工程材料及熱加工基礎(chǔ)-1

工程材料及熱加工基礎(chǔ)南京航空航天大學(xué)材料學(xué)院梁文萍第一章材料的力學(xué)性能§1.1材料的力學(xué)性能§1.2材料的靜載力學(xué)性能§1.3材料的動(dòng)載力學(xué)性能§1.4材料的斷裂韌性§1.5其他力學(xué)性能材料的靜載力學(xué)性能

拉伸試驗(yàn)

硬度材料的動(dòng)載載力學(xué)性能

沖擊試驗(yàn)

疲勞試驗(yàn)斷裂韌性學(xué)習(xí)目的和要求：1.理解材料常用力學(xué)性能指標(biāo)的物理意義。2.了解強(qiáng)度、塑性、硬度及沖擊韌性指標(biāo)的測(cè)試方法以及使用這些指標(biāo)時(shí)應(yīng)注意的局限性，重點(diǎn)掌握布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)缺點(diǎn)、相互關(guān)系以及應(yīng)用場(chǎng)合。材料的性能：材料在外界因素作用下所表現(xiàn)出來(lái)的行為.

力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能工藝性能1.1.1概念與定義§1.1材料的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能：

材料在一定環(huán)境因素下承受外加載荷所表現(xiàn)出來(lái)的行為，通常表現(xiàn)為變形（幾何形狀和尺寸的變化）與斷裂。1.1.1概念與定義材料用于結(jié)構(gòu)零件時(shí)，其力學(xué)性能是工程設(shè)計(jì)的基本依據(jù)；以其它性能如物理、化學(xué)性能作為主要使用要求時(shí)，其力學(xué)性能同樣也是設(shè)計(jì)的重要參考依據(jù)。不同的工作條件和環(huán)境下，對(duì)力學(xué)性能的要求與側(cè)重各有不同。1.1.2材料力學(xué)性能指標(biāo)靜載荷：

是指大小不變或變化過(guò)程緩慢的載荷。材料的靜載力學(xué)性能指標(biāo)：

主要有強(qiáng)度、塑性、硬度等?！?.2材料的靜載力學(xué)性能1.2.1拉伸試驗(yàn)1-1拉伸試驗(yàn)1.2.1拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣GB/T228-2002拉伸曲線應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)力σ＝F/S0

應(yīng)變?chǔ)牛溅/l01.2.1拉伸試驗(yàn)1.彈性指標(biāo)：彈性變形:隨完全卸載而消失的變形。

彈性:

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(lái)形狀及尺寸的性能。

剛性:

材料抵抗彈性變形的能力。

比例極限σp

：

金屬拉伸曲線的初始階段，應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系的最大應(yīng)力稱為比例極限。彈性極限σe：

材料由彈性變形過(guò)渡到彈-塑性變形的應(yīng)力,即:1.彈性指標(biāo)：彈性模量（在工程上也稱材料的剛度）：在彈性范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變的比值,即:

E主要取決于金屬的本身性質(zhì),難以通過(guò)合金化、熱處理和加工的辦法使之改變。1.彈性指標(biāo)：2.強(qiáng)度指標(biāo)：強(qiáng)度：

表征材料對(duì)變形和斷裂的抗力的指標(biāo)，單位為MPa或N/mm2。屈服強(qiáng)度σs：

試樣屈服時(shí)承受的最小應(yīng)力。表征材料發(fā)生明顯塑性變形的抗力。屈服是指拉伸過(guò)程中，應(yīng)力不增加或有所下降而試樣能繼續(xù)變形的狀態(tài)。條件屈服強(qiáng)度σ0.2：

某些材料在拉伸試驗(yàn)中沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象，規(guī)定產(chǎn)生0.2%的殘余伸長(zhǎng)量時(shí)材料所承受的應(yīng)力。

