金属材料的力学性能 (2)

1、金属材料 与热处理,单元一 金属材料的力学性能 单元二 金属材料的工艺性能,内 容,掌握金属材料的强度和塑性的概念； 掌握金属材料的疲劳强度的概念； 掌握金属材料冲击韧性的概念； 掌握材料硬度的概念和三种硬度表示方法； 了解材料性能的表示方法。,教学目的和要求,一、强度、塑性； 二、疲劳强度； 三、冲击韧性； 四、硬度,教学内容摘要,利用强度、硬度和塑性等指标综合评价材料。,教学重点、难点,教学难点,强度、硬度、塑性和韧性的概念。,教学重点,金属材料的基本知识,1.金属材料的类型：,具有金属光泽。 具有较好的延展性，容易加工成型。 易导电、传热，是热和电的良导体。,2. 金属材料的特点：,3. 金属材料性能,使用性能,力学性能 (强度、硬度、塑性、韧性等) 物理性能（指熔点、导热性、导电性、磁性等） 化学性能 (抗氧化性、抗腐蚀性等) 其它性能 (耐磨性、热硬性、消振性等),工艺性能加工成形的性能,静载荷是指外力的大小和方向不变或变化很缓慢的载荷； 冲击载荷是指突然增加的载荷； 疲劳载荷则是指大小和方向随时间作周期性变化的载荷。,根据载荷作用性质不同,静载荷,冲击载荷,疲劳载荷,是指金

2、属材料在外加载荷作用下所表现出来的抵抗能力。,1.1 金属材料的力学性能,工件在不同载荷形式下产生的变形,抗拉强度 抗压强度 抗弯强度 抗剪强度,根据所加载荷形式的不同，强度表现为：,拉伸试验,（金属的抗拉强度和塑性都是通过拉伸试验测定）,GB/T228.1-2010,拉伸试样 （低碳钢）,长试样：L0 =10d0,短试样：L0 =5d0,液压式万能电子材料试验机,拉伸试验机,拉伸试验（应力应变）曲线,e 弹性极限点 S 屈服点 b 极限载荷点 （缩颈点） K 断裂点,（1） 弹性变形阶段 （2） 屈服变形阶段 （3） 强化阶段 （4） 缩颈阶段,拉伸过程变化的三个阶段,拉伸试样的颈缩现象,弹性与塑性,弹性: 金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能回复其原来形状的性能，叫做弹性。 弹性变形: 随着外力消失而消失的变形，叫做弹性变形。 塑性变形: 在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形，叫做塑性变形。,脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）,脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。,灰铸铁的拉伸曲线,强度：用于表示金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力。,工程上常用的强度衡量

3、指标,屈服点 屈服强度 抗拉强度,注意：一般多用抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。,1.1.1 强度,对具有明显屈服现象的材料 金属材料产生屈服现象的最低应力值称为屈服强度，用 ReL 表示，即,对无明显屈服现象的金属材料 常用其产生0.2%塑性应变所对应的应力值作为名义屈服点，称为名义(条件)屈服强度，用 Rp0.2表示。如高碳钢、铜合金、铝合金等。,（MPa）,（MPa）,条件屈服强度:,1. 屈服点、屈服强度,屈服强度 是塑性材料选材和评定的依据。,屈服强度:,脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。,2. 抗拉强度（强度极限）,是指试样在拉断前所承受的最大应力。即：,式中：,Fm试样在拉断前所受到的最大载（N）；,So试样原始横截面积（ ）。,Rm抗拉强度,抗拉强度 是脆性材料选材的依据。,（MPa）,屈强比（ReL/ Rm ）： 0.60.85 屈强比高，材料利用率越高； 屈强比低，零件的可靠性越高 综合考虑材料利用率和安全性,1. 1. 2 塑 性,塑性: 金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致引起破坏的性能。 塑性的衡量（塑性指标）：伸长率 A和断面收缩率 Z。 A 、Z

4、越高，材料的塑性越好,A 10% 属塑性材料,良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。,2. 伸长率（A） 是指试样拉断后的标距伸长量 与原始标距 之比。 用A表示，即,1.断面收缩率（Z） 是指试样拉断处横截面积的收缩量与原始横截面积之比。用下式表示，即：,1. 1. 3 硬 度,硬度的含义,布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度,是指材料抵抗其它更硬物体压入其表面的能力。即表示金属材料抵抗局部变形的能力。,硬度的表示方法,常用的表示方法,压入法 划痕法 回跳法,用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后，测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值。,1. 布氏硬度,（1）布氏硬度测量原理,布氏硬度计,淬火钢球 HBS （硬度值450的材料） 硬质合金钢球 HBW （硬度值450650的材料）,（2）压头：,（3）表示方法,例如：350HBS 、 600HBW 一般，数字+布氏硬度符号或后面依次注明压头直径、实验力以及保存时间。单位为MPa（通常不标明）,布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。 缺点：压痕大，不宜测量成品零件或薄件的硬度，以及比压头还硬的材料。,布氏

