金属材料力学性能及实验.ppt

第一章 金属的力学性能及试验方法 金属材料性能：使用性能和工艺性能 使用性能：为保证机械零件或工具正常工作，材料应具备 的性能，它包括物理性能（如导电性、导热性、热膨胀性 等）、化学性能（如抗腐蚀性、抗氧化性等）和力学性能 。 工艺性能：在制造机械零件或工具的过程中，材料适应各 种冷、热加工和热处理的性能，它包括铸造、锻造、焊接 、切削加工等工艺性能以及热处理工艺性等。 力学性能：材料在外力作用下所显示的性能，又称机械性 能，如强度、硬度、塑性、韧性、抗疲劳性等。 一、强度 强度：金属抵抗永久变形和断裂的能力 拉伸试验法：拉伸试验在拉伸试验机上进行 一、强度 强度：金属抵抗永久变形和断裂的能力 拉伸试验法：拉伸试验在拉伸试验机上进行 拉伸试样：圆形试样（断面为圆形），根据GB6397 86的规定，拉伸试样分为长比例试样或短比例试样。 对圆形试样：长试样l=10d。；短试样l=5d。 拉伸曲线：在开始的 阶段，材料处于弹性变形阶段；超 过e点后，除弹性变形外，材料开始产生塑性变形，曲线 在S点处出现一小段水平 线段，这种现象称为“屈服”，标 志着材料发生微量塑性变形。当拉伸力达到 后，在试样 的标距长度内某处，横截面发生局部收缩，即产生“缩颈” 现象，此时拉伸力开始减小，故b点为曲线上集中干预部 ，直至断裂（k点）。 拉伸曲线：在开始的 阶段，材料处于弹性变形阶段；超 过e点后，除弹性变形外，材料开始产生塑性变形，曲线 在S点处出现一小段水平 线段，这种现象称为“屈服”，标 志着材料发生微量塑性变形。当拉伸力达到 后，在试样 的标距长度内某处，横截面发生局部收缩，即产生“缩颈” 现象，此时拉伸力开始减小，故b点为曲线上集中干预部 ，直至断裂（k点）。 内力：试样受拉伸力F作用后，导致材料内部之间产生同样大 小的相互作用力 应力：单位横截面积上的内力， 。 屈服点（屈服极限）：金属产生屈服现象时的应力 。 屈服强度：工程技术上一般规定，以试样产生的塑性变形伸 长量达到02时的应力，0.2 。 抗拉强度（强度极限）：金属拉断前承受的最大拉应力， 二、塑性 塑性：金属材料断裂前发生永久变形的能力 断后伸长率：试样拉断后标距的伸长量与原始标距的百分 比 由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率数值 不同，因此应注明试样尺寸比例。 断面收缩率：试样拉断处横截面积的减小量与原始横截面 积的百分比， 强度是表征材料变形抗力指标，而塑性是描述变 形能力的指标。 第二节 硬度及硬度试验 硬度：金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形 、压痕或划痕的能力 一、布氏硬度试验法 布氏硬度试验的原理：用一定直径D（mm）的 钢球或硬质合金球，以相应的试验力F（N）压入 试件表面，并保持一定的时间，然后卸除试验力 ，测量试件表面的压痕直径d（mm），用试验力 除以压痕球形表面积A（mm2）所得的商作为布氏 硬度值，符号为HBS（压头为钢球时）或HBW（ 压头为硬质合金球时）。 HBS适用于测量低于布氏硬度值450的材料 ；HBW适用于测量低于布氏硬度值650的材 料。 试验时，根据被测的材料不同，球直径、 试验力及试验力保持时间按表-1选择。 金属种类类布氏硬度范围围HBS（ HBW） 试样试样 厚度/mm0.102球的直径/mm试验试验 力F/KN（k g f)试验试验 力保持 时间时间 /s 黑色金属140-45063 42 6 63 1010.0 5.0 9.807(1000) 2.452(250) 12 非铁铁金属13063 42 62.510.02.452(250)60 表 120HBS10100030代表用 10mm钢球，在1000kgf（ 10kN）试验力作用下保持30s，测得的布氏硬度值。 布氏硬度试验法一般用于试验各种硬度不高的钢材、铸铁 、有色金属等，也用于试验经淬火、回火但硬度不高的钢 件。 由于布氏硬度试验的压痕较大，试验结果能更好地代表试 件的硬度。 二、洛氏硬度实验 洛氏硬度试验法原理：根据压痕的塑性变形深度来衡量硬 度。试验时，先加初始试验力 98N（10kgf），使压头紧 密接触试件表面a，并压入到b处，以此作为衡量压入深度 的起点，再加主试验力使压头压入到c处，然后去掉主试 验力，由于被试金属弹性变形的消除，压头向上回升到d 处。洛氏硬度计表盘上读出即可。 二、洛氏硬度实验 洛氏硬度试验法原理：根据压痕的塑性变形深度来衡量硬 度。