2.強(qiáng)度指標(biāo)：強(qiáng)度極限（抗拉強(qiáng)度）σb

：

試樣拉斷前能承受的最大應(yīng)力。表征材料對(duì)最大均勻變形的抗力。

比強(qiáng)度：

材料的強(qiáng)度值與密度值之比。名稱密度(g/cm3)強(qiáng)度(MPa)比強(qiáng)度純鋁2.780～10030～37純鐵7.87180～28023～36純鈦4.5405～50090～1112.強(qiáng)度指標(biāo)：斷裂強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度）σk

：

試樣拉斷時(shí)的真實(shí)應(yīng)力。表征材料對(duì)斷裂的抗力。

塑性變形：

不可恢復(fù)的永久變形。塑性是表征材料斷裂前具有塑性變形的能力。

3.塑性指標(biāo)：延伸率δ（δ5、δ10）：

斷后試樣標(biāo)距伸長(zhǎng)量與原始標(biāo)距之比的百分率，即：δ<2~5%屬脆性材科δ≈5~10%屬韌性材料δ>10%屬塑性材料3.塑性指標(biāo)：

斷面收縮率ψ：

斷裂后試樣截面的相對(duì)收縮量，即試樣拉斷處橫截面積減縮量與原始橫截面積的百分比：

材料的塑性指標(biāo)一般不直接用于機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算。

零件遭受意外過(guò)載或沖擊時(shí)，通過(guò)塑性變形可以避免突然斷裂。材料具有一定塑性可保證某些成型工藝（如冷沖壓、軋制、冷彎等）順利進(jìn)行。對(duì)于金屬材料，塑性指標(biāo)還反映了其冶金質(zhì)量的好壞。3.塑性指標(biāo)：力學(xué)性能性能指標(biāo)說(shuō)明符號(hào)名稱強(qiáng)度σb抗拉強(qiáng)度試樣在拉斷前承受的最大應(yīng)力值σs

屈服強(qiáng)度材料開(kāi)始產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力σ0.2條件屈服強(qiáng)度對(duì)于無(wú)明顯屈服的材料，規(guī)定產(chǎn)生0.2%殘余伸長(zhǎng)時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值塑性δ（δ5、δ10）延伸率斷后試樣標(biāo)距伸長(zhǎng)量與原始標(biāo)距之比的百分率，試樣的長(zhǎng)度/直徑比為5、10時(shí)記為δ5、δ10ψ斷面收縮率試樣拉斷處橫截面積減縮量與原始橫截面積的百分比彈性σe彈性極限由彈性變形過(guò)渡到彈性-塑性變形時(shí)的應(yīng)力σp比例極限彈性變形時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系的最大應(yīng)力剛性E彈性模量完全彈性變形時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變的比值，表征材料產(chǎn)生彈性變形的抗力拉伸試驗(yàn)的主要力學(xué)性能指標(biāo)小結(jié)1.2.2硬度硬度是材料表面抵抗局部壓入變形或刻劃破裂等的能力。工程中常用的硬度指標(biāo)有：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等。硬度的種類(lèi)及測(cè)試方法硬度試驗(yàn)方法壓入法劃痕法加載速率靜載試驗(yàn)法動(dòng)載試驗(yàn)法布氏硬度洛氏硬度維氏硬度顯微硬度肖氏硬度錘擊布氏硬度莫氏硬度材料抵抗局部斷裂的能力材料變形功的大小材料表面抵抗壓入時(shí)引起塑性變形的能力HB=F/S壓痕深度布氏硬度計(jì)

1.布氏硬度(Brinell-hardness)用于測(cè)定硬度不高的金屬材料。主要有鑄鐵、有色金屬、低合金結(jié)構(gòu)鋼、結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)件等。1-2布氏硬度試驗(yàn)測(cè)定原理：

用一定大小的載荷F，把直徑為D的淬火鋼球壓入被測(cè)金屬的表面，保持一定的時(shí)間后卸除載荷，用金屬壓痕的表面積，除載荷所得的商值即為布氏硬度值。1.布氏硬度(Brinell-hardness)F布氏硬度測(cè)量示意圖適用范圍:

