金属材料性能论文金属材料的论文

船电101 李伟聪09 何碧枢11

关于“金属材料的力学性能”的论文

金属材料的力学性能

金属材料的力学性能是指金属材料在外力作用下抵抗变形或破坏的能力，如强度、硬度、弹性、塑性、韧性等。这些性能是化工设备设计中材料选择及计算时决定许用应力的依据。

㈠强度

材料的强度是指材料抵抗外加载荷而不致失效破坏的能力.

一般来讲，材料强度仅指材料在达到允许的变形程度或断裂前所能承受的最大应力，像弹性极限、屈服点、抗拉强度、疲劳极限和蠕变极限等。材料在常温下的强度指标有屈服强度和抗拉（压）强度。

屈服强度表示材料抵抗开始产生大量塑性变形的应力。抗拉强度表示材料抵抗外力而不致断裂的最大应力。在工程上，不仅需要材料的屈服强度高，而且还需要考虑屈服强度与抗拉强度的比值（屈强比），根据不同的设备要求，其比值应适当。屈强比较小材料制造的零件具有较高的安全可靠性，因为在工作时万一超载，也能由于塑性变形使金属的强度提高而不致立刻断裂。但如果屈强比太低，则材料强度的利用率会降低。因此，过大、过小的屈强比都是不适宜的。

在化工炼油设备中，很多零部件是长期在高温下工作的，对于制造这些零部件的金属材料的屈服限ss、抗拉强度限sb都会发生显著变化，必须考虑温度对力学性能的影响。通常随着温度升高，金属的强度降低而塑性增加。另外，金属材料在高温长期工作时，在一定应力下，会随着时间

的延长缓慢地不断发生塑性变化的现象，称为“蠕变”现象。例如，高温高压蒸汽管道虽然其承受的应力远小于工作温度下材料的屈服点，但在长期的使用中则会产生缓慢而连续的变形使管径日趋增大，最后可能导致破裂。材料在高温条件下抵抗这种缓慢塑性变形的能力，用蠕变极限sn表示。蠕变极限是指试样在一定温度下和在规定的持续时间内，产生的蠕变变形量（总的或残余的）或第Ⅱ阶段的蠕变速度等于某规定值时的最大应力。

对于长期承受交变应力作用的金属材料，还有考虑“疲劳破坏”。所谓“疲劳破坏”是指金属材料在小于屈服强度极限的循环载荷长期作用下发生破坏的现象。疲劳断裂与静载荷下断裂不同，无论在静载荷下显示脆性或韧性的材料，在疲劳断裂时，都不产生明显的塑性变形，断裂是突然发生的，因此具有很大的危险性，常常造成严重的事故。金属材料在循环应力下，经受无限次循环而不发生破坏的最大应力称为“疲劳强度”，以sr（见（a）式）表示，称为应力循环系数或应力比，在对称循环时，(r=-1）表示。对于一般钢材，以106～107次不被破坏的应力，作为疲劳强度。㈡硬度硬度是指固体材料对外界物体机械作用（如压陷、刻划）的局部抵抗能力。它是由采用不同的试验方法来表征不同的抗力。硬度不是金属独立的基本性能，而是反映材料弹性、强度与塑性等的综合性能指标。在工程技术中应用最多的是压入硬度，常用的指标有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRC、HRB)和维氏硬度(HV)等。所得到的硬度值的大小实质上是表示金属表面抵抗压入物体(钢球或锥体)所引起局部塑性变形的抗力大小。一般情况下，硬度高的材料强度高，耐磨性能较好，而切削加工性

