模塊一 金屬材料力學(xué)性能與測試

1、模塊一 金屬材料力學(xué)性能與測試第1頁，共25頁，2022年，5月20日，6點17分，星期四四種材料（金屬、陶瓷、聚合手和復(fù)合材料）的相對重要性第2頁，共25頁，2022年，5月20日，6點17分，星期四機械工程材料金屬材料非金屬材料黑色金屬碳素鋼有色金屬鑄鐵合金鋼無機非金屬材料有機材料塑料橡膠陶瓷合成纖維鋁合金銅合金其他有色合金復(fù)合材料粉末冶金上述各種材料中，金屬材料是工程中應(yīng)用最廣泛的。第3頁，共25頁，2022年，5月20日，6點17分，星期四東漢晚期的青銅奔馬（馬踏飛燕）第4頁，共25頁，2022年，5月20日，6點17分，星期四河北滄州的鐵獅子第5頁，共25頁，2022年，5月20日，

2、6點17分，星期四第一節(jié)金屬材料的力學(xué)性能鑄造性 可鍛性可焊性切削加工性熱處理性金屬材料的性能 使用性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能 工藝性能第6頁，共25頁，2022年，5月20日，6點17分，星期四工藝性能是指金屬材料在加工制造中表現(xiàn)出的性能，顯示了金屬材料加工制造的難易程度。 使用性能是指金屬材料在正常工作條件下，材料應(yīng)具備的性能，它包括力學(xué)性能、和物理性能化學(xué)性能，重點是力學(xué)性能。金屬材料在外力（載荷）作用下所表現(xiàn)出的抵抗變形和破壞的能力，叫力學(xué)性能；是金屬材料重要的指標(biāo)。金屬材料的力學(xué)性能包括強度、塑性、硬度、沖擊韌性和疲勞強度等。材料的力學(xué)性能通常是在試驗室內(nèi)模擬生產(chǎn)條件來確定合適的試

3、驗方法。利用不同的試驗方法來確定材料的力學(xué)行為特征及評定材料力學(xué)性能的指標(biāo)。這些性能指標(biāo)是材料設(shè)計、材料選用、工藝評定以及材料檢驗的重要依據(jù)。C:Documents and SettingsAdministrator桌面二維動畫材料所受外力的形式.swf桌面二維動畫材料所受外力的形式.swf第一節(jié) 金屬材料的力學(xué)性能一、強度可通過金屬拉伸試驗來測定。第7頁，共25頁，2022年，5月20日，6點17分，星期四、拉伸試驗及力伸長曲線根據(jù)拉伸力與試樣變形量之間的對應(yīng)關(guān)系，可以繪制出力伸長曲線圖（一般由拉伸試驗機自動繪出）如下圖所示所示。通過力伸長曲線，即可計算得出強度指標(biāo)和塑性指標(biāo)，這些指標(biāo)是評定

4、材料質(zhì)量的主要判據(jù)。 拉伸試樣式第8頁，共25頁，2022年，5月20日，6點17分，星期四液壓式萬能電子材料試驗機第9頁，共25頁，2022年，5月20日，6點17分，星期四拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象C:Documents and SettingsAdministrator桌面二維動畫低碳鋼應(yīng)力應(yīng)變圖.swf第10頁，共25頁，2022年，5月20日，6點17分，星期四第11頁，共25頁，2022年，5月20日，6點17分，星期四伸長量度L載荷F(N)FbFsFeFpp彈性變形外力去除后能完全消失的變形；塑性變形外力去除后不能消失的變形。第12頁，共25頁，2022年，5月20日，6點17分，星期四

5、根據(jù)材料的拉伸曲線可知，不同的金屬材料有不同的拉伸曲線，而即使同一材料，當(dāng)直徑不同時，位伸曲線也不一樣，為了比較不同材料的力學(xué)性能的大小，我們引入了強度和塑性兩個名詞。、強度強度是指金屬材料在外力作用下抵抗塑性（永久變形）和斷裂的能力,用；表示， O （ MPa兆帕）。F-金屬材料所受的外力，N；O -金屬材料原始截面積，m2 。根據(jù)金屬材料所受載荷所產(chǎn)生的不同的變形情況，有三個重要的強度參數(shù)，分別是彈性強度（彈性極限）、屈強度和抗拉強度（強度極限）。（）彈性強度金屬材料在載荷作用下產(chǎn)生彈性變形所能承受的最大應(yīng)力稱為彈性強度，用e表示， e eO 單位 (MPa) 。第13頁，共25頁，202

6、2年，5月20日，6點17分，星期四e -金屬材料產(chǎn)生彈性變形所能承受的最大外力，N；O -金屬材料原始截面積，m2 。（）屈服強度金屬材料在載荷作用下開始明顯塑性變形時的最低應(yīng)力稱為塑性強度，用s表示， s sO 單位 (MPa) 。e -金屬材料產(chǎn)生塑性變形所能承受的最低外力，N；O -金屬材料原始截面積，m2 。生產(chǎn)中使用的某些金屬材料無明顯的屈服現(xiàn)象時，不能確定其屈服點時，國標(biāo)中規(guī)定，有條件屈服強度來表示，即材料變形時為試樣標(biāo)距長度的0.2%時，材料所能承受的應(yīng)力，用符號0.2表示。（）抗拉強度金屬材料在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力稱為抗拉強度，用符號b表示， b bO 單位 (MPa)

