金屬材料的性能

1、金屬材料的性能第1頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三材 料 的 性 能使用性能工藝性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能鑄造性能鍛壓性能熱處理性能焊接性能第2頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三力學(xué)性能定義 : 是指金屬材料在外力的作用下所表現(xiàn)出來的抵抗能力。第3頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三 力 學(xué) 性 能強(qiáng)度硬度斷裂韌度疲勞主要指標(biāo)：塑性韌性第4頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三強(qiáng)度塑性拉伸試驗(yàn)第5頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)機(jī)第6頁，共67頁，2022年，

2、5月20日，22點(diǎn)16分，星期三液壓式萬能電子材料試驗(yàn)機(jī)第7頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三* 拉伸試樣：長試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0d0L0第8頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三力伸長曲線FesbkLFsFbO屈服彈性變形縮頸斷裂塑性變形塑性變形:外力去除后不能消失的變形第9頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三彈性( elasticity ):金屬材料受外力作 用時(shí)產(chǎn)生變形,當(dāng)外力去掉后能恢復(fù) 到原來形狀及尺寸的性能。彈性變形( elastic deformation ): 隨載荷撤除而消失的變形。 彈性極

3、限( elastic limit ): Fe 彈性極限載荷( N ) e = ( M pa ) S0 試樣原始橫截面積( mm2)第10頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象第11頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三力伸長曲線FesbkLFsFbO屈服彈性變形縮頸斷裂塑性變形第12頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三強(qiáng)度(strength): 材料在力的作用下抵抗 變形和破壞的能力。種類: 抗拉強(qiáng)度、 抗壓強(qiáng)度、 抗彎強(qiáng) 度 、 抗剪強(qiáng)度 、 抗扭強(qiáng)度等。 (2)屈服強(qiáng)度( yield strength): 屈服

4、點(diǎn) S Fs s = ( M pa ) S0試樣屈服時(shí)的載荷( N )試樣原始橫截面積( mm2)第13頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三規(guī)定殘余伸長應(yīng)力： r0.2 =Fr0.2/S 0slF0.20.2%l0o第14頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三(3)抗拉強(qiáng)度( tensile strength ): 試樣在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力。 F b 試樣斷裂前的最大載荷(N) b = ( M pa ) S 0 試樣原始橫截面積( mm2)第15頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三 力 學(xué) 性 能強(qiáng)度硬度韌性斷裂韌度疲勞主要

5、指標(biāo)：塑性第16頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三塑性(plasticity):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(percentage reduction in area): 是指試樣拉斷處橫截面積S 1 的收縮量與原始橫截面積S0之比。 S0 - S 1 = 100% S0 第17頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三(2)斷后伸長率(延伸率) specific elongation: 是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長量L 1與原始標(biāo)距L 0之比。 L 1 L 0 = 100% L 0 10% 屬塑性材料第18頁，共67

6、頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三長試樣：10 簡寫為短試樣：5 同一種材料的5 10第19頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三硬度( hardness )1.定義： 是指材料抵抗其它更硬物體壓入其表面的能力。第20頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三2.硬度試驗(yàn)方法：（1）壓入法（2）劃痕法（3）回跳法第21頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三 布氏硬度HB 洛氏硬度HR 維氏硬度HV壓入法第22頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三(一)布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬

7、度計(jì) 第23頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三觀看布氏硬度第24頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三1.壓頭：淬火鋼球 HBS硬質(zhì)合金鋼球 HBW第25頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三2.試驗(yàn)原理： 用一定直徑的壓頭（球體），以相應(yīng)試驗(yàn)力壓入待測表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載后，測量材料表面壓痕直徑，以此計(jì)算出硬度值。第26頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三第27頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三 F F HB= = S Dh D h = 2 D d 2 2 22第28頁，共67頁，

8、2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三布氏硬度值450的材料 選用淬火鋼球壓頭例如：200HBS 350HBS第29頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三布氏硬度值450650的材料 選用硬質(zhì)合金球壓頭例如：550HBW 600HBW第30頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三3.標(biāo)注： 符號(hào)HBS或HBW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直徑、載荷及載荷保持時(shí)間。如:120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。第31頁，共67頁，202

9、2年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三4. 特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：測量誤差小（因壓痕大），數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。缺點(diǎn)：壓痕面積較大，測量費(fèi)時(shí)。應(yīng)用：常用于測量較軟材料、灰鑄鐵、有色金屬、退火正火鋼材的硬度。不適于測量成品零件或薄件的硬度。第32頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三(二)洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness )第33頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三觀看洛氏硬度第34頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三1.壓頭：120金剛石圓錐體鋼球鋼球 HRAHRCHRB第35頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)1

10、6分，星期三2.試驗(yàn)原理： 用錐頂角為120的金剛石圓錐或直徑1.588mm的淬火鋼球，以相應(yīng)試驗(yàn)力壓入待測表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載后卸除主試驗(yàn)力，以測量的殘余壓痕深度增量來計(jì)算出硬度值。第36頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三00112332h1h2h3h1-1 初載10kg h12-2 總載150kg h23-3 卸載140kg h3最后測得：殘余壓痕深度增量 hHR=C-h/0.002h=h3-h1HR=h/0.002第37頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三洛氏硬度值的表示：7085HRA25100HRB2070HRC第38頁，共67頁，20

