第1部分-金屬材料的力學(xué)性能

1、金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能體育裝備材料體育裝備材料主講教師：王虹主講教師：王虹Email： Tel:OAD ENERGY概述概述u 使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。包括力學(xué)性能、物理性能和的性能。包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。化學(xué)性能。u 工藝性能：材料在加工過程中所表現(xiàn)工藝性能：材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。包括鑄造、鍛壓、焊接、熱的性能。包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削性能等。處理和切削性能等。神舟一號(hào)飛船ROAD ENERGYu 材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸

2、變化，稱為變形變形。u 外力去除后能夠恢復(fù)的變形稱為外力去除后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形彈性變形。u 外力去除后不能恢復(fù)的變形稱為外力去除后不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形塑性變形。五萬(wàn)噸水壓機(jī)概述概述ROAD ENERGY概述概述u如何評(píng)定材料的力學(xué)性能？如何評(píng)定材料的力學(xué)性能？ROAD ENERGYu 強(qiáng)度：強(qiáng)度：材料在外力作用下抵抗變材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。形和破壞的能力。u 屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 s s：材料發(fā)生微量塑性變材料發(fā)生微量塑性變形時(shí)的應(yīng)力值。形時(shí)的應(yīng)力值。u 條件屈服強(qiáng)度條件屈服強(qiáng)度 0.20.2：殘余變形量為殘余變形量為0.2%0.2%時(shí)的應(yīng)力值。時(shí)的應(yīng)力值。u 抗拉

3、強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 b b：材料斷裂前所承受的材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。最大應(yīng)力值。s0.2一、彈性和塑性一、彈性和塑性ROAD ENERGYu 彈性：彈性：指標(biāo)為彈性極限指標(biāo)為彈性極限 e e，即，即材料材料承受最大彈性變形時(shí)的應(yīng)力。承受最大彈性變形時(shí)的應(yīng)力。u 剛度：剛度：材料受力時(shí)抵抗彈性變形的材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。能力。指標(biāo)為彈性模量指標(biāo)為彈性模量E E* *慣性矩慣性矩I I。 ）（MPaE tane彈性模量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?？梢酝ㄟ^增加橫截面積或改變截面形狀來提高零件的剛度

4、。 一、彈性和塑性一、彈性和塑性ROAD ENERGY低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線拉伸試樣拉伸試驗(yàn)機(jī)應(yīng)力 = P/F0應(yīng)變 = (l-l0)/l0ROAD ENERGY塑性：塑性：材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。指標(biāo)為：指標(biāo)為： 伸長(zhǎng)率：伸長(zhǎng)率：%100001 lll %100010FFF斷面收縮率：斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象一、彈性和塑性一、彈性和塑性ROAD ENERGYu 說明：說明：u 用斷面收縮率表示塑性比伸長(zhǎng)率更接近真實(shí)變形。用斷面收縮率表示塑性比伸長(zhǎng)率更接近真實(shí)變形。u 直徑直徑d d0 0 相同時(shí)，相同時(shí)，l l0 0 ， 。只有當(dāng)。只有

5、當(dāng)l l0 0/d/d0 0 為常數(shù)時(shí)，塑為常數(shù)時(shí)，塑性值才有可比性。性值才有可比性。u 當(dāng)當(dāng)l l0 0=10d=10d0 0 時(shí)，伸長(zhǎng)率用時(shí)，伸長(zhǎng)率用 表示；表示；u 當(dāng)當(dāng)l l0 0=5d=5d0 0 時(shí)，伸長(zhǎng)率用時(shí)，伸長(zhǎng)率用 5 5 表示。顯然表示。顯然 5 5 時(shí)，無(wú)頸縮，為脆性材料表征時(shí)，無(wú)頸縮，為脆性材料表征 450的試驗(yàn)h1-h0洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度計(jì)n 洛氏硬度用符號(hào)洛氏硬度用符號(hào)HRHR表示表示n 根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個(gè)標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個(gè)標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為A A、B B、C C。 ROAD ENERGYn符號(hào)符號(hào)HRHR前

6、面的數(shù)字為硬度值，后面為前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。使用的標(biāo)尺。lHRA用于測(cè)量高硬度材料, 如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。lHRB用于測(cè)量低硬度材料, 如有色金屬和退火、正火鋼等。lHRC用于測(cè)量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。l洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，壓痕小，適用范圍廣。l缺點(diǎn)：測(cè)量結(jié)果分散度大。鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕二、硬度二、硬度ROAD ENERGY二、硬度二、硬度n 洛氏硬度的分類及應(yīng)用洛氏硬度的分類及應(yīng)用ROAD ENERGY二、硬度二、硬度n 布氏硬度與洛氏硬度的比較布氏硬度與洛氏硬度的比較u 洛式硬度壓痕很小，測(cè)量值有局部性，須測(cè)數(shù)點(diǎn)求平均值，適用成品和

