材料的性能-工程材料

第三節(jié)

金屬材料的性能

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。力學(xué)性能強(qiáng)度硬度斷裂韌度疲勞主要指標(biāo)：塑性韌性強(qiáng)度塑性拉伸試驗拉伸試驗拉伸試驗機(jī)液壓式萬能電子材料試驗機(jī)*拉伸試樣：長試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0d0L0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彈性(elasticity):金屬材料受外力作用時產(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(elasticdeformation):

隨載荷撤除而消失的變形。彈性極限(elasticlimit):

Fe彈性極限載荷(N)

σe

=

(Mpa)

S0

試樣原始橫截面積(mm2)拉伸試樣樣的頸縮縮現(xiàn)象力—伸長長曲線FesbkLFsFbO屈服彈性變形形縮頸斷裂塑性變形形強(qiáng)度(strength):材料在力力的作用用下抵抗抗變形和破破壞的能能力。種類:抗拉強(qiáng)度度、抗抗壓強(qiáng)度度、抗抗彎強(qiáng)強(qiáng)度、抗抗剪強(qiáng)強(qiáng)度、、抗扭扭強(qiáng)度等等。(2)屈屈服強(qiáng)度度(yieldstrength):屈服點S

Fs

σs

=

(Mpa)

S0試樣屈服時的載荷(N)試樣原始橫截面積(mm2)規(guī)定殘余余伸長應(yīng)應(yīng)力：r0.2=Fr0.2/S0slF0.20.2%l0o(3)抗抗拉強(qiáng)度度(tensilestrength):試樣在斷斷裂前所所能承受受的最大大應(yīng)力。。

Fb試樣斷裂前的最大載荷(N)

σb=

(Mpa)

S0試樣原始橫截面積(mm2)力學(xué)性性能能強(qiáng)度硬度韌性斷裂韌度度疲勞主要指標(biāo)標(biāo)：塑性塑性(plasticity):是指材料料在載荷荷作用下下產(chǎn)生塑性性變形而而不被破破壞的能能力。(1)斷斷面收縮縮率(percentagereductioninarea):是指試樣樣拉斷處處橫截面面積S1的收縮量量與原始始橫截面面積S0之比。

S0-S1

ψ=×100%S0(2)斷斷后伸長長率(延延伸率)specificelongation:是指試樣樣拉斷后后的標(biāo)距距伸長量量L1與原始標(biāo)距距L0之比。

L1–L0δ=×100%L0

δ<2~5%屬屬脆性性材科δ≈5~10%屬屬韌性材材料δ>10%屬屬塑塑性材料料長試樣：：δ10簡簡寫為為δ短試樣：：δ5同一種材材料的δ5>δ10硬度(hardness)1.定義義：是指材料料抵抗其其它更硬硬物體壓壓入其表表面的能能力。2.硬度度試驗方方法：（1）壓壓入法（2）劃劃痕法（3）回回跳法布氏硬度度HB洛氏硬度度HR維氏硬度度HV壓入法(一)布布氏硬度度HB(Brinell-hardness)布氏硬度計

