常用鋼材的循環(huán)基數(shù)一般取 N = 107，有