第1章金屬材料的力學(xué)性能

1、金屬金屬加工加工性能、材料性能、材料鑄造、鍛壓、切削鑄造、鍛壓、切削焊接、熱處理焊接、熱處理鑄造鑄造焊接焊接切削切削金金屬屬材材料料的的性性能能使用性能使用性能工藝性能工藝性能金屬材料為保證機(jī)械金屬材料為保證機(jī)械零件或工具零件或工具正常工作正常工作應(yīng)具備的性能應(yīng)具備的性能金屬材料在制造零件金屬材料在制造零件或工具的過程中，或工具的過程中，適適應(yīng)各種冷、熱加工應(yīng)各種冷、熱加工的的性能性能力學(xué)性能力學(xué)性能物理性能物理性能化學(xué)性能化學(xué)性能鑄造性能鑄造性能焊接性能焊接性能鍛壓性能鍛壓性能切削性能切削性能熱處理性能熱處理性能第一節(jié)第一節(jié) 金屬材料的強(qiáng)度和塑性金屬材料的強(qiáng)度和塑性 力學(xué)性能是指金屬材料在力

2、的作用下所力學(xué)性能是指金屬材料在力的作用下所顯示的與顯示的與彈性彈性和和非彈性非彈性反應(yīng)相關(guān)或涉及反應(yīng)相關(guān)或涉及應(yīng)應(yīng)力力應(yīng)變應(yīng)變關(guān)系的性能。關(guān)系的性能。強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn) 拉伸試驗(yàn)是指靜拉伸力對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)是指靜拉伸力對(duì)試樣進(jìn)行軸向拉伸軸向拉伸，通，通過測量拉伸力和伸長量來測定試樣過測量拉伸力和伸長量來測定試樣強(qiáng)度、塑性強(qiáng)度、塑性等力學(xué)等力學(xué)性能的試驗(yàn)性能的試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸試?yán)煸嚇訕永煸囼?yàn)試樣經(jīng)過的四拉伸試驗(yàn)試樣經(jīng)過的四個(gè)階段及力個(gè)階段及力伸長曲線伸長曲線彈性變形階段彈性變形階段屈服階段屈服階段變形強(qiáng)化階段變形強(qiáng)

3、化階段頸縮和斷裂階段頸縮和斷裂階段金屬材料的強(qiáng)度金屬材料的強(qiáng)度 強(qiáng)度是指金屬材料強(qiáng)度是指金屬材料抵抗永久抵抗永久變形變形和和斷裂斷裂的能力。的能力。屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度Re抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度Rm是指在拉伸試驗(yàn)過程中，是指在拉伸試驗(yàn)過程中，不增加的情況下，不增加的情況下，拉伸試樣仍然能繼續(xù)伸長拉伸試樣仍然能繼續(xù)伸長時(shí)的應(yīng)力。時(shí)的應(yīng)力。發(fā)生于發(fā)生于屈屈服階段服階段上屈服強(qiáng)度上屈服強(qiáng)度 ReH下屈服強(qiáng)度下屈服強(qiáng)度 ReL專指屈服強(qiáng)度專指屈服強(qiáng)度是指拉伸試樣是指拉伸試樣拉斷前拉斷前所承受的最大拉應(yīng)力。所承受的最大拉應(yīng)力。發(fā)生于發(fā)生于頸縮頸縮和斷裂階段和斷裂階段表征金屬材料在表征金屬材料在靜拉伸條件靜拉伸條件

4、下的下的最大承載能力最大承載能力金屬材料的強(qiáng)度金屬材料的強(qiáng)度金屬材料的塑性金屬材料的塑性 塑性是指金屬材料在斷裂前塑性是指金屬材料在斷裂前發(fā)生發(fā)生不可逆永久變形不可逆永久變形的能力。的能力。斷后伸長率斷后伸長率 A斷面收縮率斷面收縮率 Z是指在拉伸試樣拉斷后的是指在拉伸試樣拉斷后的標(biāo)距伸長標(biāo)距伸長與原始標(biāo)距與原始標(biāo)距的百分比的百分比是指拉伸試樣是指拉伸試樣拉斷前拉斷前所承受的所承受的最大拉應(yīng)力。最大拉應(yīng)力。金屬材料的金屬材料的塑性塑性A=(Lu-Lo)/LoA=(Lu-Lo)/Lo 100%100%Z Z=(So-Su)/So=(So-Su)/So 100%100% 對(duì)零件的加工和使用有對(duì)零件