觀看布氏氏硬度1.壓頭頭：淬火鋼球球HBS硬質(zhì)合金金鋼球HBW2.試驗驗原理：：用一定直直徑的壓壓頭（球球體），，以相應(yīng)應(yīng)試驗力力壓入待待測表面面，保持持規(guī)定時時間卸載載后，測量材料料表面壓壓痕直徑徑，以此計計算出硬硬度值。。FFHB=———=——————SDhDh=—————2Dd——––————2222布氏硬度度值450的的材料選用淬火鋼球球壓頭例如：200HBS350HBS布氏硬度度值450~650的材料選用硬質(zhì)合金金球壓頭例如：550HBW600HBW3.標(biāo)注注：符號HBS或HBW之前的數(shù)數(shù)字表示示硬度值，符號后后面的數(shù)數(shù)字按順順序分別別表示球體直徑徑、載荷及載荷保持持時間。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測得的布氏硬度度值為120。4.特特點點：：優(yōu)點點：測量量誤誤差差小小（（因因壓壓痕痕大大）），，數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)穩(wěn)穩(wěn)定定，，重重復(fù)復(fù)性性強(qiáng)強(qiáng)。。缺點點：壓痕痕面面積積較較大大，，測測量量費(fèi)費(fèi)時時。。應(yīng)用用：常用用于于測量量較較軟軟材材料料、、灰灰鑄鑄鐵鐵、、有有色色金金屬屬、、退退火火正正火火鋼鋼材材的的硬硬度度。。不適適于于測量量成成品品零零件件或或薄薄件件的的硬硬度度。。(二二)洛洛氏氏硬硬度度HR(Rockwllhardness)觀看看洛洛氏氏硬硬度度1.壓壓頭頭：：120oo金金剛剛石石圓圓錐錐體體鋼鋼球球鋼球球HRAHRCHRB2.試試驗驗原原理理：：用錐錐頂頂角角為為120°°的的金金剛剛石石圓圓錐錐或或直直徑徑1.588mm的的淬淬火火鋼鋼球球，，以以相相應(yīng)應(yīng)試試驗驗力力壓壓入入待待測測表表面面，，保保持持規(guī)規(guī)定定時時間間卸卸載載后后卸卸除除主主試試驗驗力力，，以以測測量量的的殘殘余余壓壓痕痕深深度度增增量量來來計計算算出出硬硬度度值值。。00112332h1h2h3h1-1初初載載10kgh12-2總總載載150kgh23-3卸卸載載140kgh3最后后測測得得：：殘余余壓壓痕痕深深度度增增量量hHR=C-h/0.002h=h3-h1HR=h/0.002洛氏氏硬硬度度值值的的表表示示：：70~85HRA25~100HRB20~70HRCHRA、、HRB、、HRC分分別別測測得得的的硬硬度度，，不可可直直接接比比較較大大小小例如如：：50HRC<70HRA〤50HRB>40HRC〤3.特特點點：：優(yōu)點點：測量量操操作作簡簡單單，，方方便便快快捷捷，，壓壓痕痕小?。?；測測量量范范圍圍大大，，能能測測較較薄薄工工件件。。缺點點：測量量精精度度較較低低，，可可比比性性差差，，不不同同標(biāo)標(biāo)尺尺的的硬硬度度值值不不能能比比較較。。是生生產(chǎn)產(chǎn)中中應(yīng)應(yīng)用用最最廣廣泛泛的的硬硬度度試試驗驗方方法法。?？捎糜糜谟诔善菲窓z檢驗驗和和薄薄件件表表面面硬硬度度檢檢驗驗。。不適適于于測量量組組織織不不均均勻勻材材料料。。應(yīng)用用：(三三)維維氏氏硬硬度度HV(diamondpenetratorhardness)維氏硬硬度度計計1.壓壓頭頭：：錐面面夾夾角角為為136oo的的金金剛剛石石正四四棱棱錐錐體體2.試試驗驗原原理理：：與布布氏氏硬硬度度試試驗驗原原理理基基本本相相同同。。只是是壓壓頭頭改改用用了了金金剛剛石石四四棱棱錐錐體體。。以一一定定的的試試驗驗力力將將壓壓頭頭壓壓入入試試樣樣表表面面，，保保持持規(guī)規(guī)定定時時間間卸卸載載后后，，在在試試樣樣表表面面留留下下一一個個四四方方錐錐形形的的壓壓痕痕，，測測量量壓壓痕痕兩兩對對角角線線長長度度，，以以此此計計算算出出硬硬度度值值。。2.試試驗驗原原理理：：用壓壓痕痕兩兩對對角角線線的的平平均均長長度度來來計計算算。。HV=F/Saad3.標(biāo)標(biāo)注注：：與布布氏氏硬硬度度基基本本相相同同，，在在后后面面要要標(biāo)標(biāo)注注試試驗驗條條件件——試驗驗力力和保持持時時間間（（10~15S不標(biāo)標(biāo)））。例：：580HV30表示示用用30kgf(294.2N)試驗驗力力保持持10~15S測定定的的維氏氏硬硬度度值值為為580。4.特特點點：：優(yōu)點點：適用用范范圍圍廣廣，，從從極極軟軟到到極極硬硬材材料料都都可可測測量量;測量量精精度度高高，，可可比比性性強(qiáng)強(qiáng)；；能能測測較較薄薄工工件件。。缺點點：測量量操操作作較較麻麻煩煩，，測測量量效效率率低低。。應(yīng)用用：廣泛泛用用于于科科研研單單位位和和高高校校，，以以及及薄薄件件表表面面硬硬度度檢檢驗驗。。不適適于于大批批生生產(chǎn)產(chǎn)和和測測量量組組織織不不均均勻勻材材料料。。韌性性(toughness):材料料在在沖沖擊擊載載荷荷作作用用下下抵抵抗抗破破壞壞的的能能力力。。1.定定義義：：沖擊擊試試驗驗機(jī)機(jī)沖擊擊試試樣樣和和沖沖擊擊試試驗驗示示意意圖圖2.金金屬屬的的夏夏比比沖沖擊擊試試驗驗:試樣樣沖沖斷斷時時所所消消耗耗的的沖擊擊功功Ak為:Ak=mgH––mgh(J)g沖擊擊韌韌度度ak就是是試試樣樣缺缺口口處處單單位位截截面面積積上上所所消消耗耗的的沖沖擊擊吸吸收收功功。。

