金属材料的性能

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uHRB 是采用100Kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球求硬 度,用于硬度较低的材料。例如:软钢、有色金属、退 火钢、 铸铁等。
uHRC 是采用150Kg载荷和圆锥角为120°的金刚石圆锥 压头求硬度,用于硬度很高的材料。例如:淬火钢等。
3.6.1 洛氏硬度
各符号代表的含义:
硬度值
50 HR C 洛氏硬度标
determined using the 0.002 strain offset method.
3.5 塑性变形
金属的塑性变形是通过滑移来实现的,它是不可逆的。 站在原子的角度来理解塑性变形:原子之间产生了不 可恢复的相对滑移。在塑性过程中,原子之间的键被打断, 大量的原子或分子移动,形象地说,就是一些原子的“邻 居”改变了。弹性形变时,所有原子的“邻居”都不改变, 只是相对距离和方位有所改变而已。
(5)弹性比功(Ww)
也称弹性应变能密度,它是指材料吸收变形功而不发 生永久变形的能力。
物理意义:材料在开始塑性变形前单位体积所吸收的 最大弹性变形功,是一个韧度指标。每单位体积的能量是: 在弹性区的应力应变曲线下的面积。(见下图)
3.3.5 弹性极限和弹性比功
Engineering Stress, σ =P/Ao
金属材料的性能
内容提要
3.1 简介 3.2 应力-应变的概念 3.3 弹性变形 3.4 塑性变形 3.5 屈服 3.6 硬度 3.7 摩擦与磨损 3.8 疲劳
3.1 简介
材料的力学性能通常是指材料的弹性、塑 性、强度、硬度和韧性等。
w 各种力学性能指标的物理概念、实用意义以及它们之 间可能的相互联系;
3.6.3 维氏硬度
维氏硬度和布 氏硬度类似,也是 用单位压痕面积上 承受的名义应力值 来计算硬度,但是 采用的压头不同, 测定维氏硬度时, 采用采用金刚石的 四方角锥体为压头, 四方椎体两相对面 间的夹角为136°。
3.6.3 维氏硬度
测试方法:
以49.03~980.7N的负荷,将相对面夹角为136°的方锥 形金刚石压入器压材料表面,保持规定时间后,用测量 压痕对角线长度,再按公式来计算硬度的大小。它适用 于较大工件和较深表面层的硬度测定。
3.2.2几种主要的受力方式 3.2.2 .1简单拉伸
试样施加拉伸载荷产生伸长 率和正线性应变
虚线表示变形前的形状;实 线表示变形后
拉伸试验
工程应力 (MPa):
F :施加垂直于试样的横截面的瞬时负载(N); A:任意被施加负载前的原始横截面积(m)。
工程应变:
L0:任意被施加负载前的原始长度; Li :瞬时长度,ΔL= Li—L0。
3.4 屈服
屈服: 是指试样在拉伸时,当应力超过弹性极限,即使应力
不再增加,而试样仍继续发生明显的塑性变形,称此现象 为屈服,而产生屈服现象时的最小应力值为屈服点。
屈服强度( δs ): 是指金属材料发生屈服现象时的屈服极限,亦即抵抗
微量塑性变形的应力。
3.4 屈服
对于屈服现象明显的材料,屈服强度就是屈服点的应 力(屈服值);
斜率。
3.3.2 应力-应变特性
胡克定律:
在材料的线弹性范围内,固体的单向拉伸变形与所 受的外力成正比。式中E为常数,称为弹性模量或杨氏模 量。
E含义的宏观理解
E是表征在弹性限度内物质材料抗拉或抗压的物理量,与 外力与物体的形状无关。仅取决于材料本身的物理性质。 杨氏模量的大小标志了材料的刚性,杨氏模量越大,越不 容易发生形变。
维氏硬度也有小负荷维氏硬度,试验负荷 1.961~<49.03N,它适用于较薄工件、工具表面或镀层的 硬度测定。
3.6.3 维氏硬度
计算公式:
P—负荷(Kgf) d—平均压痕对角线长度(mm)
维氏硬度值的标准格式为xHVy。例如185HV5中, 185是维氏硬度值,5指的是测量所用的负荷值。
3.7 摩擦与磨损
3.7 摩擦与磨损
3.7.1 摩擦
表征摩擦性能的参数:摩擦系数。它是指摩擦力与施 加在摩擦面上的法向压力之比。
3.3.5 弹性极限和弹性比功
(1)比例极限
是指金属弹性变形时应变与应力严格成正比关系的上 限应力(sp),即在拉伸应力-应变曲线上开始偏离直线时的 应力sp:
sp=Fp/S0
Fp为拉伸图上开始偏离直线时的载荷; S0为试件的原始截面积。
3.3.5 弹性极限和弹性比功
(2)条件比例极限
是指应力-应变曲线上偏离直线段一定距离的应力, 即产生一定塑性变形量时的应力值,它代表材料对产生极 微量塑性变形的抗力。
Resilience, Ur
σy
y
X
U r sd
o
E
s y y
2
s
2 y
2E
εy Engineering Strain, ε = DL/Lo)
3.3.6 泊松比(Poisson’s ratio)
泊松比是指材料在单向受拉或受压时,横向正应 变与轴向正应变的绝对值的比值。
For many metals and other alloys, v is in 0.25 ~ 0.35.
