金屬材料的力學(xué)性能教案

1、復(fù)習(xí)舊課1、材料的開展歷史2、工程材料的分類講授新課第一章金屬材料的力學(xué)性能材料的性能有使用性能和工藝性能兩類使用性能是保證工件的正常工作應(yīng)具備的性能,主要包括力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能等.工藝性能是材料在被加工過(guò)程中適應(yīng)各種冷熱加工的性能,包括鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、熱處理性能、切削加工性能等.力學(xué)性能是指金屬在外力作用下所顯示的性能能.金屬力學(xué)性能指標(biāo)有：強(qiáng)度、剛度、塑性、硬度、韌性和疲勞強(qiáng)度等.第一節(jié)剛度、強(qiáng)度與塑性一、拉伸試驗(yàn)及力一伸長(zhǎng)曲線L0原始標(biāo)距長(zhǎng)度；Li拉斷后試樣標(biāo)距長(zhǎng)度d0原始直徑.di拉斷后試樣斷口直徑國(guó)際上常用的是Lo=5d.短試卞L,Lo=10d.長(zhǎng)試樣工R身0

2、-Lf-伸長(zhǎng)量vAL.»拉伸曲線:拉伸試驗(yàn)中記錄的拉伸力F與伸長(zhǎng)量AL某一拉伸力時(shí)試樣的長(zhǎng)度與原始長(zhǎng)度的差A(yù)L=Lu-L0的FAL曲線稱為拉伸曲線圖.Oe段：為純彈性變形階段,卸去載荷時(shí),試樣能恢復(fù)原狀Es段：屈服階段Sb段：強(qiáng)化階段,試樣產(chǎn)生均勻的塑性變形,并出現(xiàn)了強(qiáng)化Bk段：局部塑性變形階段二、剛度剛度：金屬材料反抗彈變的水平指標(biāo)：彈性模量EE=工/eGpa彈性范圍內(nèi).應(yīng)力與應(yīng)變的比值或線形關(guān)系,正比ET剛度T一定應(yīng)力作用下彈性變形J三、強(qiáng)度指標(biāo)工=F/So強(qiáng)度：強(qiáng)度是指材料反抗塑性變形和斷裂的水平.強(qiáng)度表示：強(qiáng)度一般用拉伸曲線上所對(duì)應(yīng)某點(diǎn)的應(yīng)力來(lái)表示.單位采用N/mr2或MPa

3、兆帕工=F/Ao工應(yīng)力MPa；F拉力N;So截面積mm.常用的強(qiáng)度判據(jù)主要有屈服點(diǎn)、條件屈服強(qiáng)度也稱為規(guī)定剩余伸長(zhǎng)應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度等.1、屈服點(diǎn)與條件屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度工s產(chǎn)生屈服時(shí)的應(yīng)力屈服點(diǎn),亦表示材料發(fā)生明顯塑性變形時(shí)的最低應(yīng)力值.規(guī)定剩余伸長(zhǎng)應(yīng)力:L=0.2產(chǎn)生0.2%剩余伸長(zhǎng)率時(shí)的應(yīng)力.Lr0.2=Fr0.2/A.2、抗拉強(qiáng)度斷裂前最大載荷時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度極限工丫0.2常常難以測(cè)出,所以,脆性材料沒(méi)有屈服強(qiáng)度指標(biāo),只有抗拉強(qiáng)度指標(biāo)用于零件的設(shè)計(jì)計(jì)算.強(qiáng)度意義：一般機(jī)械零件或工具使用時(shí),不允許發(fā)生塑性變形,故屈服點(diǎn)工s是機(jī)械設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算的主要依據(jù)；抗拉強(qiáng)度代表材料反抗拉斷的水平,假設(shè)應(yīng)力大于抗

4、拉強(qiáng)度,那么會(huì)發(fā)生斷裂而造成事故.三、塑性指標(biāo)材料產(chǎn)生塑性變形而不破壞的水平稱為塑性.常用的塑性指標(biāo)是斷后伸長(zhǎng)率6和斷面收縮率.一般通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)定.1、斷后伸長(zhǎng)率斷后伸長(zhǎng)率是指試樣拉斷后標(biāo)距的伸長(zhǎng)量與原標(biāo)距長(zhǎng)度的百分比.用符號(hào)S,表小o5=(Li-L./Lo)X100%2、斷面收縮率斷面收縮率是指試樣拉斷后縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比,用符號(hào)也表示：少=(ArAi)/A)x100%塑性直接影響到零件的成形及使用.第二節(jié)沖擊韌性定義：指在沖擊載荷作用下,材料反抗沖擊力的作用而不被破壞的水平,是材料強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn).衡量指標(biāo)：沖擊韌度ak(ak=Ak/Fk)aK值測(cè)定方法

5、：一次彎曲沖擊實(shí)驗(yàn)法,物理意義：試樣在沖斷時(shí)單位橫截面積上所消耗的沖擊功Ak,單位為J/cm2.次值越大,表小材料的沖擊韌性越好.第三節(jié)疲勞強(qiáng)度交變載荷：載荷大小和方向隨時(shí)間發(fā)生周期變化的載荷.疲勞斷裂：零件在交變載荷下經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間工作而發(fā)生低應(yīng)力斷裂的現(xiàn)象成為疲勞斷裂.疲勞斷裂過(guò)程：裂紋萌生、疲勞裂紋擴(kuò)展、最后斷裂疲勞抗力指標(biāo)：疲勞極限,又稱疲勞強(qiáng)度,用"表示.材料經(jīng)過(guò)無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力,即疲勞曲線上水平局部對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值.疲勞斷裂的原因：一般認(rèn)為是,由于材料外表與內(nèi)部的缺陷夾雜、劃痕、尖角等,造成局部應(yīng)力集中,形成微裂紋.隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加,微裂紋逐漸擴(kuò)展,使零件的

