金屬材料的力學(xué)性能（課堂PPT）

1、12單元一單元一 金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能單元二單元二 金屬材料的工藝性能金屬材料的工藝性能內(nèi)內(nèi) 容容3 掌握金屬材料的掌握金屬材料的強(qiáng)度強(qiáng)度和和塑性塑性的概念；的概念；掌握金屬材料的掌握金屬材料的疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度的概念；的概念；掌握金屬材料掌握金屬材料沖擊韌性沖擊韌性的概念；的概念；掌握材料掌握材料硬度硬度的概念和三種硬度表示方法；的概念和三種硬度表示方法；了解材料性能的表示方法。了解材料性能的表示方法。4一、強(qiáng)度、塑性；一、強(qiáng)度、塑性；二、疲勞強(qiáng)度；二、疲勞強(qiáng)度；三、沖擊韌性；三、沖擊韌性；四、硬度四、硬度5利用強(qiáng)度、硬度和塑性等指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)材料利用強(qiáng)度、硬度和塑性等指標(biāo)綜合評(píng)

2、價(jià)材料。強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性的概念。強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性的概念。67具有金屬光澤。具有金屬光澤。具有較好的延展性，容易加工成型。具有較好的延展性，容易加工成型。易導(dǎo)電、傳熱，是熱和電的良導(dǎo)體。易導(dǎo)電、傳熱，是熱和電的良導(dǎo)體。8使用性能使用性能力學(xué)性能力學(xué)性能 ( (強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等) )物理性能物理性能（指熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、磁性等）（指熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、磁性等）化學(xué)性能化學(xué)性能 ( (抗氧化性、抗腐蝕性等抗氧化性、抗腐蝕性等) )其它性能其它性能 ( (耐磨性、熱硬性、消振性等耐磨性、熱硬性、消振性等) )工藝性能工藝性能加工成形的性能加工成形的性能

3、9靜載荷靜載荷是指外力的大小和方向不變或變化很緩慢的載荷；沖擊載荷沖擊載荷是指突然增加的載荷；疲勞載荷疲勞載荷則是指大小和方向隨時(shí)間作周期性變化的載荷。 根據(jù)載荷作用性質(zhì)不同 靜載荷沖擊載荷疲勞載荷是指金屬材料在是指金屬材料在外加載荷外加載荷作用下所表現(xiàn)出來的抵抗能力。作用下所表現(xiàn)出來的抵抗能力。10工件在不同載荷形式下產(chǎn)生的變形變形 11抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度根據(jù)所加載荷形式的不同，強(qiáng)度表現(xiàn)為：根據(jù)所加載荷形式的不同，強(qiáng)度表現(xiàn)為：12（金屬的抗拉強(qiáng)度和塑性都是通過拉伸試驗(yàn)測(cè)定）（金屬的抗拉強(qiáng)度和塑性都是通過拉伸試驗(yàn)測(cè)定）GB/T228.1-2010G

4、B/T228.1-201013 d0L0長試樣長試樣：L L0 0 =10 =10d d0 0 短試樣短試樣：L L0 0 =5 =5d d0 0 14液壓式萬能電子材料試驗(yàn)機(jī)液壓式萬能電子材料試驗(yàn)機(jī)15 e e 彈性極限點(diǎn)彈性極限點(diǎn)S S 屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)b b 極限載荷點(diǎn)極限載荷點(diǎn) （縮頸點(diǎn)）（縮頸點(diǎn)）K K 斷裂點(diǎn)斷裂點(diǎn)16（1 1） 彈性變形階段彈性變形階段（2 2） 屈服變形階段屈服變形階段（3 3） 強(qiáng)化階段強(qiáng)化階段（4 4） 縮頸階段縮頸階段拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象17彈性彈性: : 金屬材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去掉后能回復(fù)金屬材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去掉

