金属材料的力学性能.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,.,*,*,工程材料及热处理,JINSHUCAILLIAODELIXUEXINGNENG,多媒体技术,金属材料的力学性能,1,.,金属材料的常用五大力学性能指标。,掌握金属力学性能的基本概念及其指标；,认识拉伸曲线图，掌握强度、塑性的衡量指标及其意义；,掌握常用硬度的测试方法及适用范围。,掌握冲击韧度、疲劳强度的衡量指标及其意义。,知识目标：,能力目标：,能根据拉伸曲线图比较不同金属材料的强度、塑性；,能根据材料及其热处理状态，正确选用硬度测试方法；,能根据力学性能指标合理选用金属材料。,重点及难点：,2,.,北极星导弹,美国空客,泰坦尼克号,引言,3,.,铸造性,锻造性,焊接性,热处理工艺性,切削加工性,金属材料的性能：,物理性能,化学性能,力学性能,使用性能,保证机械零件能正常使用应具备的性能,工艺性能,各种加工过程中表现出来的性能,使用性能,、,工艺性能,4,.,金属的,力学性能,金属材料在各种,载荷,(外力)作用下表现出来的抵抗变形和破坏的能力。,载荷（外力）形式：,静载荷,冲击载荷,疲劳载荷,拉伸,压缩,弯曲,剪切,扭转,载荷分类：,包括：强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳强度,5,.,一、强度,拉伸试验,1,、拉伸试验机,6,.,2,、拉伸试样,长试样,（,1,）圆柱形试样,短试样,（,2板状试样,L,0,、d,0,是规定的标准值,通常，L,0,取100mm或者50mm,7,.,3,、,拉伸曲线分析,（低碳钢）,弹性变形变,微量塑变,屈服,均匀塑变,缩颈,局部塑变,断裂,8,.,4,、,低碳钢的应力,-,应变曲线,应力=F/A,0,应变=L/L,0,9,.,几种常见金属材料的应力-应变曲线,1-,铝青铜,2-,低碳钢（,C,，,0.35%,）,3-,硬铝,4-,铜,10,.,强度金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。,抵抗塑性变形和断裂的能力越大，则强度越高。,按载荷作用方式不同，强度可分为：抗拉强度、抗弯强度、抗压强度、抗剪切强度,工程上常用的强度指标：屈服强度、抗拉强度,11,.,1,、屈服强度,强度指标,屈服,1,）符号,s,2,）大小,s=Fs/Ao,3,）意义,屈服强度表示材料抵抗塑性变形的能力；,是塑性材料选材的依据。,（产生屈服现象的最低应力）,弹变,塑变,2,、抗拉强度,12,.,强度指标,0.2,铸铁的应力,-,应变曲线,有些金属材料在拉伸时无明显的屈服现象（如左图的铸铁），无法测定其屈服强度,s,。,按,GB/T228-2002,规定，可用,条件屈服强度,0.2,表示。,含义：残余变形量为,0.2%,时的应力值。,13,.,2,、抗拉强度,强度指标,缩颈,1,）符号,b,2,）大小,b,=F,b,/Ao,3,）意义,材料抵抗断裂的能力是选材的依据,（断裂前的最大应力）,塑变,断裂,14,.,金属材料在断裂前,产生永久变形的能力,。,塑性指标,伸长率,（,）,断面收缩率,（,）,二、,塑性,=,（,L,1,-L,0,）,/L,0,100%,试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比,伸长率,（,）,L,0,试样原始标距（,mm,）,L,1,试样拉断后标距（,mm,）,注意：,当,L,0,=10d,0,时，伸长率用,（10）,表示；当,L,0,=,5,d,0,时，,伸长率用,5,表示；,直径,d,0,相同时，,L,0,，,。只有当,L,0,/d,0,为常数时，塑,性值才有可比性；,同一材料的试样长短不同，测得的伸长率数值,是不相等的（一般有,5,）；,比较不同材料的伸长率时，应采用尺寸规格一样的,试样。,15,.,断面收缩率,（）,试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。,A,0,试样原始横截面积（,mm,2,）,A,1,试样拉断后缩颈处最小横截面积（,mm,2,）,=(A,0,-A,1,)/A,0,100%,说明：,用断面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形；,塑性指标,16,.,塑性好，利于材料成形加工（锻压、轧制等）；,塑性好，可以防止过载，避免突然断裂；,伸长率和断面收缩率数值越大，材料的塑性越好；,拉伸试样的缩颈现象,塑性意义,17,.,材料抵抗表面局部塑性变形的能力。衡量金属软硬程度的一种性能指标。,三、硬度,18,.,硬度指标,布氏硬度,维氏硬度,洛氏硬度,19,.,布氏硬度,（,1,）试验原理,20,.,布氏硬度,（,2,）计算公式,21,.,布氏硬度,（,3,）试验规范,GB/T 231.1,2002,压头：,10mm,、,5mm,、,2.5mm,、,1mm,F/D2,：,30,、,15,、,10,、,5,、,2.5,、,1,试验力：钢铁材料为,10,15s,，,有色金属为,30s,，,布氏硬度值,35,时为,60s,（,4,）表示方法,符号HBW之前的数字表示硬度值,符号后面的数字按顺序分别表示压头直径、载荷及载荷保持时间（,10,15s,不标注）。,如 120HB,W,10/1000/30 表示直径为10mm的硬质合金球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下，保持30s测得的布氏硬度值为120,。