第一章金屬材料的力學(xué)性能

第一章金屬材料的力學(xué)性能主要內(nèi)容：1、使學(xué)生了解金屬材料的力學(xué)性能的概念。2、掌握金屬材料力學(xué)性能的評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)。重點(diǎn)與難點(diǎn)：1、金屬材料強(qiáng)度、硬度的概念。2、金屬材料強(qiáng)度、硬度的評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)。

金屬材料是由金屬元素或以金屬元素為主要材料構(gòu)成的并具有金屬特性的工程材料。金屬材料純金屬

合金金屬材料黑色金屬有色金屬非合金鋼低合金鋼合金鋼鑄鐵滑動(dòng)軸承合金

鈦及鈦合金其他非鐵合金

銅及銅合金鋁及鋁合金機(jī)械產(chǎn)品加工工藝鑄造壓力加工

焊接

粉末冶金切削加工特種加工熔焊壓焊釬焊力學(xué)性能—材料在承受各種載荷（外力）時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的行為，即抵抗外力作用的能力。載荷類型：靜載荷－緩慢施加壓力，行對(duì)變形速度較??；動(dòng)載荷－加載速度較快，塑性變形速度較快；變載荷－作用力大小與方向作用周期變化。載荷的加載方式：一、靜載荷條件下材料的力學(xué)性能1.1靜拉伸試驗(yàn)及材料的強(qiáng)度與塑性用靜拉伸力對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行緩慢的軸向拉伸直至拉斷的一種試驗(yàn)方法。d0＝10mml0＝10d0或5d0變換：

s0

為試樣原始截面積(mm2)

l0

為試樣標(biāo)距長(zhǎng)度轉(zhuǎn)化：縱坐標(biāo)：以應(yīng)力σ表示，橫坐標(biāo)：以應(yīng)變?chǔ)疟硎?.1.1彈性極限和剛度（1）彈性極限（2）材料剛度S0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)其原來(lái)形狀的性能稱為彈性。這種隨外力消除而消除的變形，稱為彈性變形。材料在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，其比值E=σ/ε稱為彈性模量，單位為MPa。彈性模量E標(biāo)志著材料抵抗彈性變形的能力，用以表示材料的剛度。1.1.2材料強(qiáng)度（1）屈服強(qiáng)度（2）抗拉強(qiáng)度（3）斷裂強(qiáng)度塑性變形：是材料在外力的作用下產(chǎn)生形變，當(dāng)施加的外力撤除或消失后該物體不能恢復(fù)原狀的一種物理現(xiàn)象。強(qiáng)度：指材料在外力作用下抵抗永久變形和破壞的能力。屈服強(qiáng)度：是金屬材料發(fā)生屈服現(xiàn)象時(shí)的屈服極限，亦即抵抗微量塑性變形的應(yīng)力。抗拉強(qiáng)度：指試樣拉斷前所承受的最大拉應(yīng)力，它反映了最大均勻變形的抗力。斷裂強(qiáng)度：是材料發(fā)生斷裂的應(yīng)力。S0S0S01.1.3塑性－在外力作用下產(chǎn)生變形而不斷裂的能力。（1）伸長(zhǎng)率（2）斷面收縮率塑性對(duì)材料的意義：

