第一节 金属材料的力学性能

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
断 裂 断 裂 点 不 断 裂
疲劳曲线
疲劳破坏原因: 材料有杂质,表面划痕,能引起应力集中 (指受力构件由于几何形状、外形尺寸发生突变而引起局部范 围内应力显著增大的现象 ),导致微裂纹,裂纹扩展致使零 件不能承受所加载荷突然破坏.
产生疲劳破坏的原因
材料有杂质、表面划伤等缺陷
微裂纹 裂纹扩展 破 坏
2、 金属材料按是否含Fe元素分为: 1)黑色金属:铁族材料,指Fe及以Fe为基的合金。 ① 钢:碳钢,合金钢,特殊性能钢等。 ②铸铁:灰铸铁,球墨铸铁,可锻铸铁,蠕墨铸铁等。 2)有色金属:非铁族材料,指黑色金属以外的所有金 属及合金。 ①铜及铜合金。 ②铝及铝合金,等等。
3)粉末金材料
• 在机械制造中应用的金属以黑色金属为主,占90%以 上。
弹性:金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能恢 复其原来形状的性能,也就是,力和变形同时存在、同时 消失。
应力σ:单位面积上的拉力4P/πd2 应变ε:单位长度上的伸长量ΔL/L0 σe——弹性极限 刚性:金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力。
2、塑性的衡量(塑性指标):伸长率 δ和断面收缩率 Ψ
2、工艺性能: 指在制造机械零件的过程中,材料适应各种冷、热加 工和热处理的性能。 包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切 削加工性能和热处理工艺性能等。
2 疲劳强度 许多零件如曲轴、齿轮、连杆、弹簧 等在交变载荷作用下工作,发生断裂时的 应力远低于该材料的屈服强度,这种现象 叫疲劳破坏。据统计,80%机件失效是由 于疲劳破坏。 疲劳强度——金属材料在无数次交变载荷 作用下而不致于引起断裂的最大应力。
材料的疲劳强度通常在旋转对称弯曲疲劳试验机上测 定疲劳曲线,即交变应力与断裂前的循环次数N之间的 关系。有色金属N》108,钢材N>107 不疲劳破坏
特点: 布氏硬度因压痕面积较大,HB值的代表性 较全面,而且实验数据的重复性也好。由于淬火 钢球本身的变形问题,不能试验太硬的材料,一 般测HB450以下的材料;硬质合金可测HB450以上 的材料。 由于压痕较大,不能进行成品检验。 通常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢 等材料的硬度。 2. 洛氏硬度HR 用金刚石圆锥或钢球作压头,在规定的预载荷 和总载荷下,压入材料,卸载后,测其深度h, 由公式求出,可在洛氏硬度计上直接读出,无单 位.
1)伸长率( δ )
δ=
l1-l0 l0
×100%
l1——试样拉断后的标距,mm; l0——试样的原始标距,mm。
2)断面收缩率( Ψ )
Ψ=
S0-S1 S0
×100%
S0——试样原始横截面积,mm2; S1——颈缩处的横截面积,mm2 。 δ、ψ越大,材料塑性越好。
(三) 强 度
• 金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力——强 度。按作用力性质不同,可分为屈服强度(屈服点) 及抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。在 工程上常用来表示金属材料强度的指标有屈服强度和 抗拉强度。
布氏硬度试验原理图
布氏硬度计
计算公式:
HB
压入载荷(N) 压痕的表面积(mm2) 2F 0.102 D( D D2 d 2 )
压头是直径为D的钢球或硬质合金球。 • HBS——压头为钢球,用于测量<450HBS •HBW——压头为硬质合金,用于测量>450HBW( <650HBW)
0.2表示。
计算公式:
F
σs=
Fs S0 F0.2 S0
F0.2
脆性材料的屈服点
σ0.2=
0
0.2%L0
ΔL