3.6.2 布氏硬度
3.6.2 布氏硬度
计算公式:
F—压痕表面积 P—试验载荷(kgf) D—表面压痕直径(mm) h— 压痕深度(mm)
3.6.2 布氏硬度
适用范围: u一般用于较软的材料。如有色金属、热处理 之前或退火后的钢球。 u当零件表面不允许有较大压痕,试样过薄以 及要求大量快速检测时,不适合使用布氏硬度。 u当材料的弹性变形较大时,不适合使用布氏 硬度。
3.2.2几种主要的加载类型 3.2.2.2 压缩
试样施加压缩载荷产生收缩 和负线性应变
虚线表示变形前的形状;实 线表示变形后
3.2.2几种主要的加载类型 3.2.2 .3简单剪切与扭转
左图:施加的剪切应力F后产生的剪切应变γ,其中γ=tanθ 的示意图 右图:是在工程实践应用中施加的扭矩T所产生的扭转变 形(扭曲Ф即角)的示意图。
3.3.6 泊松比(Poisson’s ratio)
对于各向同性的材料, 弹性模量、剪切 模量和泊松比的关系如下:
对于大多数金属而言,G大约是0.4E,因此,如果一 个系数已知,其他的系数可以近似求解。
问题举例:
一根长为305mm的铜线在276Mpa 的拉力下被拉长,如果这个变形是完全 的弹性变形,试问由此产生的伸长率是 多少?
(3)弹性极限
是指金属材料发生最大弹性变形时的应力值。当应 力超过弹性极限,金属便开始塑性变形。
3.3.5 弹性极限和弹性比功
(4)条件弹性极限
工程上规定,以产生0.005%、0.01%、0.05%的残余 变形时的应力作为条件弹性变形。
注意:比例极限和弹性极限的异同
3.3.5 弹性极限和弹性比功
3.7.1 摩擦
两个相互接触的物体或物体与介质之间在外力作用下, 发生相对运动,或者具有相对运动的趋势时,在接触表面 上所产生的阻碍作用称为摩擦。
按照两接触面运动方式的不同,可以将摩擦分为滑动 摩擦和滚动摩擦。滑动摩擦指的是一个物体在另一个物体 上滑动时产生的摩擦;滚动摩擦指的是物体在力矩作用下, 沿接触表面滚动时的摩擦。
问题举例
某黄铜样品的应力-应变 曲线如下图所示,如何确定以 下参数?(1)弹性模量; (2)屈服强度(应变为 0.002);(3)如该样品为圆 柱形,起始直径为12.8mm, 计算所能承受的最大载荷。 (4)如该样品的起始长度为 250mm,受到345Mpa的拉伸 应力,其长度变化。
345 150
剪切和扭转测试
剪切应力:
F是施加在平行于上下表面的载荷
剪切应变:
γ= tanθ
3.3 弹性变形
3.3.1 弹性变形的定义
金属材料在外力作用下发生尺寸或形状的变化,称 为变形,若外力除去后,变形随之消失.这种变形即为
弹性变形。
弹性变形是可逆的。每种材料都有一定的弹性变形 范围,它取决于应力的大小与状态,因而可以说弹性变 形具有普遍性。
3.5 塑性变形
Figure: typical sressstrain behavior for a metal showing elastic and plastic deformations, the proportional limit P, and
the yield strength σy, as
例子:
对于陶瓷材料来说,弹性模量要稍高一些,一般是 在70Mpa-500Mpa之间。
例子:
对于聚合物材料来说,它的弹性模量比金属和陶瓷 材料都要小,一般在0.007兆帕-4兆帕之间。
弹性模量E
除了橡胶材料,随着温度的升高,弹性模量E都随之 降低 。
3.3.3 剪切模量
在弹性阶段内,剪应力和剪应变互相成正比,G为剪 切模量,它的几何含义是应力应变曲线中线性部分的 斜率。它表征材料抵抗切应变的能力。剪切模量大, 则表示材料的刚性强 。
(1) 线性弹性行为
循环加载和卸载后的线性应 力-应变原理图