5、硬度适用于：常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火钢材的硬度。调质处理钢、原材料，毛坯。 当HBS450 时有效（HBW450-650),（4）布氏硬度特点,用锥顶角为120的金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后卸除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值。 实际测量时，硬度值一般有硬度计的刻度盘上直接读出。,(1)洛氏硬度测量原理,2 . 洛氏硬度,洛氏硬度计,(2) 洛氏硬度的分类及应用,HRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不可直接比较大小,表示为：硬度值+三种不同的标尺代号。（无单位） 例如：2085HRA 20100HRB 2070HRC,（3）洛氏硬度表示方法,HR = (k-h) / 0.002 不写单位,（4）洛氏硬度特点：,优点：,缺点 ：,测量操作简单，方便快捷，压痕小；测量范围大，能测较薄工件。,测量精度较低，可比性差，不同标尺的硬度值不能比较。,是生产中应用最广泛的硬度试验方法。 可用于成品检验和薄件表面硬度检验。 不适于测量组织不均匀材料。,（5）洛氏硬度应用：,布氏硬度与洛氏硬度的比较,洛式硬

6、度压痕很小，测量值有局部性，须测数点求平均值，适用成品和薄片，归于无损检测一类；布式硬度压痕较大，测量值准，不适用成品和薄片，一般不归于无损检测一类。 洛式硬度的硬度值是一无名数，没有单位。（因此习惯称洛式硬度为多少度是不正确的。） 布式硬度的硬度值有单位，且和抗拉强度有一定的近似关系。 洛式硬度直接在表盘上显示、也可以数字显示，操作方便，快捷直观，适用于大量生产中。布式硬度需要用显微镜测量压痕直径，然后查表或计算，操作较繁琐。 在一定条件下，HB与HRC可以查表互换。其心算公式可大概记为：1HRC1/10HB。,3 .维氏硬度（HV）,维氏硬度（HV）测试计,用压头为锥面夹角为136的金刚石四棱锥体。以一定的试验力将压头压入试样表面，保持规定时间卸载后，在试样表面留下一个四方锥形的压痕，测量压痕两对角线长度，以此计算出硬度值。 （2）表示方法 维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。 例如：580HV/30/20,（1）维氏硬度测量原理,优点：适用范围广，从极软到极硬材料都可测量;测量精度高，可比性强；能测较薄工件。,缺点：测量操作

7、较麻烦，测量效率低。,（4）应用：广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度检验。不适于大批生产和测量组织不均匀材料。,（3）特点：维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。,1.1.4 冲击韧性,1. 冲击韧性,是指金属材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。,摆锤式一次冲击试验,小能量多次冲击试验,冲击韧性的测定方法,摆锤式一次冲击试验,摆锤式冲击实验机,试验原理,试样被冲断过程中吸收的能量即冲击吸收功（Ak ） 等于摆锤冲击试样前后的势能差。,( J ),冲击韧度ak,就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸收功。,(J/cm),标准冲击试样有两种，一种是形缺口试样，另一种是形缺口试样。它们的冲击韧度值分别以a KU和a KV。,材料的ak值愈大，韧性就愈好； 材料的ak值愈小，材料的脆性愈大。 通常把ak值小的材料称为脆性材料 研究表明，材料的ak值随试验温度的降低而降低。,2. 断裂韧性,低应力脆断 工程零（构）件有时在应力低于许用应力的情况下也会发生突然断裂，称为低应力脆断。 低应力脆断的原因 由于实际应用的材料中常常存在一些裂纹和本身缺陷，如夹杂物、气孔等或加工和使用过程

8、中产生的缺陷，裂纹在应力的作用下失稳而扩展，最终导致零（构）件断裂。,1.1.5 疲劳强度, 疲劳破坏,零件、工具等即使在低于材料屈服强度的交变载荷作用下，经过一定的循环次数后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳断裂。 表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。, 疲劳破坏,材料在对称载荷下的应力变化规律。, 疲劳强度,材料交变应力和断裂前应力循环次数之间的关系。,有色金属的循环次数一般取 N = 108,钢材的循环次数一般取 N = 107,钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系: R-1 = (0.450.55) Rm,疲劳曲线, 产生疲劳破坏的原因,材料有杂质、表面划伤等缺陷,应力集中,微裂纹,裂纹扩展,破 坏, 提高疲劳强度措施,材料方面 保证冶炼质量，减少夹杂物和热加工产生的气孔和疏松等缺陷。 设计方面 尽量使零件避免尖角、缺口和截面突变，以避免应力集中及其所引起的疲劳裂纹。 工艺方面 降低零件表面粗糙度，并避免表面划痕、碰伤，防止这些地方出现形成疲劳裂纹；采用表面强化方法，如化学热处理、表面淬火、喷丸处理和表面涂层等，降低材料表面形成裂纹的可能性。,1.2 金属材料的物理性能和化学性能,1.金属材料的物理性能：,比重、密度、熔点、导电性、导热性、磁性、 热膨胀系数。,2.金属材料的化学性能：,耐酸性、耐碱性、抗氧化性。,成形工艺的应用,重要环节： 热处理,？,1.3 金属材料的工艺性能,金属材料的工艺性能：是指用不同的加工手段所表现出来的难易程度。,铸造性能（流动性、收缩、偏析等） 锻压性能 切削加工性 焊接性 热处理性能,小 结：,1.强度、塑性的拉深实验测试；三种不同硬度的测试方法。,2.强度、塑性、韧性、硬度以及疲劳强度的含义、特点、表示方法、及衡量指标。,3.力学性能的实际应用，提高疲劳强度的措施。,本单元了解了金属材料的类型和性能。重点学习了金属材料的力学性能的指标：强度、塑性、韧性、硬度以及疲劳强度。,研究的意义：,性能决定了材料的用途。 性能决定了材料和零部件生产方法。 性能的变化规律为改变材料性能达到人们需求提供途径。,材料性能总结,课后作业题,1.什么是金属材料力学的性能？它与什么因素有关？ 2.什么是强度？塑性？硬度？韧性？,谢谢大家！,

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