7、薄片，歸于無(wú)損檢測(cè)一類；布式硬度壓痕較大，測(cè)量值準(zhǔn)，不適用成品和薄片，一般不歸于無(wú)損檢測(cè)一類。u 洛式硬度的硬度值是一無(wú)名數(shù)，沒有單位。（因此習(xí)慣稱洛式硬度為多少度是不正確的。） 布式硬度的硬度值有單位，且和抗拉強(qiáng)度有一定的近似關(guān)系。ROAD ENERGY二、硬度二、硬度n 布氏硬度與洛氏硬度的比較布氏硬度與洛氏硬度的比較u 洛式硬度直接在表盤上顯示、也可以數(shù)字顯示，操作方便，快捷直觀，適用于大量生產(chǎn)中。布式硬度需要用顯微鏡測(cè)量壓痕直徑，然后查表或計(jì)算，操作較繁瑣。u 在一定條件下，HB與HRC可以查表互換。其心算公式可大概記為：1HRC1/10HB。 u 硬度試驗(yàn)是機(jī)械性能試驗(yàn)中最簡(jiǎn)單易行的

8、一種試驗(yàn)方法。為了能用硬度試驗(yàn)代替某些機(jī)械性能試驗(yàn)，生產(chǎn)上需要一個(gè)比較準(zhǔn)確的硬度和強(qiáng)度的換算關(guān)系。ROAD ENERGY二、硬度二、硬度n 布氏硬度與洛氏硬度的比較布氏硬度與洛氏硬度的比較u 實(shí)踐證明，金屬材料的各種硬度值之間，硬度值與強(qiáng)度值之間具有近似的相應(yīng)關(guān)系。因?yàn)橛捕戎凳怯善鹗妓苄宰冃慰沽屠^續(xù)塑性變形抗力決定的，材料的強(qiáng)度越高，塑性變形抗力越高，硬度值也就越高。ROAD ENERGY二、硬度二、硬度n 維氏硬度維氏硬度HVHV維氏硬度計(jì)維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度壓痕一種以正四棱錐金剛石為壓頭的硬度測(cè)量方法。壓頭的兩個(gè)相對(duì)面間的夾角為136度，硬度值定義與布氏硬度相同，即壓痕表面上單位面積

9、所能承受的壓力，所不同的是壓痕形狀為四棱錐，用測(cè)量壓痕對(duì)角線的平均長(zhǎng)度來計(jì)算壓痕面積及硬度值 .ROAD ENERGYu 維氏硬度用符號(hào)維氏硬度用符號(hào)HVHV表示，符號(hào)前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序表示，符號(hào)前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時(shí)間。分別表示載荷值及載荷保持時(shí)間。u 根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了三種測(cè)定方法根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了三種測(cè)定方法維氏硬度試驗(yàn)維氏硬度試驗(yàn) 、小負(fù)荷維、小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)、顯微維氏硬度試驗(yàn)。氏硬度試驗(yàn)、顯微維氏硬度試驗(yàn)。u 維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)。 小負(fù)荷維氏硬度計(jì)顯微維氏硬

10、度計(jì)二、硬度二、硬度ROAD ENERGYu 金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力叫做沖擊韌度。常金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力叫做沖擊韌度。常用一次擺錘沖擊試驗(yàn)來測(cè)定金屬材料的沖擊韌度。用一次擺錘沖擊試驗(yàn)來測(cè)定金屬材料的沖擊韌度。 三、沖擊韌度三、沖擊韌度u 指標(biāo)為沖擊韌性值ak(通過沖擊實(shí)驗(yàn)測(cè)得)。ROAD ENERGYA Ak k= =GHGH1 1 - GH- GH2 2 =G=G（H H1 1 - H- H2 2）u試驗(yàn)原理：試樣被沖斷過程中吸收的能量即沖擊吸收功（Ak ）等于擺錘沖擊試樣前后的勢(shì)能差。沖擊韌度（沖擊韌度（a k）：沖擊吸收功除以試樣缺口處截面積。）：沖擊吸