线性 段的 斜率 对应 于弹 性模 量E 的模

(2)非线性弹性行为
应力 - 应变曲线呈现非线性弹性 行为的原理图
在图中体现了割线 和切线模量是如何 测定的。正切模量 是在一些特定的应 力水平下,应力 应变曲线的斜率, 而割线模量表示从 原点到一些给定的 点所绘制的应力 应变曲线的割线的
对于屈服现象不明显的材料,对于无明显屈服的金属 材料,规定以产生0.2%残余变形的应力值为其屈服极 限,称为条件屈服极限或屈服强度。大于此极限的外 力作用,将会使零件永久失效,无法恢复。
3.4 屈服
对于弹塑性转变非常明显 的材料,这一转变在屈服 点发生,在上屈服点之后, 应力出现小幅的下降,随 后随着变形的持续,应力 出现轻微的波动,最终达 到一个恒定值,这个值所 在的点称为下屈服点,随 后应力开始一直升高。对 于金属来说,屈服强度取 为与该下屈服点相关的平 均应力。
3.6.1 洛氏硬度
测定方法:
3.6.1 洛氏硬度
计算公式:
ut为压痕深度的残余增量; uK为常数,采用金刚石圆锥头时K=100,采用钢球压头 时,K=130。
3.6.1 洛氏硬度
根据实验材料硬度的不同,可分为三种不同标度来表示:
uHRA是采用60Kg载荷和圆锥角为120°的金刚石圆锥压 头求硬度,用于硬度较高的材料。例如:硬质合金。
材料受拉时的应力-应变曲线
3.6 硬度
材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬 度。一般可分为以下三种:
u洛氏硬度 u布氏硬度 u维氏硬度
3.6.1 洛氏硬度(HR)
这种方法是用压痕深度t来表征材料的硬度。一般 情况下,压头有两种类型:一类为圆锥角为120°的金 刚石圆锥体;一类为直径D=1.588mm的淬火钢球。
w 影响金属材料力学性能的因素以及提高力学性能的方 法和途径;
w 力学性能的测试方法。
3.2 应力和应变
3.2.1 应力-应变的概念
当材料在外力作用下不能产生位移时,它的几何形 状和尺寸将发生变化,这种形变就称为应变(Strain)。 材料发生形变时其内部产生了大小相等但方向相反的反 作用力抵抗外力,把分布内力在一点的集度称为应力 (Stress)。
E的微观理解
E的大小是原子间结合力的度量 ; E的不同是存在于不同 金属类型中不同原子键的直接结果。
弹性模量的大小正比于在平衡原子间距位置的每条曲线 的斜率 。
强键原子与弱键原子的原子 间距与力的大小的关系曲线
例子:
对于大多数典型的金属模来说,它的弹性模量大致 是在45Mpa-407Mpa之间。
标符号
3.6.1 洛氏硬度
适用范围:
u洛氏硬度压痕很小,测量值有局部性,须测 数点求平均值,适用成品和薄片。 u归于无损检测一类。
3.6.2 布氏硬度
这种方法是用压痕球形表面积来表征材来自百度文库的硬度。 测试方法: 布氏硬度(HB)是以一定大小的试验载荷,将一定直 径的淬硬钢球或硬质合金球压入被测金属表面,保持规 定时间,然后卸荷,测量被测表面压痕直径。然后计算 其压痕球形表面积。最后利用载荷除以压痕球形表面积 得到布氏硬度值(HB)。 测试载荷与测试钢球的直径根据材料的实际性能确定。
0.06
0.002 0.0016
3.5 塑性变形
材料在外力作用下产生应力和应变(即变形)。当应 力未超过材料的弹性极限时,产生的变形在外力去除后全 部消除,材料恢复原状,这种变形是可逆的弹性变形。当 应力超过材料的弹性极限,则产生的变形在外力去除后不 能全部恢复,而残留一部分变形,材料不能恢复到原来的 形状,这种残留的变形是不可逆的塑性变形。
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