5、的加工和使用有重大意義重大意義，塑性好塑性好的材料的材料易加工易加工 硬度是金屬材料硬度是金屬材料抵抗局部變抵抗局部變形形，特別是，特別是塑性變形、壓痕或劃塑性變形、壓痕或劃痕痕的能力。的能力。第二節(jié)第二節(jié) 金屬材料金屬材料的硬度的硬度金屬材料的硬度金屬材料的硬度 硬度是衡量金屬材料硬度是衡量金屬材料軟硬軟硬程程度的一種性能指標(biāo)。度的一種性能指標(biāo)。 硬度與零件的耐磨性有直接硬度與零件的耐磨性有直接關(guān)系，金屬材料的關(guān)系，金屬材料的硬度值越高硬度值越高，其其耐磨性越高耐磨性越高。金屬材料的硬度金屬材料的硬度硬度的測定方法：硬度的測定方法： 壓入法壓入法、劃痕法、回彈高度法、劃痕法、回彈高度法硬度的

6、表達(dá)方法：硬度的表達(dá)方法： 布氏布氏硬度硬度（HBW） 洛氏洛氏硬度硬度（HR） 維氏維氏硬度硬度（HV）金屬材料的硬度金屬材料的硬度布氏布氏硬度硬度（HBW）金屬材料的硬度金屬材料的硬度布氏布氏硬度硬度（HBW） 布氏硬度（布氏硬度（HBW）是用一定直徑的）是用一定直徑的硬質(zhì)合硬質(zhì)合金球金球，以一定的試驗(yàn)力，以一定的試驗(yàn)力壓入試件表面壓入試件表面，保持規(guī)定，保持規(guī)定時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，測量試樣表面的時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，測量試樣表面的壓痕直徑壓痕直徑d，據(jù)，據(jù)d計(jì)算計(jì)算其硬度值其硬度值的方法。的方法。布氏硬度（布氏硬度（HBW）的表達(dá)）的表達(dá) 硬度數(shù)值硬度數(shù)值+HBW如如 150HBW布氏硬度

7、（布氏硬度（HBW）的試驗(yàn)范圍上限）的試驗(yàn)范圍上限 為為650金屬材料的硬度金屬材料的硬度洛氏硬度洛氏硬度（HR）金屬材料的硬度金屬材料的硬度洛洛氏氏硬度硬度（HR） 洛氏硬度洛氏硬度（HR）是用）是用錐角為錐角為120度的金剛石度的金剛石圓錐體圓錐體或或直徑為直徑為1.5875mm的硬質(zhì)合金球的硬質(zhì)合金球壓入試壓入試樣表面，先加初試驗(yàn)力，再加主試驗(yàn)力，去除主樣表面，先加初試驗(yàn)力，再加主試驗(yàn)力，去除主試驗(yàn)力，測量試樣表面的壓痕深度，據(jù)試驗(yàn)力，測量試樣表面的壓痕深度，據(jù)深度深度計(jì)算計(jì)算其硬度值其硬度值的方法。的方法。金屬材料的硬度金屬材料的硬度洛洛氏氏硬度硬度（HR） 洛氏硬度的測試有三個(gè)標(biāo)尺洛

8、氏硬度的測試有三個(gè)標(biāo)尺A、B、C標(biāo)尺標(biāo)尺壓頭壓頭適用測試材料適用測試材料有效值有效值HRA120金剛石金剛石圓錐體圓錐體硬質(zhì)合金、表面淬火鋼硬質(zhì)合金、表面淬火鋼2088HRBD=1.5875的的硬質(zhì)合金球硬質(zhì)合金球退火鋼、非鐵金屬退火鋼、非鐵金屬20100HRC120金剛石金剛石圓錐體圓錐體一般淬火鋼件一般淬火鋼件2070金屬材料的硬度金屬材料的硬度洛洛氏氏硬度硬度（HR）洛氏硬度洛氏硬度（HR）的表達(dá)的表達(dá) 硬度硬度數(shù)值數(shù)值+HRA（HRB、HRC）如如 50HRC金屬材料的硬度金屬材料的硬度維氏維氏硬度硬度（HV） 維氏硬度維氏硬度（HV）是是用用相對(duì)面夾角為相對(duì)面夾角為136度度的的正四

9、棱錐金剛石作為壓頭，正四棱錐金剛石作為壓頭，以一定的試驗(yàn)力以一定的試驗(yàn)力壓入壓入試件表面試件表面，保持規(guī)定時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，測量，保持規(guī)定時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，測量試樣表面的試樣表面的壓壓痕痕對(duì)角線長度對(duì)角線長度，據(jù)，據(jù)長度長度計(jì)算計(jì)算其硬度其硬度值值的方法。的方法。維氏硬度（維氏硬度（ HV ）的表達(dá)的表達(dá) 硬度數(shù)值硬度數(shù)值+HV如如 640HV維氏硬度維氏硬度（HV）的試驗(yàn)范圍上限的試驗(yàn)范圍上限 為為51000 韌性韌性是金屬材料在是金屬材料在斷裂前吸斷裂前吸收變形能量收變形能量的能力。的能力。第三節(jié)第三節(jié) 金屬材料金屬材料的韌性的韌性自行車的鋼架自行車的鋼架教室中的電視機(jī)架教室中的電視機(jī)

