第一章金屬材料的力學(xué)性能

第一章金屬材料的力學(xué)性能第一節(jié)金屬材料的強(qiáng)度與塑性2、工藝性能—在制造機(jī)械零件的過程中，材料適應(yīng)各種冷、熱加工和熱處理的性能。1、使用性能—材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、沖壓性能、切削加工性能、熱處理工藝性能3、材料的力學(xué)性能

指材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能，主要有強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度等。材料的性能作用在機(jī)件上的外力——載荷FFF=F’

（MPa）外力——內(nèi)力——應(yīng)力F’F靜載荷動載荷R=

F’

/S1.應(yīng)力應(yīng)力：物體內(nèi)部任一截面單位面積上的相互作用力。同截面垂直的稱為“正應(yīng)力”或“法向應(yīng)力”，同截面相切的稱為“剪應(yīng)力”或“切應(yīng)力”。常用術(shù)語FF拉伸前拉伸后應(yīng)變：物體形狀尺寸所發(fā)生的相對改變。物體內(nèi)部某處的線段在變形后長度的改變值同線段原長之比值稱為“線應(yīng)變”2.應(yīng)變（1）彈性變形：

材料受外力作用時產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后恢復(fù)其原來形狀，這種隨外力消失而消失的變形，稱為彈性變形。3.兩種基本變形FFF

（2）塑性變形:

材料在外力作用下產(chǎn)生永久的不可恢復(fù)的變形，稱為塑性變形。FFF拉伸試驗FFL拉伸前拉伸后kmm—極限載荷點(diǎn)Fpp—彈性極限點(diǎn)sS—屈服點(diǎn)K—斷裂點(diǎn)拉伸曲線應(yīng)力—應(yīng)變曲線o材料的拉伸曲線1、op段：直線、彈性變形2、ps段：曲線、彈性變形+塑性變形5、m點(diǎn)出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，即試樣局部截面明顯縮小試樣承載能力降低，拉伸力達(dá)到最大值，而后降低，但變形量增大，K點(diǎn)時試樣發(fā)生斷裂。3、ss’段：水平線（略有波動）明顯的塑性變形屈服現(xiàn)象，作用的力基本不變，試樣連續(xù)伸長。4、s’m曲線：彈性變形+均勻塑性變形s’1．強(qiáng)度材料在外力作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。（1）彈性極限（Rp）指金屬材料能保持彈性變形的最大應(yīng)力。Rp

=Fp/S0（MPa）它表征了材料抵抗彈性變形的能力。（2）屈服強(qiáng)度（RS）指材料在外力作用下，產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的最小應(yīng)力。RS=Fs/S0（MPa）它表征了材料抵抗微量塑性變形的能力。當(dāng)材料單位面積上所受的應(yīng)力Rp<R<Rs時，只產(chǎn)生微量的塑性變形。當(dāng)R>Rs時，材料將產(chǎn)生明顯的塑性變形。條件屈服強(qiáng)度:R0.2=F

0.2/S0（MPa）屈服強(qiáng)度—是塑性材料選材和評定的依據(jù)。0.2%l0

mkFps對于低塑性材料或脆性材料：

Rm

=Fm/S0（MPa）（3）抗拉強(qiáng)度（Rm

）抗拉強(qiáng)度是材料在拉斷前承受最大載荷時的應(yīng)力。它表征了材料在拉伸條件下所能承受的最大應(yīng)力。抗拉強(qiáng)度—是脆性材料選材的依據(jù)。物理意義是在于它反映了最大均勻變形的抗力2.塑性常用A

和Z

作為衡量塑性的指標(biāo)。伸長率：材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不引起破壞的能力。斷面收縮率:FFL良好的塑性是金屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。第二節(jié)金屬材料的硬度定義：材料抵抗表面局部變形的能力。特別是塑形變形、壓痕或劃痕的能力。布氏硬度計1、布氏硬度HB壓頭為一定直徑的硬質(zhì)合金球，符號HBW表示例如：120HBW10/1000/30

表示直徑為10mm的硬質(zhì)合金球在1000kgf載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。

布氏硬度壓痕標(biāo)注方法：硬度值+HBW+D+F+t布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。應(yīng)用：適于測量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼,鑄鐵及有色金屬的硬度。材料的b與HB之間的經(jīng)驗關(guān)系：對于低碳鋼:

b(MPa)≈3.6HB

對于高碳鋼：b(MPa)≈3.4HB

對于鑄鐵：

b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈0.6(HB-40)2、洛氏硬度洛氏硬度用符號HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002壓頭為錐角120°的金剛石圓錐體或者直徑為1.5875mm的球（淬火鋼球或硬質(zhì)合金球）標(biāo)注方法：符號HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。例如：50HRC根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九

個標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為A、B、C。h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計HRA用于測量高硬度材料,如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。HRB用于測量低硬度材料,如有色金屬和退火、正火鋼等。HRC用于測量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。缺點(diǎn)：測量結(jié)果分散度大。鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕3、維氏硬度維氏硬度計維氏硬度試驗原理維氏硬度壓痕維氏硬度和布氏硬度的測定原理相似壓頭是對面夾角為136°的正四棱錐體金剛石，測出壓痕的對角線長度，再計算。Kgf/mm2式中：F—試驗力，NAo—壓痕面積，mm2d—壓痕對角線的算術(shù)平均值，mm。維氏硬度用符號HV表示，符號前的數(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間。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)。

