《機(jī)械工程材料與熱加工》第一章_金屬的力學(xué)性能

1、工程材料與熱加工基礎(chǔ)工程材料與熱加工基礎(chǔ)第一章 金屬的力學(xué)性能機(jī)械工程系金工教研室 第一章第一章 金屬的力學(xué)性能金屬的力學(xué)性能 教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo): 了解材料的主要力學(xué)性能指標(biāo)：屈服強(qiáng)度、了解材料的主要力學(xué)性能指標(biāo)：屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率、斷面收縮率、硬度、沖擊韌抗拉強(qiáng)度、伸長率、斷面收縮率、硬度、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度、斷裂韌性等力學(xué)性能及其測試原性、疲勞強(qiáng)度、斷裂韌性等力學(xué)性能及其測試原理；理； 強(qiáng)調(diào)各種力學(xué)性能指標(biāo)的生產(chǎn)實(shí)際意義；強(qiáng)調(diào)各種力學(xué)性能指標(biāo)的生產(chǎn)實(shí)際意義； 了解工程材料的物理性能、化學(xué)性能及工藝了解工程材料的物理性能、化學(xué)性能及工藝性能。性能。金屬的力學(xué)性能金屬的力學(xué)性能定義定義

2、 : 金屬材料的力學(xué)性能是指金屬材料在不同金屬材料的力學(xué)性能是指金屬材料在不同環(huán)境（溫度、介質(zhì)）下，承受各種外加載荷環(huán)境（溫度、介質(zhì)）下，承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力等）時(shí)所表現(xiàn)出的力學(xué)特征。等）時(shí)所表現(xiàn)出的力學(xué)特征。 指標(biāo)指標(biāo) : 彈性彈性 、剛度、強(qiáng)度、塑性、剛度、強(qiáng)度、塑性 、 硬度、沖擊硬度、沖擊韌性韌性 、斷裂韌度和疲勞強(qiáng)度等。、斷裂韌度和疲勞強(qiáng)度等。材料的其他性能材料的其他性能 物理性能：物理性能：密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹性、磁性等； 化學(xué)性能：化學(xué)性能：耐腐蝕性、抗氧化性、化學(xué)穩(wěn)定性等； 工藝性能：工藝

3、性能：鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性、熱處理工藝性等。 第一節(jié)第一節(jié) 強(qiáng)度和塑性強(qiáng)度和塑性 一、拉伸實(shí)驗(yàn)與拉伸曲線一、拉伸實(shí)驗(yàn)與拉伸曲線1.拉伸試樣拉伸試樣GB6397-86規(guī)定規(guī)定金屬拉伸試樣金屬拉伸試樣有：有：圓形、矩形、異型及全截面圓形、矩形、異型及全截面常用標(biāo)準(zhǔn)圓截面試樣。常用標(biāo)準(zhǔn)圓截面試樣。長試樣：長試樣：L0=10d0;短試樣：短試樣：L0=5d0拉伸試樣拉伸試樣第一節(jié)第一節(jié) 強(qiáng)度和塑性強(qiáng)度和塑性 2.拉伸過程拉伸過程拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)機(jī)機(jī) op段：比例彈性變形階段； pe段：非比例彈性變形階段； 平臺(tái)或鋸齒（s段）：屈服階段； sb段：

4、均勻塑性變形階段，是強(qiáng)化階段。 b點(diǎn)：形成了“縮頸”。 bk段：非均勻變形階段，承載下降，到k點(diǎn)斷裂。 斷裂總伸長為Of，其中塑形變形Og(試樣斷后測得的伸長)，彈性伸長gf。 l Fl bl ul Fbbk Fss o g fe Fep Fp3.拉伸曲線拉伸曲線4.應(yīng)力與應(yīng)變曲線應(yīng)力與應(yīng)變曲線 (1)應(yīng)力應(yīng)力 ：單位面積上試樣承受的載荷。這里用試樣承受的載荷除以試樣的原始橫截面積S 0表示: F 載荷載荷( N ) = ( M pa ) S 0 原始橫截面積原始橫截面積( mm2) (2)應(yīng)變應(yīng)變：單位長度的伸長量。這里用試樣的伸長量除以試樣的原始標(biāo)距表示: l伸長量(mm ) = l 0原