1.提高安全性

2.便于壓力加工成型和越大，材料的塑性越好1.2硬度硬度是材料抵抗局部變形的能力，反映材料抵抗其它物體壓入的能力。硬度是綜合性能指標(biāo)硬度測(cè)量簡(jiǎn)便迅速，不破壞零件1.2.1布氏硬度試驗(yàn)原理：HB=F/S=2F/πD[D-(D2-d2)1/2]當(dāng)測(cè)試壓頭為淬火鋼球時(shí)，只能測(cè)試布氏硬度小于450的材料，以HBS表示當(dāng)測(cè)試壓頭為硬質(zhì)合金時(shí)，可測(cè)試布氏硬度為450-650的材料，以HBW表示用一定載荷F，將直徑為D的球體（淬火鋼球或硬質(zhì)合金球），壓入被測(cè)材料的表面，保持一定時(shí)間后卸去載荷，測(cè)量被測(cè)試試表面上所形成的壓痕直徑d，由此計(jì)算壓痕的球缺面積S，其單位面積所受載荷稱為布氏硬度。布氏硬度值HB=F/S單位：kgf/mm2優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量數(shù)值穩(wěn)定，準(zhǔn)確缺點(diǎn)：操作慢，不適用批量生產(chǎn)和薄形件布氏硬度適用于：鑄鐵，有色金屬退火、正火、調(diào)質(zhì)處理鋼原材料，毛坯當(dāng)HBS<450時(shí)有效（HBW450-650)1.2.2洛氏硬度試驗(yàn)原理：HR=(k-h)/0.002對(duì)金剛石圓錐壓頭k=0.2mm對(duì)鋼球壓頭k=0.26mm將標(biāo)準(zhǔn)壓頭用規(guī)定壓力壓入被測(cè)材料的表面，經(jīng)規(guī)定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，根據(jù)壓痕深度來(lái)確定硬度值。洛氏硬度測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，操作迅速、簡(jiǎn)便，可由表盤上直接讀出硬度值。缺點(diǎn)：精度較差，硬度值波動(dòng)較大。HRC洛氏硬度適用于：淬火鋼，調(diào)質(zhì)鋼批生產(chǎn)零件當(dāng)HRC20-67時(shí)有效1.2.3維氏硬度優(yōu)點(diǎn)：維氏硬度可測(cè)定從很軟到很硬的各種材料，可測(cè)定較薄材料和各種表面滲層，且準(zhǔn)確度高。缺點(diǎn)：測(cè)試手續(xù)較繁。在用規(guī)定的壓力P將金剛石壓頭壓入被測(cè)試件表面并保持一定時(shí)間后卸去載荷，測(cè)量壓痕投影的兩對(duì)角線的平均長(zhǎng)度d，據(jù)此計(jì)算出壓痕的表面積S，最后求出壓痕表面積上平均壓力（HV=P/S），以此作為被測(cè)材料的維氏硬度值。注意：各硬度試驗(yàn)法測(cè)得的硬度值不能直接進(jìn)行比較，必須通過硬度換算表?yè)Q算成同一種硬度值后方可比較大小。硬度HBS與抗拉強(qiáng)度換算的經(jīng)驗(yàn)公式有些機(jī)件在工作時(shí)要受到高速作用的載荷沖擊，如鍛壓機(jī)的錘桿、沖床的沖頭、汽車變速齒輪、飛機(jī)的起落架等。瞬時(shí)沖擊引起的應(yīng)力和應(yīng)變要比靜載荷引起的應(yīng)力和應(yīng)變大得多，因此在選擇制造該類機(jī)件的材料時(shí)，必須考慮材料的抗沖擊能。二、非靜載荷時(shí)材料的力學(xué)性能2.1沖擊韌性沖擊韌性是在沖擊載荷作用下，材料抵抗沖擊力的作用而不被破壞的能力。

通常用沖擊吸收功Ak和沖擊韌性ak指標(biāo)來(lái)度量。將一定重量G的擺錘升至一定高度h1，使它獲得位能為G·h1；再將擺錘釋放，使其刀口沖向箭頭所指試樣缺口的背面；沖斷試樣后擺錘在另一邊的高度為h2，相應(yīng)位能為G·h2，沖斷試樣前后的能量差即為擺錘沖斷試樣所消耗的功，或是試樣變形和斷裂所吸收的能量，稱為沖擊吸收功Ak，即Ak=G·h1-G·h2，單位為J。沖擊吸收功除以試樣缺口底部處橫截面積F獲得沖擊韌性值ak

，即ak=Ak/F材料的ak

值愈大，韌性就愈好；材料的ak值愈小，材料的脆性愈大。通常把a(bǔ)k

值小的材料稱為脆性材料。材料的ak

值隨試驗(yàn)溫度的降低而降低。當(dāng)溫度降至某一數(shù)值或范圍時(shí)，ak

值會(huì)急劇下降，材料則由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，這種轉(zhuǎn)變稱為冷脆轉(zhuǎn)變，相應(yīng)溫度稱為冷脆轉(zhuǎn)變溫度。材料的冷脆轉(zhuǎn)變溫度越低，說明其低溫沖擊性能越好，允許使用的溫度范圍越大。因此對(duì)于寒冷地區(qū)的橋梁、車輛等機(jī)件用材料，必須作低溫（一般為–40℃）沖擊彎曲試驗(yàn)，以防止低溫脆性斷裂2.2多沖抗力較小能量的多次沖擊，測(cè)定在一定沖擊能量下材料斷裂前的沖擊次數(shù)作為多沖抗力的指標(biāo)。沖擊能量高時(shí)，主要取決于塑性；沖擊能量低時(shí)，主要取決于強(qiáng)度；2.3疲勞強(qiáng)度疲勞斷裂：工作應(yīng)力低于其屈服點(diǎn)的情況下發(fā)生斷裂。斷裂前材料往往沒有明顯的塑性變形，產(chǎn)生斷裂也較突然，危害很大。通過測(cè)定材料在重復(fù)的交變載荷作用下而無(wú)斷裂的最大應(yīng)力得到的。交變應(yīng)力：大小、方向隨時(shí)間周期性變化的應(yīng)力重復(fù)應(yīng)力：方向不隨時(shí)間變化tσtσ疲勞試驗(yàn)疲勞曲線疲勞強(qiáng)度—材料經(jīng)無(wú)限多次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力。它表示材料抵抗疲勞斷裂的能力。純彎曲疲勞強(qiáng)度用σ-1表示國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB4337-84規(guī)定：一般鋼鐵材料的交變次數(shù)106~107周次；有色金屬的交變次數(shù)為107~108周次。三、金屬材料的斷裂韌度低應(yīng)力脆斷—在σs以下較低的靜載荷下發(fā)生脆性斷裂。原因：存在宏觀缺陷，在應(yīng)力作用下發(fā)展擴(kuò)大造成。斷裂韌度KIC:

材料的化學(xué)成分熱處理加工工藝四、高低溫性能4.1高溫下材料的力學(xué)行為與常溫下相比：材料強(qiáng)度、剛度、硬度隨溫度升高而逐漸下降；在恒溫、恒應(yīng)力作用下，會(huì)隨時(shí)間的延長(zhǎng)，發(fā)生緩慢的塑性變形—蠕變。一般規(guī)律：溫度越高，工作應(yīng)力越大，則蠕變的發(fā)展越快，而產(chǎn)生斷裂的時(shí)間就越短。力學(xué)性能指標(biāo)：（1）蠕變強(qiáng)度（2）持久強(qiáng)度一般說來(lái)，對(duì)于金屬材料只有當(dāng)溫度高于0.3倍材料熔點(diǎn)時(shí)，蠕變現(xiàn)象才明顯。某些有機(jī)高分子材料在室溫下會(huì)發(fā)生明顯的蠕變現(xiàn)象。4.2低溫性能隨著溫度的下降，多數(shù)材料會(huì)出現(xiàn)脆性增加的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生脆斷。材料的沖擊功值隨溫度下降而減小。五、金屬材料的物理性能5.1密度單位體積物質(zhì)的質(zhì)量稱為該物質(zhì)的密度：密度小于5×103kg/m3的金屬稱為輕金屬，如鋁、鎂、鈦及它們的合金。密度大于5×103kg/m3的金屬稱為重金屬，如鐵、鉛、鎢等。5.2熔點(diǎn)

---金屬?gòu)墓虘B(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度。熔點(diǎn)高的金屬稱為難熔金屬，如鎢、鉬、釩等，可以用來(lái)制造耐高溫零件，如在火箭、導(dǎo)彈、燃?xì)廨啓C(jī)和噴氣飛機(jī)等方面得到廣泛應(yīng)用。熔點(diǎn)低的金屬稱為易熔金屬，如錫、鉛等，可用于制造熔絲和防火安全閥零件等。5.3導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性通常用導(dǎo)熱率來(lái)衡量。導(dǎo)熱率越大，導(dǎo)熱性越好。金屬的導(dǎo)熱性以銀為最好，銅、鋁次之。5.4導(dǎo)電性金屬材料能夠傳導(dǎo)電流的能力稱導(dǎo)電性。通常用電導(dǎo)率來(lái)衡量，電導(dǎo)率越大，金屬材料導(dǎo)電性越好。金屬導(dǎo)電性以銀為最好，銅、鋁次之。

5.5熱膨脹性金屬材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性稱為熱膨脹性。熱膨脹性用線脹系數(shù)αl和體脹系數(shù)αV來(lái)表示。

式中：αl－線脹系數(shù)（1/K或1/℃）；L1－膨脹前長(zhǎng)度（m）；L2－膨脹后長(zhǎng)度（m）；Δt－溫度變化量（K或℃）。

5.6磁性鐵磁材料：在外磁場(chǎng)中能強(qiáng)烈地被磁化，如鐵、鈷等金屬材料：順磁材料：在外磁場(chǎng)中只能微弱地被磁化，如錳、鉻等抗磁材料：能抗拒或削弱外磁場(chǎng)對(duì)材料本身的磁化作用，如銅、鋅等六、金屬材料的化學(xué)性能6.1耐蝕性金屬材料在常溫下抵抗氧、水蒸氣及其它化學(xué)介質(zhì)腐蝕破壞作用的能力稱耐蝕性。6.2抗氧化性金屬材料在加熱時(shí)抵抗氧化作用的能力稱抗氧化性。加入C