7、。第14頁，共25頁，2022年，5月20日，6點17分，星期四b -金屬材料在斷裂前所能承受的最大外力，N；O -金屬材料原始截面積，m2 。由于脆性材料沒有屈服現(xiàn)象，用b作為設(shè)計依據(jù)。二、塑性塑性是指金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力，常用的塑性指標(biāo)有伸長率和斷面收縮率 。、伸長率材料拉斷后，標(biāo)距長度的增加量與原標(biāo)距長度的百分比稱為伸長率，用表示；式中，l0材料原標(biāo)距原長度，mm；l1 材料斷裂后標(biāo)距長度，mm .第15頁，共25頁，2022年，5月20日，6點17分，星期四、斷面收縮率材料拉斷后，標(biāo)距橫截面積的縮減量與原橫截面積的百分比稱為斷面收縮率，用字母表示； 式中，A0

8、試樣原始橫截面積， mm2 ；A1拉斷后最小的橫截面積，mm2。 和 是衡量金屬材料塑性變形能力大小的指標(biāo)，和越大，表示材料的塑性越好，既能保證壓力加工的順利進行，又保證機件工作時的安全可靠。第16頁，共25頁，2022年，5月20日，6點17分，星期四三、硬度硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標(biāo)，是金屬表面抵抗局部塑性變形或破壞的能力。目前生產(chǎn)上應(yīng)用最廣的靜載荷壓入法硬度試驗有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。1、布氏硬度試驗原理如圖所示；用一定直徑的鋼球或硬質(zhì)全金球，以第17頁，共25頁，2022年，5月20日，6點17分，星期四相應(yīng)的試驗力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定的保持時間后，卸除試驗力，用讀數(shù)顯微

9、鏡測量試樣表面的壓痕直徑，用試驗力除以壓痕球形表面積所得到的商，就是布氏硬度值。當(dāng)壓頭為淬火鋼球時，用HBS表示，它適用于硬度值在450以下材料，當(dāng)壓頭為硬質(zhì)合金時，用HBW表示,適用于硬度值在650以下。 對于不同的金屬材料，只要保證F/A恒定，就可以保證壓痕的幾何形狀不同，則測試的結(jié)果就可以反映出來不同材料的硬度值。C:Documents and SettingsAdministrator桌面二維動畫布氏硬度1.swf布氏硬度計 第18頁，共25頁，2022年，5月20日，6點17分，星期四第19頁，共25頁，2022年，5月20日，6點17分，星期四沖擊試驗原理C:Documents a

10、nd SettingsAdministrator桌面二維動畫擺錘式?jīng)_擊試驗.swf第20頁，共25頁，2022年，5月20日，6點17分，星期四第21頁，共25頁，2022年，5月20日，6點17分，星期四 此時試樣沖斷時所消耗的沖擊功Ak為: A k = m g H m g h (J) 而金屬的沖擊韌度a k就是沖斷試樣時在缺口處單位面積所消耗的功，即： a k = (J/cm)式中： a k沖擊韌度， J/cm； A 試樣缺口處原始截面積，cm； A k沖斷試樣所消耗的功，J。 沖擊吸收功A k的值可從試驗機上的刻盤上直接讀出，如下圖所示。 A kA第22頁，共25頁，2022年，5月20

11、日，6點17分，星期四五、疲勞強度 許多機械零件是在交變應(yīng)力（循環(huán)應(yīng)力）作用下工作的，此時，雖然零件所承受的應(yīng)力數(shù)值小于材料的屈服強度，但在長時間運轉(zhuǎn)后也會發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象叫疲勞斷裂。 交變應(yīng)力的大小和斷裂循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系通常用疲勞曲疲勞曲線第23頁，共25頁，2022年，5月20日，6點17分，星期四線來來描述。疲勞曲線表明，當(dāng)應(yīng)力低于某一值時，即使循環(huán)次數(shù)無窮多也不發(fā)生斷裂，此應(yīng)力值稱為疲勞強度或疲勞極限，用符號-1表示。在疲勞強度測定中，不可能把循環(huán)次數(shù)做到無窮大，而是規(guī)定一定的循環(huán)次數(shù)作國基數(shù)。 常用鋼材的循環(huán)基數(shù)一般取 N = 107，有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 108。第24頁，共25頁，2022年，5月20日，6點17分，星期四小資料金屬的高溫力學(xué)性能 金屬材料隨溫度的升高，彈性模量E、屈服強度S、硬度等值降低，而塑性增加 的現(xiàn)象稱高溫蠕變。小資料：紐約世界貿(mào)易中心大樓曾是世界第一高樓，它高411米，單個塔樓的重量約5萬噸；撞擊大樓的波音757飛機起飛重量104噸，波音767飛機起飛重量156噸，它們的飛行速度大約是每小時1000公里。 這次撞擊大樓的波音757飛機大約可載35噸燃油，波音767飛機可載51噸燃油，由于是從美國東部飛往西部的遠程航班，所以飛機上的油箱估計裝滿了燃油。第一波飛機撞擊世貿(mào)大樓的