11、收功除以試樣缺口處截面積。三、沖擊韌度三、沖擊韌度ROAD ENERGYak = AK/S （Jcm-2）Ak沖斷試樣所消耗的沖擊功（J）S試樣斷口處的原始截面積（cm2）三、沖擊韌度三、沖擊韌度ROAD ENERGYu材料韌性判據(jù)為沖擊韌性ak ，低值為脆性材料，高值為韌性材料。u在沖擊載荷下工作的零件，很少是受大能量一次沖擊而破壞的；往往是受小能量多次重復(fù)沖擊而破壞的。u試驗(yàn)表明：在沖擊能量不太大的情況下，其承受反復(fù)沖擊的能力主要取決于強(qiáng)度，而不是很高的沖擊韌性ak 。三、沖擊韌度三、沖擊韌度ROAD ENERGY韌脆轉(zhuǎn)變溫度韌脆轉(zhuǎn)變溫度u 材料的沖擊韌性隨溫度下降材料的沖擊韌性隨溫度下降

12、而下降。而下降。在某一溫度范圍內(nèi)在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱稱韌脆轉(zhuǎn)變韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱的溫度范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變韌脆轉(zhuǎn)變溫度溫度。材料的使用溫度應(yīng)高于韌材料的使用溫度應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。脆轉(zhuǎn)變溫度。韌三、沖擊韌度三、沖擊韌度ROAD ENERGYTITANIC建造中的Titanic 號(hào)TITANIC的沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)ROAD ENERGYu 材料在低于材料在低于 s s的重復(fù)交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。的重復(fù)交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。u 材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力稱為疲勞材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)

13、后仍不發(fā)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力稱為疲勞極限。用極限。用 -1-1表示。表示。u 鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為10107 7，有色金屬合金為，有色金屬合金為10108 8。疲勞應(yīng)力示意圖疲勞曲線示意圖四、疲勞強(qiáng)度四、疲勞強(qiáng)度ROAD ENERGYu 材料的疲勞強(qiáng)度通常在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱材料的疲勞強(qiáng)度通常在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定疲勞曲線彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定疲勞曲線, ,即交變應(yīng)力與斷裂前的循環(huán)次即交變應(yīng)力與斷裂前的循環(huán)次數(shù)數(shù)N N之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。u 疲勞破壞原因疲勞破壞原因: : 材料有雜質(zhì)材料有雜質(zhì), ,表面表面劃痕劃痕, ,能引起應(yīng)力集中（指受力能引起應(yīng)力集中（指受力構(gòu)件由于幾何形狀

14、、外形尺寸發(fā)構(gòu)件由于幾何形狀、外形尺寸發(fā)生突變而引起局部范圍內(nèi)應(yīng)力顯生突變而引起局部范圍內(nèi)應(yīng)力顯著增大的現(xiàn)象）著增大的現(xiàn)象）, ,導(dǎo)致微裂紋導(dǎo)致微裂紋, ,裂裂紋擴(kuò)展致使零件不能承受所加載紋擴(kuò)展致使零件不能承受所加載荷突然破壞。荷突然破壞。四、疲勞強(qiáng)度四、疲勞強(qiáng)度ROAD ENERGY通過通過改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進(jìn)行表面強(qiáng)改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進(jìn)行表面強(qiáng)化化等方法可提高材料疲勞抗力。等方法可提高材料疲勞抗力。軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）四、疲勞強(qiáng)度四、疲勞強(qiáng)度ROAD ENERGY 材料有雜質(zhì)、表面劃傷等缺陷應(yīng)力集中 微裂紋 裂

15、紋擴(kuò)展 破 壞五、產(chǎn)生疲勞破壞的原因五、產(chǎn)生疲勞破壞的原因ROAD ENERGY六、金屬材料的其他性能六、金屬材料的其他性能u 使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。包括使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。包括力力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。物理性能：密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、磁性。如，飛機(jī)上使用的零件要求比重輕；電機(jī)、電器用零件要考慮導(dǎo)電性， 等等?；瘜W(xué)性能：室溫或高溫時(shí)抵抗各種化學(xué)作用的能力，也稱化學(xué)穩(wěn)定性， 包括耐酸性、耐堿性、抗氧化性等等。如，化工設(shè)備、醫(yī)療器械要求化學(xué)穩(wěn)定性好。ROAD ENERGY各種金屬材料存在各不相同的使用性能。因此：u必須首先熟悉各種金屬材料的主要性能。u根據(jù)不同的技術(shù)要求，選擇合適的金屬材料。六、金屬材料的其他性能六、金屬材料的其他性能