小負(fù)荷維氏硬度計顯微維氏硬度計維氏硬度值一般不標(biāo)單位，在符號HV前寫出硬度值。維氏硬度試驗因試驗力?。ǔＳ?9.03N）壓痕淺，輪廓清晰，數(shù)值準(zhǔn)確，試驗力選擇范圍大（49.03~980.7N），所以可測量從很軟到很硬材料的硬度，維氏硬度值之間能直接進(jìn)行比較。維氏硬度常用來測試薄片材料、金屬鍍層及零件表面硬化層的硬度，但試驗麻煩，不宜用于成批生產(chǎn)的常規(guī)檢驗。第三節(jié)金屬材料的韌性

韌性是指金屬在斷裂前吸收變形能量的能力,可用來衡量金屬材料抵抗沖擊載荷能力。韌性的判據(jù)通過沖擊試驗來測定。

1．?dāng)[錘式一次沖擊試驗沖擊吸收功:試樣在沖擊試驗力一次作用下折斷時所吸收的能量(K)。

KV(KU)=EP1-EP2開缺口的目的：在缺口附近造成應(yīng)力集中，使塑性變形局限在缺口附近，并保證在缺口處發(fā)生斷裂，以便正確測定金屬材料承受沖擊載荷的能力。2.試樣類型：U形缺口試樣和V形缺口試樣兩種材料的K值愈大，韌性就愈好；材料的K值愈小，材料的脆性愈大通常把K值小的材料稱為脆性材料研究表明，材料的K值隨試驗溫度的降低而降低。加載速度越快，溫度越低，表面及冶金質(zhì)量越差，K的值越低。金屬材料的吸收能量KV(KU)可以直接從試驗機(jī)上讀出3.溫度對吸收能量的影響吸收能量K

與溫度有關(guān)。由下圖可知，K

隨溫度降低而減少，在某一溫度區(qū)域，K急劇變化，此溫度區(qū)域稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，材料的低溫沖擊性能越好。TITANIC建造中的Titanic號TITANIC的沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)Titanic號鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗結(jié)果Titanic近代船用鋼板思考題為什么鋼制電力傳輸塔架、鐵橋、工程結(jié)構(gòu)件、海上鉆井設(shè)施等在風(fēng)雪交加的寒冷天氣中容易發(fā)生損壞？第四節(jié)金屬材料的疲勞強(qiáng)度工程上一些機(jī)件工作時受交變應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)力作用，即使工作應(yīng)力低于材料的Rel

，但經(jīng)過一定循環(huán)周次后仍會發(fā)生斷裂，這樣的斷裂現(xiàn)象稱之為疲勞。據(jù)統(tǒng)計，約80%的機(jī)件失效為疲勞破壞。一、疲勞現(xiàn)象循環(huán)應(yīng)力：應(yīng)力的大小和方向隨時間作周期性的變化。試一試如果沒有鉗子，讓你用手掰斷一根直徑5mm的鐵絲，你如何做？微裂源——擴(kuò)展區(qū)——瞬斷區(qū)N0N鋼：有色金屬：N0—

循環(huán)基數(shù)影響疲勞強(qiáng)度的因素:內(nèi)部缺陷、表面劃痕、殘留應(yīng)力等金屬材料在循環(huán)應(yīng)力作用下經(jīng)受無限多次循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力稱為金屬材料的疲勞強(qiáng)度，即循環(huán)次數(shù)值N無窮大時所對應(yīng)的最大應(yīng)力值。二、疲勞強(qiáng)度有的大型轉(zhuǎn)動零件、高壓容器、橋梁等，常在其工件應(yīng)力遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度的情況下突然發(fā)生斷裂——低應(yīng)力脆性斷裂。1943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂北極星導(dǎo)彈斷裂韌度（斷裂韌性）

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是機(jī)件內(nèi)部存在著微裂紋和其它缺陷以及它們的擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展的基本形式材料中存在裂紋時，在裂紋尖端就會產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而形成裂紋尖端應(yīng)力場。應(yīng)力強(qiáng)度因子：描述裂紋尖端附近應(yīng)力場強(qiáng)度的指標(biāo)。Y為與裂紋形狀、加載方式和試樣幾何尺寸有關(guān)的無量綱系數(shù)C為斷裂應(yīng)力，aC為臨界裂紋半長KＩ＞＞

KIC，材料必發(fā)生裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展而脆斷。KＩ＜

KIC，材料中裂紋不擴(kuò)展或擴(kuò)展緩慢。KIC可通過試驗來測定，它與材料成分、熱處理及加工工藝等有關(guān)隨應(yīng)力的增大，KI不斷增大，當(dāng)KI增大到某一定值時，這可使裂紋前沿的內(nèi)應(yīng)力大到足以使材料分離，從而導(dǎo)致裂紋突然擴(kuò)展，材料快速發(fā)生斷裂。這個應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值，稱為材料的斷裂韌度，用KIC表示。斷裂韌性：材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。力學(xué)性能bs強(qiáng)度塑性硬度韌性疲勞強(qiáng)度三、力學(xué)性能與失效形式的關(guān)系失效形式