10、架自行車的踏板自行車的踏板經(jīng)常被打的乒乓球經(jīng)常被打的乒乓球第三節(jié)第三節(jié) 金屬材料金屬材料的韌性的韌性靜止載荷靜止載荷沖擊載荷沖擊載荷韌性韌性 金屬材料的韌性大小通常采金屬材料的韌性大小通常采用用吸收能量吸收能量K來衡量。來衡量。 材料材料的的“韌韌”實(shí)際上是與實(shí)際上是與“脆脆”相對(duì)的。相對(duì)的。 吸收能量吸收能量K的大小通常是用的大小通常是用夏比擺錘沖夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法擊試驗(yàn)方法來測定來測定擺錘沖擊試樣擺錘沖擊試樣 沖擊試樣有沖擊試樣有V形形缺口和缺口和U形缺口兩種形缺口兩種 開缺口是為了開缺口是為了在缺口附近造成在缺口附近造成應(yīng)力應(yīng)力集中集中，使塑性變形局，使塑性變形局限在缺口附近，限在缺口

11、附近，保證保證缺口處發(fā)生斷裂缺口處發(fā)生斷裂。 沖擊試樣越深，越尖銳，吸收能量越少，表現(xiàn)沖擊試樣越深，越尖銳，吸收能量越少，表現(xiàn)的韌性越差，脆性越顯著的韌性越差，脆性越顯著溫度對(duì)吸收能量的影響溫度對(duì)吸收能量的影響泰坦尼克號(hào)的沉沒泰坦尼克號(hào)的沉沒溫度對(duì)吸收能量的影響溫度對(duì)吸收能量的影響2008中國南方的凍雨中國南方的凍雨溫度對(duì)吸收能量的影響溫度對(duì)吸收能量的影響 當(dāng)溫度當(dāng)溫度降至某一數(shù)值降至某一數(shù)值時(shí)，吸收能量時(shí)，吸收能量急劇下急劇下降降，金屬材料會(huì)由，金屬材料會(huì)由韌性斷裂韌性斷裂變?yōu)樽優(yōu)榇啻嘈詳嗔研詳嗔?，這，這種現(xiàn)象稱為冷脆轉(zhuǎn)變。種現(xiàn)象稱為冷脆轉(zhuǎn)變。 金屬材料在不同溫度的沖擊試驗(yàn)中，金屬材料在不同

12、溫度的沖擊試驗(yàn)中，吸收能吸收能量急劇變化量急劇變化或斷口或斷口韌性急劇轉(zhuǎn)變韌性急劇轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)域，稱的溫度區(qū)域，稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。 金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，金屬材料的金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，金屬材料的低溫抗沖擊性越好。如非合金鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度低溫抗沖擊性越好。如非合金鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為為20第四節(jié)第四節(jié) 金屬材料金屬材料的疲勞強(qiáng)度的疲勞強(qiáng)度靜載荷靜載荷沖擊載荷沖擊載荷循環(huán)載荷循環(huán)載荷 循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變是指應(yīng)力和應(yīng)變的循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變是指應(yīng)力和應(yīng)變的大小、方向大小、方向都隨著都隨著時(shí)間發(fā)生周期性的變化時(shí)間發(fā)生周期性的變化的應(yīng)力和應(yīng)變的應(yīng)力和應(yīng)變。 零件在零件在低于低于制作該零件的金屬材料的制作該零件的金屬材料的屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度或規(guī)定殘余伸長應(yīng)力的或規(guī)定殘余伸長應(yīng)力的循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力的作用下，經(jīng)過一的作用下，經(jīng)過一定工作時(shí)間后會(huì)突然發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象為定工作時(shí)間后會(huì)突然發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象為金屬材金屬材料的疲勞料的疲勞。 細(xì)鐵絲在沒有鉗子的情況下，你有辦法弄斷嗎？細(xì)鐵絲在沒有鉗子的情況下，你有辦法弄斷嗎？疲勞現(xiàn)象疲勞現(xiàn)象 疲勞斷裂疲勞斷裂與與靜載荷的斷裂靜載荷的斷裂是不同的。是不同的。疲勞斷裂不產(chǎn)生明顯的塑性變形，斷裂是突疲勞斷裂不產(chǎn)生明顯的塑性變形，斷裂是突然發(fā)生的，具有很大的危險(xiǎn)性。然發(fā)生的，具有很大的危險(xiǎn)性。疲勞疲勞強(qiáng)度強(qiáng)度 金屬材料在金屬材料在循