{机械公司管理}第十二章材料的机械性能机械零件的失效
80页1、第十二章 材料的机械性能机械零件的选材与失效分析,第一节 金属材料的性能,金属材料的性能包含工艺性能和使用性能两方面。工艺性能是指制造工艺过程中材料适应加工的性能,即指其铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能;使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能,它包括力学性能、物理和化学性能。,一.金属材料的工艺性能 1.铸造性能,金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性能,用流动性、收缩性和偏析来衡量。,流动性,熔融金属的流动能力称为流动性。流动性好的金属容易充满铸型,从而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。,收缩性,铸件在凝固和冷却过程中,其体积和尺寸减少的现象称为收缩性。铸件收缩不仅影响尺寸,还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。故铸造用金属材料的收缩率越小越好。,偏析,金属凝固后,铸锭或铸件化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。偏析大会使铸件各部分的力学性能有很大的差异,降低铸件的质量。,2.锻造性能,金属材料用锻压加工方法成形的适应能力称锻造性。锻造性能主要取决于金属材料的塑性和变形抗力。塑性越好,变形抗力越小,金属的锻造性能越好。,3.焊接
2、性能,金属材料对焊接加工的适应性称焊接性。碳含量和合金元素含量越高, 焊接性能越差。,4.切削加工性能,切削加工性能一般用切削后的表面质量(以表面粗糙度高低衡量)和刀具寿命来表示。金属材料具有适当的硬度(170HBS230HBS)和足够的脆性时切削性良好。改变钢的化学成分(如加入少量铅、磷等元素)和进行适当的热处理(如低碳钢进行正火,高碳钢进行球化退火)可提高钢的切削加工性能。铜有良好的切削加工性能。,5.热处理工艺性能,钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性, 即钢接受淬火的能力。含Mn、Cr、Ni等合金元素的合金钢淬透性比较好, 碳钢的淬透性较差。铝合金的热处理要求较严。铜合金只有几种可以用热处理强化。,二.金属材料的机械性能,金属材料的机械性能,即是指金属材料在外力(载荷)作用时表现出来的性能,包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。 1. 强度 2. 塑性 3. 硬度,1) 布氏硬度(HB),一定直径的球体(钢球或硬质合金球)在一定载荷作用下压入试样表面,保持一定时间后卸除载荷,测量其压痕直径, 计算硬度值。布氏硬度值用球面压痕单位表面积上所承受的平均压力来表示。用符号HBS(当用
3、钢球压头时)或HBW(当用硬质合金球时)来表示.,2) 洛氏硬度(HRA、HRB、HRC),将金刚石压头(或钢球压头), 在先后施加两个载荷(预载荷F0和总载荷F)的作用下压入金属表面。总载荷F为预载荷F0和主载荷F1之和。卸去主载荷F1后, 测量其残余压入深度h, 用h与h0之差h来计算洛氏硬度值。h 越大, 表示材料硬度越低, 实际测量时硬度可直接从洛氏硬度计表盘上读得。根据压头的种类和总载荷的大小洛氏硬度常用的表示方式有HRA、HRB、HRC三种。,洛氏硬度测量原理图,4.冲击韧度(ak),许多机械零件和工具在工作中, 往往要受到冲击载荷的作用, 如活塞销、锤杆、冲模和锻模等,材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧性,常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。测得试样冲击吸收功,用符号 Ak 表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截面积 S0 , 即得到材料的冲击韧度 ak。,冲击试样,5.疲劳强度,轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件,在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化,这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力(也称循环应力)。在交变应力作用下,虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点,但经过较
4、长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为金属的疲劳。材料承受的交变应力( )与材料断裂前承受交变应力的循环次数(N)之间的关系可用疲劳曲线来表示。金属承受的交变应力越大, 则断裂时应力循环次数N越少。当应力低于一定值时, 试样可以经受无限周期循环而不破坏, 此应力值称为材料的疲劳极限(亦叫疲劳强度),用-1 表示。,6.断裂韧性,桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应力脆断,这种断裂的名义断裂应力低于材料的屈服强度。尽管在设计时保证了足够的延伸率、韧性和屈服强度,但仍不免破坏。究其原因是构件或零件内部存在着或大或小、或多或少的裂纹和类似裂纹的缺陷造成的。裂纹在应力作用下可失稳而扩展,导致机件破断。材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力叫断裂韧性。,三. 金属材料的理化性能 1.金属的物理性能,1) 密度,密度小于5103 kg/m3 的金属称为轻金属, 如铝、镁、钛及它们的合金。密度大于5103 kg/m3的金属称为重金属, 如铁、铅、钨等。轻金属多用于航天航空器上。,2) 熔点,熔点高的金属称为难熔金属,如钨、钼、钒等,可以用来制造耐高温零件,如在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机
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