11、22年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三HRA、HRB、HRC分別測得的硬度，不可直接比較大小例如： 50HRC40HRC 第39頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三3.特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：測量操作簡單，方便快捷，壓痕??；測量范圍大，能測較薄工件。缺點(diǎn)：測量精度較低，可比性差，不同標(biāo)尺的硬度值不能比較。第40頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三是生產(chǎn)中應(yīng)用最廣 泛的硬度 試驗(yàn)方法?？捎糜诔善窓z驗(yàn)和薄件表面硬度檢驗(yàn)。不適于測量組織不均勻材料。應(yīng)用：第41頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三(三)維氏硬度 HV ( diamond pene

12、trator hardness )維氏硬度計(jì)第42頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三1.壓頭： 錐面夾角為136的金剛石正四棱錐體第43頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三2.試驗(yàn)原理： 與布氏硬度試驗(yàn)原理基本相同。 只是壓頭改用了金剛石四棱錐體。第44頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三 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，在試樣表面留下一個(gè)四方錐形的壓痕，測量壓痕兩對角線長度，以此計(jì)算出硬度值。2.試驗(yàn)原理：第45頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三用壓痕兩對角線的平均長度來計(jì)算。H

13、 V=F/Saad第46頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三3.標(biāo)注： 與布氏硬度基本相同，在后面要標(biāo)注試驗(yàn)條件試驗(yàn)力和保持時(shí)間（1015S不標(biāo)）。 例：580HV30表示用30kgf (294.2N)試驗(yàn)力保持1015S測定的維氏硬度值為580。第47頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三4.特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：適用范圍廣，從極軟到極硬材料都可測量;測量精度高，可比性強(qiáng)；能測較薄工件。缺點(diǎn)：測量操作較麻煩，測量效率低。應(yīng)用：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)和測量組織不均勻材料。第48頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16

14、分，星期三韌性(toughness ): 材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。1.定義：第49頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖2.金屬的夏比沖擊試驗(yàn):第50頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功A k為: A k = m g H m g h (J)g第51頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三 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。 AK a k = (J/cm) S0第52頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三3.韌脆轉(zhuǎn)變溫度:

15、-40-20020204060akT(c)T，ak急劇韌性脆性第53頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，材料的低溫沖擊韌性愈好。第54頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三斷裂韌度1、低應(yīng)力脆斷 有些零件在工作應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于屈服點(diǎn)時(shí)就會(huì)發(fā)生脆性斷裂。這種現(xiàn)象稱為低應(yīng)力脆斷。第55頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三式中：Y_裂紋的幾何形狀因子; _外加應(yīng)力（N/mm2）； a_裂紋的半長（mm）； K1_ 強(qiáng)度因子（MPam1/2或MNm-3/2）當(dāng)K1達(dá)到臨界值K1C時(shí)，零件內(nèi)裂紋將發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展而出現(xiàn)低應(yīng)力

16、脆性斷裂，而K1K1C時(shí)，零件安全可靠。K1=Ya2、應(yīng)力場強(qiáng)度因子第56頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三當(dāng)K1達(dá)到臨界值K1C時(shí)，零件內(nèi)裂紋將發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展而出現(xiàn)低應(yīng)力脆性斷裂，而K1K1C時(shí)，零件安全可靠。3、斷裂韌度K1C材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力斷裂韌度表示。反應(yīng)材料有裂紋存在時(shí)，抵抗脆性斷裂的能力。K1c可通過試驗(yàn)來測定，它是材料本身的特性，與材料成分、熱處理及加工工藝等有關(guān)。為安全設(shè)計(jì)提供了一個(gè)重要的力學(xué)性能指標(biāo)第57頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三常見工程材料的斷裂韌度K1C值（MNm-3/2） 第58頁，共67頁，2022年，5月2

17、0日，22點(diǎn)16分，星期三 根據(jù)K1=Ya K1C的臨界判據(jù)知： 為使零件不發(fā)生脆斷，設(shè)計(jì)者可以控制三個(gè)參數(shù)：材料的斷裂韌度K1C 、名義工作應(yīng)力和零件內(nèi)的裂紋長度a，它們之間的定量關(guān)系能直接用于設(shè)計(jì)計(jì)算，可以解決以下三方面的工程實(shí)際問題： 第59頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三1）根據(jù)零件的實(shí)際工作應(yīng)力和其內(nèi)可能的裂紋尺寸a，確定材料應(yīng)有的斷裂韌度K1C，為正確選材提供依據(jù)；2）根據(jù)零件所使用的材料斷裂韌度K1C及已探傷出的零件內(nèi)存在的裂紋尺寸a，確定零件的臨界斷裂應(yīng)力C，為零件最大承載能力設(shè)計(jì)提供依據(jù)；3）根據(jù)已知材料的斷裂韌度K1C和零件的實(shí)際工作應(yīng)力，估算斷裂

18、時(shí)的臨界裂紋長度aC，為零件的裂紋探傷提供依據(jù)。 第60頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三1、疲勞現(xiàn)象 零件在循環(huán)應(yīng)力的作用，即使工作時(shí)承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)或規(guī)定殘余伸長應(yīng)力，在經(jīng)受一定的應(yīng)力循環(huán)后也會(huì)發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞（ fatigue ）第61頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三2、疲勞極限-1: 表示金屬材料在無數(shù)次交變載荷作 用而不破壞的最大應(yīng)力。第62頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三疲勞曲線第63頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 107有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 1083、提高疲勞極限途徑改善零件的結(jié)構(gòu)形狀降低表面粗糙度值采取表面強(qiáng)化第64頁，共67頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三1943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂第65頁，共67頁，202