5、后能回復(fù)其原來形狀的性能，叫做彈性。其原來形狀的性能，叫做彈性。彈性變形彈性變形: : 隨著外力消失而消失的變形，叫做彈性變形。隨著外力消失而消失的變形，叫做彈性變形。塑性變形塑性變形: : 在外力消失后留下來的這部分不可恢復(fù)的變形，叫在外力消失后留下來的這部分不可恢復(fù)的變形，叫做塑性變形。做塑性變形。18脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象。脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象?；一诣T鑄鐵鐵的的拉拉伸伸曲曲線線19強(qiáng)度強(qiáng)度：用于表示金屬材料在外力作用下抵抗塑性變：用于表示金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和破壞的能力。形和破壞的能力。工程上常用的工程上常用的強(qiáng)度衡量指標(biāo)強(qiáng)度衡量指標(biāo)屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)屈服

6、強(qiáng)度屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度注意：一般多用抗拉強(qiáng)度作為判別金屬強(qiáng)度高低注意：一般多用抗拉強(qiáng)度作為判別金屬強(qiáng)度高低的指標(biāo)。的指標(biāo)。20對(duì)具有明顯屈服現(xiàn)象的材料對(duì)具有明顯屈服現(xiàn)象的材料 金屬材料產(chǎn)生屈服現(xiàn)象的最低應(yīng)力值稱為屈服強(qiáng)度，用 ReL 表示，即 對(duì)無明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料對(duì)無明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料常用其產(chǎn)生0.2%塑性應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值作為名義屈服點(diǎn)，稱為名義(條件)屈服強(qiáng)度，用 Rp0.2表示。如高碳鋼、銅合金、鋁合金等。F0.2S0Rp0.2 =（MPa）（MPa）條件屈服強(qiáng)度條件屈服強(qiáng)度: :屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 是塑性材料選材和評(píng)定的依據(jù)。是塑性材料選材和評(píng)定的依據(jù)。屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度:

7、0SFReLeL21脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象。脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象。22是指試樣在拉斷前所承受的最大應(yīng)力。即：是指試樣在拉斷前所承受的最大應(yīng)力。即：2mm式中：式中：Fm試樣在拉斷前所受到的最大載（試樣在拉斷前所受到的最大載（N）；）； So試樣原始橫截面積（試樣原始橫截面積（ ）。）。Rm抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 是脆性材料選材的依據(jù)。是脆性材料選材的依據(jù)。（MPaMPa）0SFRmm23屈強(qiáng)比屈強(qiáng)比（ReL/ Rm ）： 0.60.85 屈強(qiáng)比高，材料利用率越高； 屈強(qiáng)比低，零件的可靠性越高 綜合考慮材料利用率和安全性24塑性塑性: 金屬材料在外力作用下，產(chǎn)

8、生永久變形而不致引起金屬材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不致引起破壞的性能。破壞的性能。塑性的衡量（塑性指標(biāo)）：伸長率塑性的衡量（塑性指標(biāo)）：伸長率 A和斷面收縮率和斷面收縮率 Z。A 、Z越高，材料的塑性越好越高，材料的塑性越好A 10% 屬塑性材料屬塑性材料25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 與原始標(biāo)距與原始標(biāo)距 之比。之比。用用A表示，即表示，即 是指試樣拉斷處橫截面積的是指試樣拉斷處橫截面積的收縮量與原始橫截面積之比。收縮量與原始橫截面積之比。用下式表示，即：用下式表示，即：%100-00LLLAu%100-00SSSZu26硬度的含義硬度的含義布氏硬度布氏硬度洛