5、始長度原始長度( mm) (3)應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線（ - 曲線曲線）:形狀和拉伸曲線相同，單位不同bse退火低碳鋼低、中回火鋼淬火鋼及鑄鐵中碳調(diào)質(zhì)鋼 5.不同材料的拉伸曲線不同材料的拉伸曲線二、強(qiáng)度和剛度二、強(qiáng)度和剛度0SF2.剛度：剛度：將材料抵抗彈性變形的能力稱為剛度。將材料抵抗彈性變形的能力稱為剛度。彈性模量：彈性下應(yīng)力與應(yīng)變的比值彈性模量：彈性下應(yīng)力與應(yīng)變的比值,表示材料抵表示材料抵抗彈性變形的能力。即：抗彈性變形的能力。即： E= / 材料的材料的E越大，剛度越大；越大，剛度越大； E對(duì)組織不敏感；對(duì)組織不敏感；零件的剛度主要決定于零件的剛度主要決定于E，也與形狀、截面等有，也

6、與形狀、截面等有關(guān)。關(guān)。E= / 1.彈性彈性:金屬材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變金屬材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形形,當(dāng)外力去掉后能恢復(fù)到原來形狀及當(dāng)外力去掉后能恢復(fù)到原來形狀及尺寸的性能。尺寸的性能。彈性變形彈性變形: 隨載荷撤除而消失的變形。隨載荷撤除而消失的變形。 3.彈性極限彈性極限: Fe 彈性極限載荷彈性極限載荷( N ) e = ( M pa ) S0 試樣原始橫截面積試樣原始橫截面積( mm2)e e4.強(qiáng)度強(qiáng)度: 材料在載荷作用下抵抗永久變形和破壞的能力。材料在載荷作用下抵抗永久變形和破壞的能力。種類種類: 抗拉強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、 抗壓強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、 抗彎強(qiáng)抗彎強(qiáng) 度度 、 抗剪強(qiáng)度抗剪

7、強(qiáng)度 、 抗扭強(qiáng)度等?？古?qiáng)度等。 (1) 屈服點(diǎn)屈服點(diǎn) 與與屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度: 產(chǎn)生明顯塑性變形的最低應(yīng)力值產(chǎn)生明顯塑性變形的最低應(yīng)力值. Fs s = ( M Pa ) S0試樣屈服時(shí)的載荷試樣屈服時(shí)的載荷( N )試樣試樣原始橫截面積原始橫截面積( mm2)s 屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度( 塑性變形量為塑性變形量為0.2%，微量塑性變形，微量塑性變形) F0.2 0.2 = ( M Pa ) S 0 試樣原始橫截面試樣原始橫截面( mm2)試樣產(chǎn)生試樣產(chǎn)生0.2%殘余塑性變殘余塑性變 形時(shí)的載荷形時(shí)的載荷(N)0.2：試樣產(chǎn)生殘余塑性變形：試樣產(chǎn)生殘余塑性變形0.2%時(shí)的應(yīng)力時(shí)的應(yīng)力試樣產(chǎn)生試樣產(chǎn)

8、生0.2%殘余塑性變形殘余塑性變形 屈服點(diǎn)屈服點(diǎn) s 、屈服強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度0.2是零件設(shè)計(jì)的主要依據(jù)；是零件設(shè)計(jì)的主要依據(jù)；也是評(píng)定金屬強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一。也是評(píng)定金屬強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一。(2)抗拉強(qiáng)度：抗拉強(qiáng)度：試樣在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力。試樣在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力。它表示材料抵抗斷裂的能力。它表示材料抵抗斷裂的能力。是零件設(shè)計(jì)的重要依據(jù)；也是評(píng)定金屬強(qiáng)度是零件設(shè)計(jì)的重要依據(jù)；也是評(píng)定金屬強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一。的重要指標(biāo)之一。 F b 試樣斷裂前的最大載荷試樣斷裂前的最大載荷(N) b = ( M Pa ) S 0 試樣原始橫截面積試樣原始橫截面積( mm2)bse三、塑性三、塑性:是