AK

ak=(J/cm2)S03.韌韌脆脆轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變變溫溫度度:-40-20020204060akT(oc)T↓↓，，ak急劇劇↓↓韌性性→→脆脆性性金屬屬材材料料的的韌韌脆脆轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變變溫溫度度↓↓，，材材料料的的低低溫溫沖沖擊擊韌韌性性愈愈好好。。斷裂裂韌韌度度1、、低低應(yīng)應(yīng)力力脆脆斷斷有些些零零件件在在工工作作應(yīng)應(yīng)力力遠(yuǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低低于于屈屈服服點點時時就就會會發(fā)發(fā)生生脆脆性性斷斷裂裂。。這這種種現(xiàn)現(xiàn)象象稱稱為為低低應(yīng)應(yīng)力力脆脆斷斷。。式中中：：Y__裂裂紋紋的的幾幾何何形形狀狀因因子子;σ__外外加應(yīng)應(yīng)力（（N/mm2）；a__裂裂紋的的半長長（mm））；K1__強(qiáng)度因因子（（MPa··m1/2或MN·m-3/2）當(dāng)K1達(dá)到臨臨界值值K1C時，零零件內(nèi)內(nèi)裂紋紋將發(fā)發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)擴(kuò)展而出現(xiàn)現(xiàn)低應(yīng)力力脆性性斷裂裂，而K1＜K1C時，零零件安安全可可靠。。K1=Yσa2、應(yīng)應(yīng)力場場強(qiáng)度度因子子當(dāng)K1達(dá)到臨臨界值值K1C時，零零件內(nèi)內(nèi)裂紋紋將發(fā)發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)擴(kuò)展而出現(xiàn)現(xiàn)低應(yīng)力力脆性性斷裂裂，而K1＜K1C時，零零件安安全可可靠。。3、斷斷裂韌韌度K1C材料抵抵抗裂裂紋擴(kuò)擴(kuò)展的的能力力斷裂裂韌度度表示。反應(yīng)材材料有有裂紋紋存在在時，，抵抗抗脆性性斷裂裂的能能力。。K1c可通通過試試驗來來測定定，它它是材材料本本身的的特性性，與與材料料成分分、熱熱處理理及加加工工工藝等等有關(guān)關(guān)。為安全全設(shè)計計提供供了一一個重重要的的力學(xué)學(xué)性能能指標(biāo)標(biāo)常見工工程材材料的的斷裂裂韌度度K1C值（MN··m-3/2）根據(jù)K1=Yσa≥K1C的臨界界判據(jù)據(jù)知：：為使零零件不不發(fā)生生脆斷斷，設(shè)設(shè)計者者可以以控制制三個個參數(shù)數(shù)：材材料的的斷裂裂韌度度K1C、名義義工作作應(yīng)力力σ和零件件內(nèi)的的裂紋紋長度度a，它們們之間間的定定量關(guān)關(guān)系能能直接接用于于設(shè)計計計算算，可可以解解決以以下三三方面面的工工程實實際問問題：：1）根根據(jù)零零件的的實際際工作作應(yīng)力力σ和其內(nèi)內(nèi)可能能的裂裂紋尺尺寸a，確定定材料料應(yīng)有有的斷斷裂韌韌度K1C，為正正確選選材提提供依依據(jù)；；2）根根據(jù)零零件所所使用用的材材料斷斷裂韌韌度K1C及已探探傷出出的零零件內(nèi)內(nèi)存在在的裂裂紋尺尺寸a，確定定零件件的臨臨界斷斷裂應(yīng)應(yīng)力σC，為零零件最最大承承載能能力設(shè)設(shè)計提提供依依據(jù)；；3）根根據(jù)已已知材材料的的斷裂裂韌度度K1C和零件件的實實際工工作應(yīng)應(yīng)力σ，估算算斷裂裂時的的臨界界裂紋紋長度度aC，為零零件的的裂紋紋探傷傷提供供依據(jù)據(jù)。1、疲疲勞現(xiàn)現(xiàn)象零件在在循環(huán)環(huán)應(yīng)力力的作作用，，即使使工作作時承承受的的應(yīng)力力低于于材料料的屈屈服點點或規(guī)規(guī)定殘殘余伸伸長應(yīng)應(yīng)力，，在經(jīng)經(jīng)受一一定的的應(yīng)力力循