6、有效承載面積逐漸減小,以致于最后承受不起所加載荷而忽然斷裂.提升材料疲勞抗力的舉措：通過(guò)合理選材,改善材料的結(jié)構(gòu)形狀,防止應(yīng)力集中,減小材料和零件的缺陷；提升零件外表光潔度；對(duì)外表進(jìn)行強(qiáng)化,噴丸處理等,可以提升材料的疲勞抗力.第四節(jié)硬度硬度是指材料反抗局部變形,特別是塑性變形、壓痕或劃痕的水平,他是衡量材料軟硬的指標(biāo).一、布氏硬度布氏硬度測(cè)量原理：采用直徑為D的球形壓頭,以相應(yīng)的試驗(yàn)力F壓入材料的外表,經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后卸除試驗(yàn)力,用讀數(shù)顯微鏡測(cè)量剩余壓痕平均直徑d,用球冠形壓痕單位外表積上所受的壓力表示硬度值.實(shí)際測(cè)量可通過(guò)測(cè)出d值后查表獲得硬度值HBS-表示用淬火鋼球壓頭測(cè)量的布氏硬度值.適

7、用范圍：小于450HBWW一表示用硬質(zhì)合金壓頭測(cè)量的布氏硬度值.適用范圍：450650布氏硬度表示方法：符號(hào)HBS£HB他前的數(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、載荷及載荷保持時(shí)間.布氏硬度特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量數(shù)值穩(wěn)定,準(zhǔn)確,能較真實(shí)地反映材料的平均硬度；缺點(diǎn)：壓痕較大,操作慢,不適用批量生產(chǎn)的成品件和薄形件布氏硬度測(cè)量范圍：用于原材料與半成品硬度測(cè)量,可用于測(cè)量鑄鐵；非鐵金屬有色金屬、硬度較低的鋼如退火、正火、調(diào)質(zhì)處理的鋼布氏硬度數(shù)值通過(guò)布氏硬度試驗(yàn)測(cè)定.布氏硬度值是試驗(yàn)力除以壓痕球形外表積所得的商.使用淬火鋼球壓頭時(shí)用符號(hào)HBS使用硬質(zhì)合金球壓頭時(shí)用符號(hào)HBW當(dāng)F、

8、D一定時(shí),布氏硬度值僅與壓痕直徑d的大小有關(guān).布氏硬度習(xí)慣上只寫出硬度值而不必注明單位,其標(biāo)注方法是,符號(hào)HBS或HB忱前為硬度值,符號(hào)后面按順序用數(shù)值表示試驗(yàn)條件.布氏硬度值的測(cè)量誤差小,數(shù)據(jù)穩(wěn)定,重復(fù)性強(qiáng).二、洛氏硬度洛氏硬度測(cè)量原理：用金剛石圓錐或淬火鋼球壓頭,在試驗(yàn)壓力F的作用下,將壓頭壓入材料外表,保持規(guī)定時(shí)間后,去除主試驗(yàn)力,保持初始試驗(yàn)力,用剩余壓痕深度增量計(jì)算硬度值,實(shí)際測(cè)量時(shí),可通過(guò)試驗(yàn)機(jī)的表盤直接讀出洛氏硬度的數(shù)值.氏硬度測(cè)量條件：洛氏硬度可以測(cè)量從軟到硬較大范圍的硬度值,根據(jù)被測(cè)對(duì)象硬度值大小不同,可用不同的壓頭和試驗(yàn)力,如下表.常用洛氏硬度的試驗(yàn)條件和應(yīng)用范圍硬度符號(hào)壓

9、頭類型總試驗(yàn)力F/N(kgf)硬度范圍應(yīng)用舉例HRA120°金剛后圓錐588.4(60)20-88硬質(zhì)合金、碳化物、淺層外表硬化鋼等HRB小1.588mmff火鋼球980.7(100)20100退火、正火鋼,鋁合金、銅合金、鑄鐵HRC120°金剛后圓錐1471(150)20-70淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼、深層外表硬化鋼洛氏硬度特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量迅速、簡(jiǎn)便、壓痕小、硬度測(cè)量范圍大缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、重復(fù)性不如布氏硬度測(cè)定結(jié)果波動(dòng)較大,穩(wěn)定性較差,故需測(cè)試三點(diǎn),取其算術(shù)平均值,一般不適宜測(cè)試組織不均勻的材料.三、維氏硬度維氏硬度是將相對(duì)面夾角為136°的正四棱錐體金剛石壓頭

10、以選定的試驗(yàn)力(49.03980.7N)壓入被測(cè)材料或零件外表,經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后卸除試驗(yàn)力,用測(cè)量的壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度計(jì)算硬度的一種壓痕硬度試驗(yàn).試驗(yàn)原理如課件中所示.維氏硬度的表示符號(hào)為HV,測(cè)量范圍是51000HM標(biāo)注方法與布氏硬度相同.值寫在符號(hào)的前面,試驗(yàn)條件寫在符號(hào)的后面.對(duì)于鋼及鑄鐵的試驗(yàn)力保持時(shí)間為1015s時(shí),可以不標(biāo)出.課堂小結(jié)力學(xué)性能小結(jié)力學(xué)性能性能判據(jù)含義名稱符號(hào)強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度(b試樣拉斷前所能承受的最大應(yīng)力屈服點(diǎn)(s拉伸試驗(yàn)產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力,試樣產(chǎn)生明顯塑性變形規(guī)定剩余延伸強(qiáng)度(r0.2規(guī)定剩余伸長(zhǎng)率為0.2%時(shí)的應(yīng)力塑性斷面收縮率0試樣橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比斷后伸長(zhǎng)率s斷后標(biāo)距