试验时，先加初始试验力 98N（10kgf），使压头紧 密接触试件表面a，并压入到b处，以此作为衡量压入深度 的起点，再加主试验力使压头压入到c处，然后去掉主试 验力，由于被试金属弹性变形的消除，压头向上回升到d 处。洛氏硬度计表盘上读出即可。 二、洛氏硬度实验 洛氏硬度试验法原理：根据压痕的塑性变形深度来衡量硬 度。试验时，先加初始试验力 98N（10kgf），使压头紧 密接触试件表面a，并压入到b处，以此作为衡量压入深度 的起点，再加主试验力使压头压入到c处，然后去掉主试 验力，由于被试金属弹性变形的消除，压头向上回升到d 处。洛氏硬度计表盘上读出即可。 试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按 表-2选择，对应的洛氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种 符号压头类压头类 型载载荷/k g f 硬度有效 范围围 使用范围围 HRA金刚刚石圆圆 锥锥体 607085适用于测测量硬质质合金、钢钢表、 淬火层层或渗碳层层 HRB直径为为 1.588mm钢钢 球 10025100 （相当60 230HB ） 适用于测测量非铁铁金属退火、火 等 HRC金刚刚石圆圆 锥锥体 1502067 (相当 HB230 700) 适用于调质钢调质钢 、淬火钢钢等 表-2 第三节 韧性和冲击试验 冲击力：零件受到突然作用的外力 韧性：金属在冲击力作用下，断裂前吸收变形能量的 能力。韧性愈好，代表金属的抗冲击能力愈强。 一、摆锤式一次冲击试验 按GB22984的规定，将被试金属制成标准的冲击试 样。 摆锤式一次冲击试验原理：试验在专门的摆锤式冲击试验 机上进行，把试样放在试验机的支承面上，试样的缺口背 向摆锤冲击方向。将质量为m的摆锤安放到规定的高度H ，然后下落，将试样打断，并摆过支点升到某一高度h， 试样在冲击试验力一次作用下，折断时所吸收的功为冲击 吸收功为Ak 摆锤式一次冲击试验原理：试验在专门的摆锤式冲击试验 机上进行，把试样放在试验机的支承面上，试样的缺口背 向摆锤冲击方向。将质量为m的摆锤安放到规定的高度H ，然后下落，将试样打断，并摆过支点升到某一高度h， 试样在冲击试验力一次作用下，折断时所吸收的功为冲击 吸收功为Ak 摆锤式一次冲击试验原理：试验在专门的摆锤式冲击试验 机上进行，把试样放在试验机的支承面上，试样的缺口背 向摆锤冲击方向。将质量为m的摆锤安放到规定的高度H ，然后下落，将试样打断，并摆过支点升到某一高度h， 试样在冲击试验力一次作用下，折断时所吸收的功为冲击 吸收功为Ak 实际上，冲击吸收功AK数值可由试验机读出，而无需计算 冲击韧度：将冲击吸收功AK值除以试样缺口底部的横载而 积 A0（cm2）得到的值 ak=AK/A0 冲击韧度作为衡量材料刚性的依据 实际上，冲击吸收功AK数值可由试验机读出，而无需计算 冲击韧度：将冲击吸收功AK值除以试样缺口底部的横载而 积 A0（cm2）得到的值 ak=AK/A0 冲击韧度作为衡量材料刚性的依据 二、多次重复冲击试验的概念 在小能量多次冲击破坏时，应进行多次重复冲击 试验测定其多冲抗力 材料制成专门的多冲缺口试样1放在多冲试验机 上，使之受到试验机锤头2的小能量（15J)多次 冲击。测定材料在一定冲击能量下，开始出现裂 纹或最后破断的冲击次数作为多冲抗力指标 第四节 金属疲劳的概念 交变压力：是指大小和方向构随时间周期变化的应力 金属的疲劳：在多次交变应力作用，金属会在远小于抗拉 强度b，甚至小于屈服点s。的应力下失效（出现裂纹或 完全断裂）。 疲劳曲线：实验证明，一般钢铁材料所受交变应力最大值 max与其失效前的应力循环次数（疲劳寿命） N的曲线关 系。 疲劳极限-1：材料可经受无数次应力循环而不失效的应力 值。 通常规定经受107循环周次而不失效的最大应力为钢铁的疲 劳极限 第四节 金属疲劳的概念 交变压力：是指大小和方向构随时间周期变化的应力 金属的疲劳：在多次交变应力作用，金属会在远小于抗拉 强度b，甚至小于屈服点s。的应力下失效（出现裂纹或 完全断裂）。 疲劳曲线：实验证明，一般钢铁材料所受交变应力最大值 max与其失效前的应力循环次数（疲劳寿命） N的曲线关 系。 疲劳极限-1：材料可经受无数次应力循环而不失效的应力 值。 通常规定经受107循环周次而不失效的最大应力为钢铁的疲 劳极限 1 107(108 ) N 疲劳破坏的过程：一般认为