应用:σs和ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0.2常作为零件选材和设计的依据。
2. 抗拉强度(强度极限):材料承受最大载荷时的应力。 用σb表示。
计算公式:
Fb σb= S0
应用:制作机械零件和工 程构件时的选材和设计的依据
ak = AK/S (J·cm-2)
Ak—冲断试样所消耗的冲击功(J) S—试样断口处的原始截面积(cm2)
材料韧性判据为冲击韧性ak ,低值为脆性材料, 高值为韧性材料。
在冲击载荷下工作的零件,很少是受大能量一次冲击 而破坏的;往往是受小能量多次重复冲击而破坏的。
试验表明:在冲击能量不太大的情况下,其承受反复 冲击的能力主要取决于强度,而不是很高的冲击韧性ak 。
120º 金刚 HRC 石圆锥
20~67 淬火钢、调质钢等
特点:洛氏硬度HR可以用于硬度很高的材料,而 且压痕很小,几乎不损伤工件表面,故在钢件 热处理质量检查中应用最多。 但洛氏硬度由于压痕较小,硬度代表性就 差些,如果材料中有偏析或组织不均匀的情况, 则所测硬度值的重复性也差。
数显维氏硬度计
•分 类
•拉力——屈服强度、抗拉强度
•压力——抗压强度 •弯曲力——抗弯强度 •剪切力——抗剪强度
材料受力 作用在机件上的外力——载荷 F
F
F’
F
外力 —— 内力——应力(单位截面上的内力) F = F’
σ= F’ /S
(MPa)
F' F S S
低碳钢拉伸时的应力—应变曲线 应力σ:单位面积上的拉力4P/πd2 应变ε:单位长度上的伸长量ΔL/L0
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
低碳钢拉伸过程变化的三个阶段: 弹性变形阶段 塑性变形阶 颈 段缩现象至断裂
另, 脆性材料的拉伸曲线(与低碳钢试样相对比)
F
0
ΔL
脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。
(二)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 金属材料在外力作用下,产生永久变形而不致引 起破坏的性能叫做塑性。 • 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。
条件屈服强度σ0.2 有些材料在拉伸图中没有明显的水平阶段。为了衡 量这些材料的屈服特性,规定产生永久残余变形等于 一定值(一般为原长度的0.2%)时的应力,称为条件屈 服强度或简称屈服强度σ0.2 。
脆性材料拉伸试验的屈服点: 试样卸除载荷后,其标距部分的残余伸长率达到试样标距 长度的0.2%时的应力,用符号σ
那么,为什么金属材料或者黑色金属材料是用来制造机器的最 主要材料?这是因为:
其具有优良的机械性能(力学性能)、工艺性能,并具较好的 物理性能及化学稳定性。 那么,什么是金属材料的机械性能(力学性能)?什么是金属 材料的工艺性能?什么是金属材料的物理性能及化学性能?
第1节 金属材料的力学性能 力学性能:材料在外力(静载荷、动载荷、交变载荷)作用下, 所表现出的性能。包括强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强 度等,是选择、使用金属材料的重要依据。 一、 静载时材料的力学性能 (一) 静载拉伸试验 1. 拉伸试样(GB6397-86)
应力集中
三、金属材料的性能:
1、使用性能: 指材料在使用过程中所表现的性能,主要包括力学性 能、物理性能和化学性能。 物理性能:密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、 磁性。如,飞机上使用的零件要求比重轻;电机、电 器用零件要考虑导电性, 等等。 化学性能:室温或高温时抵抗各种化学作用的能力, 也称化学稳定性, 包括耐酸性、耐碱性、抗氧化性等 等。如,化工设备、医疗器械要求化学稳定性好。 同时,各种金属材料存在各不相同的使用性能。因此: 1)我们必须首先熟悉各种金属材料的主要性能。 2)才能根据不同的技术要求,选择合适的金属材料。 比如:1)医疗器械 →不锈钢。 2)飞机上使用的零件,要求比重 轻,当然强度也要高→铝合金甚至复合材料。