＜450HBS

＜650HBWDdF

布氏硬度測(cè)試規(guī)范：

根據(jù)材料的軟硬和試樣的不同選擇合適的載荷P與鋼球直徑D。布氏硬度值的表示方法

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（mm）、載荷及（N）載荷保持時(shí)間（s）

。

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(cè)得的布氏硬度值為120。為了使同一材料用不同的P和D值測(cè)得的HB值相同，應(yīng)使P/D2=常數(shù)。壓坑面積大，誤差小，但不宜檢驗(yàn)成品、小件、薄件；HB650不適；多用于毛坯及原材料。布氏硬度的特點(diǎn)h1-h0洛氏硬度測(cè)試示意圖2.洛氏硬度HR(Rockwellhardness)1-3洛氏硬度試驗(yàn)

測(cè)試原理：用一定規(guī)格的壓頭，在一定載荷作用下壓入試樣表面，然后測(cè)定壓痕的深度來(lái)計(jì)算并表示其硬度的大小，用符號(hào)HR來(lái)表示。主要有HRA、HRB、HRC、HRF等。

2.洛氏硬度HR(Rockwellhardness)洛氏硬度值的表示方法硬度值可從洛氏硬度計(jì)的百分度盤(pán)上直接讀出，標(biāo)記時(shí)將硬度值置于HR前。例：60HRC、75HRA迅速方便，可直接讀數(shù)；壓坑小，適于薄材或成品的檢測(cè)；誤差稍大，宜不同部位多點(diǎn)測(cè)量取平均值。洛氏硬度的特點(diǎn)2.洛氏硬度HR(Rockwellhardness)3.維氏硬度HV(Vicker’shardness)

測(cè)試原理：

維氏硬度測(cè)試原理與布氏硬度相同，不同點(diǎn)是壓頭為金剛石正四棱錐體，所加負(fù)荷較小。所測(cè)硬度值精確。改變負(fù)荷可測(cè)定從極軟到極硬材料的硬度。3.維氏硬度HV(Viker’shardness)適用范圍:

測(cè)量薄板類(lèi)

HV≈HBS

維氏硬度值的表示方法硬度值+HV+試驗(yàn)力（kgf）數(shù)字+載荷保持時(shí)間例：640HV30/20維氏硬度的特點(diǎn)HV值不隨載荷變化，即不同載荷下的HV可相互比較；測(cè)量精度高，測(cè)量范圍廣；特別適用于測(cè)定工件表面硬化層、金屬鍍層及薄片金屬的硬度。4.顯微硬度（Micro-hardness）測(cè)試原理：與維氏硬度完全相同，只是所用載荷要小得多。常用于測(cè)定材料中某個(gè)相的硬度。5.里氏硬度（Leeb’shardness）:幾種硬度指標(biāo)小結(jié)硬度種類(lèi)硬度符號(hào)壓頭類(lèi)型載荷/kgf硬度值有效范圍典型應(yīng)用布氏HBS10mm淬火鋼球1000<450退火、正火或調(diào)質(zhì)鋼件HBW10mm硬質(zhì)合金球1000<650淬火鋼等較硬材料洛氏HRA120°金剛石圓錐6070-85硬質(zhì)合金、表面淬火鋼HRB1.588mm淬火鋼球10025-100退火鋼、有色合金HRC120°金剛石圓錐15020-67一般淬火鋼件維氏HV136°金剛石四棱錐5－1200-1000經(jīng)表面處理后的材料表面層動(dòng)載荷是指由于運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的作用在構(gòu)件上的力。根據(jù)作用的性質(zhì)不同分為交變載荷與沖擊載荷。動(dòng)載力學(xué)性能指標(biāo)主要有沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度?！?.3材料的動(dòng)載力學(xué)性能1.3.1沖擊韌性：韌性：