9、氏硬度洛氏硬度維氏硬度維氏硬度是指材料抵抗其它更硬物體壓入其表面的能力。即表是指材料抵抗其它更硬物體壓入其表面的能力。即表示金屬材料抵抗局部變形的能力。示金屬材料抵抗局部變形的能力。硬度的表示方法硬度的表示方法常用的表示方法常用的表示方法壓入法壓入法劃痕法劃痕法回跳法回跳法27 用一定直徑的壓頭（球體），以相應(yīng)試驗(yàn)力壓入待測(cè)表面，保持用一定直徑的壓頭（球體），以相應(yīng)試驗(yàn)力壓入待測(cè)表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載后，規(guī)定時(shí)間卸載后，測(cè)量材料表面壓痕直徑，測(cè)量材料表面壓痕直徑，以此計(jì)算出硬度值。以此計(jì)算出硬度值。 （1 1）布氏硬度測(cè)量原理）布氏硬度測(cè)量原理布氏硬度計(jì)28淬火鋼球淬火鋼球 HBS HBS （

10、硬度值硬度值 450450的材料）的材料）硬質(zhì)合金鋼球硬質(zhì)合金鋼球 HBWHBW （硬度值硬度值450450650650的材料）的材料）（2）壓頭：）壓頭： （3）表示方法）表示方法例如：例如：350HBS 、 600HBW一般，一般，數(shù)字?jǐn)?shù)字+布氏硬度符號(hào)或后面依次注明壓頭直徑、實(shí)驗(yàn)力布氏硬度符號(hào)或后面依次注明壓頭直徑、實(shí)驗(yàn)力以及保存時(shí)間。以及保存時(shí)間。單位為單位為MPa（通常不標(biāo)明）（通常不標(biāo)明） 29布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：壓痕大，不宜測(cè)量成品零件或薄件的硬度，以及比壓頭壓痕大，不宜測(cè)量成品零件或薄件的硬度，以及比壓頭還硬的

11、材料。還硬的材料。布氏硬度適用于：布氏硬度適用于：常用于測(cè)量較軟材料、灰鑄鐵、有色金屬、常用于測(cè)量較軟材料、灰鑄鐵、有色金屬、退火正火鋼材的硬度。調(diào)質(zhì)處理鋼、原材料，毛坯。退火正火鋼材的硬度。調(diào)質(zhì)處理鋼、原材料，毛坯。 當(dāng)當(dāng)HBS450 時(shí)有效（時(shí)有效（HBW450-650)（4）布氏硬度特點(diǎn)）布氏硬度特點(diǎn)30用錐頂角為用錐頂角為120120的金剛石圓錐或直徑的金剛石圓錐或直徑1.588mm1.588mm的淬火鋼球，以相應(yīng)試驗(yàn)力壓的淬火鋼球，以相應(yīng)試驗(yàn)力壓入待測(cè)表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載后卸入待測(cè)表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載后卸除主試驗(yàn)力，以測(cè)量的殘余壓痕深度除主試驗(yàn)力，以測(cè)量的殘余壓痕深度增量來計(jì)算出

12、硬度值。增量來計(jì)算出硬度值。實(shí)際測(cè)量時(shí)，硬度值一般有硬度計(jì)的實(shí)際測(cè)量時(shí)，硬度值一般有硬度計(jì)的刻度盤上直接讀出?？潭缺P上直接讀出。(1)(1)洛氏硬度測(cè)量原理洛氏硬度測(cè)量原理洛氏硬度計(jì)洛氏硬度計(jì)31(2) (2) 洛氏硬度的分類及應(yīng)用洛氏硬度的分類及應(yīng)用32HRA、HRB、HRC分別測(cè)得的硬度，不可直接比較大小表示為：表示為：硬度值硬度值+ +三種不同的標(biāo)尺代號(hào)三種不同的標(biāo)尺代號(hào)。（。（無單位）無單位）例如：例如：2085HRA2085HRA 20100HRB 20100HRB 2070HRC 2070HRC（3）洛氏硬度表示方法）洛氏硬度表示方法HR = (k-h) / 0.002 HR =