,22,.,布氏硬度压痕,优点：,测量误差小，数据稳定。,缺点：,压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料，操作麻烦。,适于测量,退火、正火、调质钢，铸铁及有色金属的硬度。,布氏硬度,（,5,）优缺点及应用范围,23,.,洛氏硬度,（,1,）试验原理,24,.,洛氏硬度用符号,HR,表示，,HR=,k,-(,h,1,-,h,0,)/0.002,根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为,A,、,B,、,C,。,h,1,-,h,0,洛氏硬度测试示意图,洛氏硬度计,洛氏硬度,25,.,符号,HR,前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。,HRA,用于测量高硬度材料,如硬质合金、表淬层和渗碳层。,HRB,用于测量低硬度材料,如有色金属和退火、正火钢等。,HRC,用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。,洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。,缺点：测量结果分散度大。,钢球压头与金刚石压头,洛氏硬度压痕,洛氏硬度,26,.,维氏硬度计,维氏硬度试验原理,维氏硬度压痕,维氏硬度,27,.,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。,根据载荷范围不同，规定了三种测定方法维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。,维氏硬度保留了布氏硬度和,洛氏硬度的优点。,维氏硬度,显微维氏硬度计,小负荷维氏硬度计,28,.,硬度测试方法比较,方法,压头,符号,原理,优点,缺点,表示方法,应用范围,布氏,硬度,HBW,洛氏,硬度,HRA,HRB,HRC,维氏,硬度,HV,金刚石圆锥,压痕,面积,测量准确,损伤大,操作繁,450HBW,软材料：,有色,软钢,毛坯半成品,淬火钢球,压痕,深度,损伤小,较迅速,不 够,准 确,不连续,45HRC,表层薄而硬,有色,软钢,成品、薄件,各种淬火钢,金刚石,四棱锥,压痕,面积,准确,连续性,不适于,成批,800HV,从软到硬,更宜：,更薄更硬,硬质,合金球,金刚石圆锥,29,.,金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。,冲击试验意义,判断材料的韧、脆性：,k,高为塑材,检验材料的冷脆、裂纹、白点等,冲击材料的选材依据,四、冲击韧度,冲击试验,指标为,冲击韧性值a,k,(通过冲击实验测得)。,30,.,冲击韧性值（a,k,）,试样冲断时所消耗的,冲击功A,k,为：,A,k,=m g h m g,h(,J),冲击韧性值（a,k,）,就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。,A,k,a,k,=,S,0,(J/m,2,),31,.,测定冲击韧性值的意义,1）评定材料相对韧性的大小 2）评定材料的变脆倾向,材料的冲击韧性随温度下降而下降。,在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称,韧脆转变,。发生韧脆转变的温度范围称,韧脆转变,温度。,材料的使用温度应高于韧脆转变温度。,韧,32,.,TITANIC,建造中的,Titanic,号,TITANIC,的沉没与船体材料的质量直接有关,33,.,Titanic 号钢板,（左图）,和,近代船用钢板,（右图）,的冲击试验结果,Titanic,近代船用钢板,34,.,1,、疲劳现象：,某些零件（如齿轮、主轴、弹簧）受力较小，甚至远低于材料屈服点，,长时间工作后发生突然断裂的现象。,2,、疲劳断裂特点：,1,）受力小，甚至远低于材料的屈服点；,2,）受力为交变应力；,3,）断裂前无明显塑性变形，具有突然性,3,、疲劳强度：,1,）材料经相当次数循环而不发生断裂的最大应力；,2,）符号为,1,；,3,）,-1,越高，断裂前循环次数越多，零件寿命越长,五、,疲劳,强度,35,.,36,.,4,、疲劳试验：,5,、,疲劳断裂原因与提高疲劳强度途径,：,影响疲劳强度的因素：,应力集中；,材料内部组织缺陷；,机加工精度；,表面状态、残余应力,提高疲劳强度的途径：,零件结构设计尽量避免,尖角、缺口和截面突变；,减少材料组织缺陷；,减小表面粗糙度；,采用表面强化处理。,动静万能疲劳试验机,37,.,六、,小结,塑性判据,强度判据,疲劳强度,-1,韧性判据,动载,维氏硬度,5,1000HV,受循环交变载荷零件的选材、检验依据,金属力学性能,静载,屈服点,抗拉强度,b,断裂前的最大应力,断后伸长率,5%,断面收缩率,10%,硬度判据,布氏硬度,650HBW,洛氏硬度,冲击韧度,k,受冲击零件的选材、检验依据,疲劳判据,s,塑性材料产生明显塑性变形的抗力,（抵抗塑性变形的指标）,0.2,脆性材料无明显塑性变形的抗力,（抵抗断裂的指标）,设计选材依据、,检查材料标准,可满足一般零件,设计选材参考,安全可靠保证,用于测,成品、,薄件,测薄而硬度金属,测定简单、,不伤工件,20,80HRA,20,70HRC,测定麻烦、,结果准确,测有色金属，退火、正火钢、,灰铸铁件的半成品、毛坯,测软材料,测淬火钢,连续测定、精确可靠,测更薄更硬材料,20,100HRB,38,.,