9、指材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。是指材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。 (1)斷面收縮率斷面收縮率: 是指試樣拉斷處橫截面積的收縮是指試樣拉斷處橫截面積的收縮量量 S與原始橫截面積與原始橫截面積S0之比。之比。(2)伸長率伸長率: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 與原與原始標(biāo)距始標(biāo)距L 0之比。之比。 S0 - S 1 = - 100% S0 l 1 - l0 = - 100% l0 10% 屬塑性材料屬塑性材料 思考思考:同一材料同一材料5 10？ l=ll=lu ub b= l/ll/l0 0= =l lu u/l/l0 0 + + l

10、lb b/l/l0 0ubbseE塑性指標(biāo)不直接用于計(jì)算，但任何零件都需要一定塑性。塑性指標(biāo)不直接用于計(jì)算，但任何零件都需要一定塑性。防止過載斷裂；塑性變形可以緩解應(yīng)力集中、削減應(yīng)力峰值。防止過載斷裂；塑性變形可以緩解應(yīng)力集中、削減應(yīng)力峰值。練習(xí)題一練習(xí)題一 拉力試樣的原標(biāo)距長度為50mm，直徑為10mm，經(jīng)拉力試驗(yàn)后，將已斷裂的試樣對(duì)接起來測量，若最后的標(biāo)距長度為71mm，頸縮區(qū)的最小直徑為4.9mm，試求該材料的伸長率和斷面收縮率的值？ 解： =（71-50）/50 x100%=42% S0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2) S1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2

11、) =(S0-S1)/S0 x100%=24%練習(xí)題二練習(xí)題二某工廠買回一批材料（要求：s230MPa；b410MPa；523%；50%）做短試樣（0=50；0=10mm）拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如下：Fs=19KN，F(xiàn)b=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;問買回的材料合格嗎？解： 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算如下：sFss(19x1000)/(3.14x52 )=242 230MPa b Fb s(34.5x1000)/(3.14x52 )=439.5 410MPa 5 l l 0 x100% (63.1-50)/50 x100%=26.2% 23% S S 0 x100% 60.31% 50%

12、材料的各項(xiàng)指標(biāo)均合格，因此買回的材料合格。第二節(jié)第二節(jié) 硬硬 度度布氏硬度布氏硬度HB 洛氏硬度洛氏硬度HR 維氏硬度維氏硬度HV銼刀法銼刀法五五.硬度硬度( hardness ):是指是指材料抵抗其他硬物體壓材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力入其表面的能力常用測量硬度的方法常用測量硬度的方法(1)布氏硬度布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )布氏硬度計(jì)布氏硬度計(jì) (1)布氏硬度布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )適用范圍適用范圍:v 450HBS;v 650HBW;(1)布氏硬度布氏硬度 HB ( Brinell-hardness ) 符號(hào)符號(hào)HBS或或

13、HBW之前的數(shù)字表示硬度之前的數(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。直徑、載荷及載荷保持時(shí)間。如如: :120HBS10/1000/30表示表示直徑為直徑為10mm的的鋼球鋼球在在1000kgf（9.807kN）載荷載荷作用下作用下保保持持30s測得的測得的布氏硬度值為布氏硬度值為120。(2)洛氏硬度洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness )h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計(jì)洛氏硬度計(jì)10HRCHBS(3)維氏硬度維氏硬度 HV ( diamond penetrator hardnes

14、s )適用范圍適用范圍: 測量薄板類測量薄板類 ; HVHBS ;(5) 銼刀法銼刀法: 一組硬度差為一組硬度差為5HRC的銼刀。的銼刀。例如例如:10HRC、15HRC、20HRC等。等。六六.沖擊韌性沖擊韌性( notch toughness ): 材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。的能力。沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖試樣沖斷時(shí)所消耗的試樣沖斷時(shí)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) S0七七.疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度( fatigue strength ): 表示材料經(jīng)無數(shù)次交變載荷作表示材料經(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。用而不致引起斷裂的最大應(yīng)力值。鋼材的循環(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(qiáng)度疲勞強(qiáng)度與與抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系之間的關(guān)系: -1 = (0.45 (0.450.55)0.55) b19