13、(k-h) / 0.002 不寫單位不寫單位33（4）洛氏硬度特點(diǎn)：）洛氏硬度特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)缺點(diǎn) ：測(cè)量操作簡單，方便快捷，壓痕??；測(cè)量測(cè)量操作簡單，方便快捷，壓痕??；測(cè)量范圍大，能測(cè)較薄工件。范圍大，能測(cè)較薄工件。測(cè)量精度較低，可比性差，不同標(biāo)尺的硬測(cè)量精度較低，可比性差，不同標(biāo)尺的硬度值不能比較。度值不能比較。（5）洛氏硬度應(yīng)用：）洛氏硬度應(yīng)用：34l 布氏硬度與洛氏硬度的比較u洛式硬度洛式硬度壓痕很小，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，適用成品和薄片，歸于無損檢測(cè)一類；用成品和薄片，歸于無損檢測(cè)一類；布式硬度布式硬度壓痕較大，測(cè)量值壓痕

14、較大，測(cè)量值準(zhǔn)，不適用成品和薄片，一般不歸于無損檢測(cè)一類。準(zhǔn)，不適用成品和薄片，一般不歸于無損檢測(cè)一類。u洛式硬度洛式硬度的硬度值是一無名數(shù)，沒有單位。（因此習(xí)慣稱洛式的硬度值是一無名數(shù)，沒有單位。（因此習(xí)慣稱洛式硬度為多少度是不正確的。）硬度為多少度是不正確的。） 布式硬度布式硬度的硬度值有單位，且和的硬度值有單位，且和抗拉強(qiáng)度有一定的近似關(guān)系。抗拉強(qiáng)度有一定的近似關(guān)系。u洛式硬度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

15、，然后查表或計(jì)算，操作較繁瑣。徑，然后查表或計(jì)算，操作較繁瑣。 在一定條件下，在一定條件下，HBHB與與HRCHRC可以查表互換。其心算公式可大概可以查表互換。其心算公式可大概記為：記為：1HRC1/10HB1HRC1/10HB。 35維氏硬度計(jì)維氏硬度計(jì)維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度壓痕維氏硬度壓痕36小負(fù)荷維氏硬度計(jì)小負(fù)荷維氏硬度計(jì)顯微維氏硬度計(jì)顯微維氏硬度計(jì)37用壓頭為錐面夾角為用壓頭為錐面夾角為136136的金剛石四棱錐體。以一定的試驗(yàn)的金剛石四棱錐體。以一定的試驗(yàn)力將壓頭壓入試樣表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載后，在試樣表面力將壓頭壓入試樣表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載后，在試樣表面留下一個(gè)

16、四方錐形的壓痕，測(cè)量壓痕兩對(duì)角線長度，以此計(jì)留下一個(gè)四方錐形的壓痕，測(cè)量壓痕兩對(duì)角線長度，以此計(jì)算出硬度值。算出硬度值。（2 2）表示方法）表示方法 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。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。例如：例如：580580HVHV/30/20/30/20（1）維氏硬度測(cè)量原理）維氏硬度測(cè)量原理38優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：適用范圍廣，從極軟到極硬材料都可測(cè)量適用范圍廣，從極軟到極硬材料都可測(cè)量; ;測(cè)量測(cè)量精度高，可比性強(qiáng)；能測(cè)較薄工件。精度高，可比性強(qiáng)；能測(cè)較薄工件。缺點(diǎn)

17、：缺點(diǎn)：測(cè)量操作較麻煩，測(cè)量效率低。測(cè)量操作較麻煩，測(cè)量效率低。（4）應(yīng)用：）應(yīng)用：廣泛用于科研單位和高校，以及薄件表面硬度廣泛用于科研單位和高校，以及薄件表面硬度檢驗(yàn)。不適于大批生產(chǎn)和測(cè)量組織不均勻材料。檢驗(yàn)。不適于大批生產(chǎn)和測(cè)量組織不均勻材料。（3）特點(diǎn)：）特點(diǎn)：維氏硬度保留了布氏硬度和維氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)。洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)。39 是指金屬材料在是指金屬材料在沖擊載荷作用下沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。抵抗變形和斷裂的能力。擺錘式一次沖擊試驗(yàn)擺錘式一次沖擊試驗(yàn)小能量多次沖擊試驗(yàn)小能量多次沖擊試驗(yàn)沖擊韌性的測(cè)定方法沖擊韌性的測(cè)定方法4041試樣被沖斷過程中吸收的能量即