材料在塑性變形和斷裂過(guò)程中吸收能量的能力。

沖擊韌性：是材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。常用一次彎曲沖擊韌性試驗(yàn)ak值來(lái)表示。ak值是帶缺口標(biāo)準(zhǔn)試樣快速?zèng)_斷時(shí)，單位橫截面積吸收的功。沖擊韌性是材料強(qiáng)度和塑性綜合作用的結(jié)果。一次彎曲沖擊韌性試驗(yàn)試樣：夏比U型缺口試樣（梅氏試樣）夏比V型缺口試樣（夏氏試樣）沖擊韌性試樣試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功Ak為:

Ak=mgH–mgh(J)沖擊韌性值ak：（J/m2）Hh材料的韌性，表示材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力；對(duì)材料內(nèi)部缺陷、顯微組織變化敏感，可檢驗(yàn)材料冶金質(zhì)量與熱加工質(zhì)量;受大能量沖擊的機(jī)件，需一定k以保證安全，但k值無(wú)法用于零件設(shè)計(jì)計(jì)算，只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)提出k值要求。ak的意義：評(píng)定材料低溫變脆傾向，測(cè)定材料的冷脆轉(zhuǎn)變溫度TK

；1.3.2疲勞強(qiáng)度：交變載荷：

方向、大小隨時(shí)間呈周期循環(huán)性變化的載荷。循環(huán)應(yīng)力：周期性變動(dòng)載荷作用下產(chǎn)生循環(huán)周次循環(huán)應(yīng)力特征參數(shù)：最大應(yīng)力max、最小應(yīng)力min、應(yīng)力半幅a、平均應(yīng)力m應(yīng)力循環(huán)對(duì)稱系數(shù)r=min/max疲勞斷裂：定義：機(jī)件在交變載荷作用下，在長(zhǎng)時(shí)間工作后發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象。特點(diǎn)：①斷裂時(shí)的應(yīng)力遠(yuǎn)低于靜載下的抗拉強(qiáng)度甚至屈服強(qiáng)度；②無(wú)明顯塑性變形；③無(wú)預(yù)兆、突然發(fā)生。機(jī)理:在交變載荷作用下，材料表面應(yīng)力集中處和材料內(nèi)部缺陷處首先產(chǎn)生疲勞裂紋，并隨應(yīng)力循環(huán)周次的增加，疲勞裂紋不斷擴(kuò)展，甚至零件的有效橫截面面積不能承受外載荷時(shí)突然斷裂。疲勞強(qiáng)度

：

材料經(jīng)無(wú)限次循環(huán)而不發(fā)生斷裂的最小應(yīng)力。表征了材料抵抗疲勞斷裂的能力。測(cè)定：

旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)疲勞曲線σ-1：材料承受對(duì)稱循環(huán)交變應(yīng)力時(shí)的疲勞強(qiáng)度。

有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取N=108鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取

N=107疲勞斷裂的危害性：機(jī)件斷裂80%是疲勞斷裂；突發(fā)性，難以防范；低應(yīng)力脆斷。影響疲勞強(qiáng)度的因素常用的工程材料中，金屬的疲勞抗力最高（鋼的σ-1/σb約為40~50%，有色金屬約為25~50%），所以抗疲勞機(jī)件幾乎都選用金屬材料；陶瓷與聚合物的疲勞抗力很低，不能用于制造承受交變載荷的零件；纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也有比較好的抗疲勞性能，處于交變載荷下工作的應(yīng)用正逐漸增多。提高零件的疲勞強(qiáng)度可通過(guò)如下途徑：合理選材、改善零件的形狀與結(jié)構(gòu)、減少材料的缺陷、降低零件表面的粗糙度、對(duì)零件表面進(jìn)行強(qiáng)化等。低應(yīng)力脆斷：一些大型零件在遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度的應(yīng)力值作用下發(fā)生的脆性斷裂。低應(yīng)力脆斷是由于材料本身固有微裂紋，在應(yīng)力的作用下失穩(wěn)擴(kuò)展的結(jié)果。斷裂韌性：

材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的性能指標(biāo)?！?.4材料的斷裂韌性裂紋尖端的應(yīng)力集中現(xiàn)象和應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子：斷裂韌性（KIc