e-残余压痕深度增量,0.002mm为单位
HRC 10HBS ( HBW )
洛氏硬度计
洛氏硬度的分类及应用
标度 压头 总载荷 应用范 (kg) 围
60 70~85
适用材料 硬质合金、 表面淬火的钢 软钢、退火钢、 铜合金
120º 金刚 HRA 石圆锥 HRB
Φ1.588mm
钢球
100
150
25~100
1.屈服强度(屈服极限、屈服点): 当载荷增达到s点时,拉伸曲线出现了平台,即试 样所承受的载荷几乎不变,但塑性变形不断增加,这 种现象称为屈服。 屈服点是指在外力作用下开始产生明显塑性变形 的最小应力。用σs表示。
计算公式:
Fs σs= S0
应用:制作机械零件和工 程构件时的选材和设计的依据 。
第一章 金属材料及热处理基础知识
• 应用于各种工程领域中的材料,如在机械工业中,建 筑及桥梁中,等等,——统称为工程材料。 • 其中用来制造各种机电产品的材料,——称为机械工 程材料, 主要包括: 1)金属材料:钢,铸铁,铜及铜合金,等等。 2)非金属材料:塑料,橡胶,工业陶瓷,等等。 3)复合材料:由两种或两种以上性质不同的材料复 合而成的多相材料。 • 金属材料是制造机器的最主要材料。 1、金属材料按含金属元素数量的多少分为: 1)纯金属(一种金属). 2)合金(以一种金属为基+其他金属或非金属)
数显显微硬度计
二、 动载时材料的力学性能
1、冲击韧性:金属材料抵抗冲击载荷作用而不 破坏的能力叫做冲击韧度。常用一次摆锤冲击 试验来测定金属材料的冲击韧度。
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。 试验过程如图所示。 计算公式 Ak=GH1 - GH2 =G(H1 - H2) 冲击韧度(a k):冲击吸收功除以试样缺口处截面积。

屈服强度和抗拉强度在机械设计和选择、评定金 属材料时有重要意义,材料不能在超过其σs的条 件下工作,否则会引起机件的塑性变形;更不能 超过其 σb的条件下工作,否则会导致机件的破 坏。
(四)、 硬度:材料抵抗更硬的物体压入其内的能力 ,是 材料性能的一个综合物理量。表示材料在一个小的 体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的能力。 金属材料的硬度可用硬度仪来测试,常用的硬指 标有布氏硬度、洛氏硬度等。 1.布氏硬度HB 用直径D的淬火钢球或硬质合金球,在一定压力P 下,将钢球垂直地压入金属表面,并保持压力到规定 的时间后卸荷,测压痕直径d. HB=F/S (N/mm2) 单位一般不写 S-压痕面积.
洛氏硬度计用金刚石圆 锥或钢球为压头,实 验时是根据测量到的 压入深度,转变成刻 度盘上的数据。
洛氏硬度一般用于HB>450
洛 氏 硬 度 试 验
1-试样表面 2-基准线 F0-初始试验力 F1-主试验力 F-总试验力
HRA( HRC ) 100 e, HRB 130 e
A、C标尺-金刚石圆锥压头 B标尺-钢球压头
长试样:L0=10d0 , 短试样:L0=5d0
2. 拉伸过程:
拉伸过程
拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线:
1)op/pe段:直线(弹性变性) 2)es段:曲线(弹性变形+塑性变形) 3)s s’段:水平线(略有波动), 塑性变形, 作用的力基本不变,试样 连续伸长。 4)s’b曲线:弹性变形+塑性变形 5)b点:出现缩颈现象,即试样局 部截面明显缩小试样承载能力降低, 拉伸力达到最大值,试样即将断裂。
(1)弹性变形: 材料受外力作用时产生变形,当外力去除后恢复其原来 形状,这种随外力消失而消失的变形,称为弹性变形。
F F F
(2)塑性变形:
材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形,称 为塑性变形。
F F F
很显然,金属材料具有不同的弹性和塑性,那么,金属材 料的弹性和塑性如何衡量? 1、弹性的衡量:弹性模量E
相关文档
最新文档