能较差。

根据经验，大部分金属的硬度和强度之间有如下近似关系：

低碳钢sb≈0.36 HB

高碳钢sb≈0.34 HB

灰铸铁sb≈0.1 HB

因而可用硬度近似地估计抗拉强度。

㈢塑性

材料的塑性是指材料受力时，当应力超过屈服点后，能产生显著的变形而不即行断裂的性质。工程上以延伸率d和断面收缩率y作为衡量金属静载

荷下塑性变形能力的指标。

1．延伸率（d）延伸率主要反映材料均匀变形的能力。

它以试件拉断后，总伸长的长度与原始长度的比值百分率d（%）

来表示。

（2-1）

（2-1）式中l----试件断裂后的标距长度，mm2；

l0----试件原始的标距长度，mm2；

△l----断裂后试件的绝对伸长量，mm2。

延伸率的大小与试件尺寸有关，为了便于进行比较，须将试件标准化。现国内采用的拉伸试样有：长圆试样用l0/d0=10（d0 为试样直径）、短圆试样用l0/d0=5，分别在延伸率下标以d10和d5来表示。

2．断面收缩率y 断面收缩率主要反映材料局部变形的能力。

它以试件拉断后，断面缩小的面积与原始截面面积比值的百分率y

（%）来表示。

（2-2）

式中A----试件断裂后的最小截面积，mm2；

A0----试件的原始截面积，mm2。

断面收缩率的大小与试件尺寸无关。它不是一个表征材料固有性能的指标，但它对材料的组织变化比较敏感，尤其对钢的氢脆以及材料的缺口比较敏感。材料的延伸率与断面收缩率值愈大，材料塑性愈好。塑性指标在化工设备设计中具有重要意义，有良好的塑性才能进行成型加工，如弯卷和冲压等；良好的塑性性能可使设备在使用中产生塑性变形而避免发生突然的断裂。承受静载荷的容器及零件，其制作材料都应具有一定塑性，一般要求d5＝10％～20％。过高的塑性常常会导致强度降低。

㈣冲击韧性=V

对于承受波动或冲击载荷的零件及在低温条件下使用的设备，其材料性能仅考虑以上几种指标是不够的，必须考虑抗冲击性能。材料的抗冲击能力常以使其破坏所消耗的功或吸收的能除以试件的截面面积来衡量，称为材料的冲击韧度，以ak表示，单位J/cm2。

韧性可理解为材料在外加动载荷突然袭击时的一种及时并迅速塑性变形的能力。韧性高的材料一般都有较高的塑性指标，但塑性指标较高的材料，却不一定具有较高的韧性，原因是在静载下能够缓慢塑性变形的材料，在动载下不一定能迅速地塑性变形。因此，冲击值的高低，决定于材料有无迅速塑性变形的能力。

由于ak值在低温时会有不同程度的下降，故在化工设备中，低温容器

所用钢板，ak值不得低于30 J/cm2。

“金属的力学性能”是“金属材料与热处理基础”教学单元中的重要内容,在“金属的力学性能”教学单元中涉及的实验较多,教材通过各种试验机的实验结果分别说明各力学性能指标的测定.

一、巧设演示,引出概念

恰当的课堂演示可以把一些深奥难懂的问题直观地反映出来,通过感性认识加深对知识的理解,从而达到深入浅出的教学效果。

例如,讲述“强度”“韧性”的概念时,可以分别做以下演示实验。

演示1取一段100mm长Φ0.6mm的细铁丝和100mm长Φ0.9mm 的焊锡丝,徒手对拉,锡丝很容易拉断而细铁丝拉不断。

说明细铁丝在拉力(静载荷)作用下更难断裂,即抵抗能力更强。由此引出“强度”的概念,可以容易理解。

演示2用手指轻弹橡皮泥和粉笔,结果是橡皮泥产生了弯曲但并没有断裂,粉笔立即断成两截飞出。

说明在冲击载荷的作用下粉笔的抵抗能力更弱,由此引出“冲击韧性”的概念。这样就能从感受中理解概念。

再如,在讲到材料的硬度时,可用一简单的实验求证课本知识:找一把小刀切削橡皮擦和铅笔。小刀可以轻而易举地切削橡皮擦,而切削铅笔却要花较大的力气。说明橡皮擦的硬度低,而铅笔的硬度高。在讲到材料硬度的测定方法时,我准备了一块橡皮泥、一块橡皮擦、一块和一把小刀,先将橡皮泥和橡皮擦放到一位同学的手中,要求判断其硬度,说明判断方法;再将小石块和小木块放到同学的手中,要求判断其硬度,并说明判断方法。所以