18、試樣被沖斷過程中吸收的能量即沖擊吸收功沖擊吸收功（A Ak k ）等于擺錘沖擊試樣前后的勢(shì)能差。等于擺錘沖擊試樣前后的勢(shì)能差。()kuAmg Hh( J )( J )42沖擊韌度沖擊韌度ak就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊吸收功。就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊吸收功。ak=AkAq(J/cm)n 材料的材料的ak值愈值愈大大，韌性就愈好韌性就愈好；n 材料的材料的ak值愈值愈小小，材料的脆性愈大。材料的脆性愈大。n 通常把通常把a(bǔ)k值值小小的材料稱為的材料稱為脆性材料脆性材料n 研究表明，材料的研究表明，材料的ak值隨試驗(yàn)值隨試驗(yàn)溫度的降低而降低溫度的降低而降低。43l 低應(yīng)力脆

19、斷低應(yīng)力脆斷 工程零（構(gòu)）件有時(shí)在應(yīng)力低于許用應(yīng)力的情況工程零（構(gòu)）件有時(shí)在應(yīng)力低于許用應(yīng)力的情況下也會(huì)發(fā)生突然斷裂，稱為低應(yīng)力脆斷。下也會(huì)發(fā)生突然斷裂，稱為低應(yīng)力脆斷。l 低應(yīng)力脆斷的原因低應(yīng)力脆斷的原因 由于實(shí)際應(yīng)用的材料中常常存在一些裂紋和本身由于實(shí)際應(yīng)用的材料中常常存在一些裂紋和本身缺陷，如夾雜物、氣孔等或加工和使用過程中產(chǎn)生缺陷，如夾雜物、氣孔等或加工和使用過程中產(chǎn)生的缺陷，裂紋在應(yīng)力的作用下失穩(wěn)而擴(kuò)展，最終導(dǎo)的缺陷，裂紋在應(yīng)力的作用下失穩(wěn)而擴(kuò)展，最終導(dǎo)致零（構(gòu)）件斷裂。致零（構(gòu)）件斷裂。44 零件、工具等即使在零件、工具等即使在低于材料屈服強(qiáng)度的交變載荷低于材料屈服強(qiáng)度的交變載荷作

20、用下，作用下，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后也會(huì)發(fā)生經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后也會(huì)發(fā)生突然斷裂突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。斷裂。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。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。45材料在對(duì)稱載荷下的應(yīng)力變化規(guī)律。材料在對(duì)稱載荷下的應(yīng)力變化規(guī)律。46材料交變應(yīng)力和斷裂前應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。材料交變應(yīng)力和斷裂前應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 108鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 10N = 107 7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: R-1 = (0.45 (0.450.55) 0.55) Rm疲勞曲線疲勞曲線147 材料有雜質(zhì)、表面劃傷等缺陷材料有雜質(zhì)、表面劃傷等缺陷應(yīng)力集中應(yīng)力集中 微裂紋微裂紋 裂紋擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展 破破 壞壞48 材料方面材料方面 保證冶煉質(zhì)量，保證冶煉質(zhì)量，減少夾雜物減少夾雜物和熱加工產(chǎn)生的和熱加工產(chǎn)生的氣孔和疏松等缺陷氣孔和疏松等缺陷。設(shè)計(jì)方面設(shè)計(jì)方面 盡量使零件避免尖角、缺口和截面突變，以盡量使零件避免尖角、缺口和截面突變，以避免應(yīng)力集避