金属材料的机械性能.ppt

第一章 金属材料的机械性能,机械设计中，材料的选择是按结构材料的力学性能即机械性能来进行选择的。 材料的力学性能（机械性能）：即材料抵抗外力的能力。其主要表现为：在静载荷下，动载荷下，特殊状态载荷下的力学性能。,第一节 静载时材料的机械性能,静载时材料的机械性能指标（力学性能指标），可用静拉伸试验测定。 试验中注意： ， 及 应力、应变图（图 11）等概念。,一，静载时材料的机械（力学)性能,（一）弹性和刚度 弹性：在应力、应变图上，如加载后应力不超过 ，卸载后试样即可完全恢复原状，这种不产生永久变形的性能，称为弹性。,弹性极限 ：（图 11）上E点的应力值，即不产生永久变形的最大应力值。 比例极限 ：（图 11）上P点的应力值，即保持应力与应变成正比关系的最大应力值。 * 与 ，实用中常取相同值。,刚度：在图 11上，OP直线的斜 率，是材料的弹性模量E，弹性模量E又称为刚度，它是表征材料抵抗产生弹性变形的能力（即衡量材料产生变形难易程度的指标。）。 其定义式为： E愈大，使其产生弹性变形的应力亦愈大，变形愈困难。,注： E为材料本身的指标，随材料不同而不同。 故各种钢材的弹性模量均为： E190000220000 （ ） E 只取决于材料本身，基本不受热处理、 合金化、冷热加工方式的影响。 E的值，随温度T的升高而降低。,（二）强度 强度：外力作用下，材料抵抗变形与断 裂的能力。 衡量强度的指标为： 屈服强度 ，抗拉强度,1. 屈服强度 ： 即（图 11）上，S点的应力，表示 材料在外力作用下开始产生塑性变形的最 低应力值。 零（构）件在工作中一般不允许产生 塑性变形。 因此, 是零（构）件设计计算时的主 要参数，是材料选择的重要指标。,2. 抗拉强度 ： 即图 （11）上，B点的应力，是试样在拉断前的最大应力值，同样是零（构）件设计、选材的重要指标。 注： 的比值称为屈强比。屈强比 愈小，构件可靠性愈高, 但材料利 用率愈低。 热处理、 合金化、 冷热加工等对 的数值会产生很大的影响。,（三）塑性 塑性：产生塑性变形但不断裂的性能称为塑性。塑性大小，用伸长率 ，断面收缩率 表示： 注： ， 的值愈大，材料塑性愈好。 需承受各种变形加工与冲击载荷的零件应具 有一定的塑性 。, ， 虽然与 ， ， 一样，是材料的力学性能指标，但在零（构） 件的设计中，却不参与强度计算过程。 另： ， ， ， ， 均为材料的整体强度标。,二，硬度-静载时材料的局部机械（力学）性能指标 硬度： 是指金属表面抵抗其它硬物压入的能力，是材料对局部塑性变形的抗力。随着被测材料的种类，软硬程度、厚薄尺寸的不同，工程上常用的硬度指标有： 布氏硬度HB，洛氏硬度HRC，肖氏硬度HV，维氏硬度HS等，各种硬度指标的值之间，可以换算。,（一）布氏硬度HB 定义：见图12，以3000kgf的压力P，将直径为D的淬火钢球压入金属材料表面，得到压痕直径为d，则载荷p与压痕面积的比值，即为布氏硬度HB值。 实际上由HB的表达式可知，测得压痕直径d的数值，即可求出布氏硬度值。 注： 太薄、太硬（ HB450）的材料不易采用布氏硬度。,（二）洛氏硬度 洛氏硬度，随测试时使用的压头及施加压力的不同，分为HRA、HRB、HRC等三种硬度指标，最常用的为HRC。 HRC P=150kgf 金刚石锥头（顶角 ）用压痕深h 值标定,压痕越深，硬度越低。 HRA P=60kgf 金刚石锥头（顶角 ）用压痕深h 值标定,压痕越深，硬度越低。 注：HRC，HRA用于渗碳层，表面淬火层，硬质合 金材料的硬度表示。,HRB P=100kgf D1.588mm钢球 用压痕 深h值标定,压痕越深，硬度越低。 HRB适用于软铜,铜合金材料的硬度表示。 说明： 1 各种硬度值之间有换算关系。 2 材料的硬度HB与 值之间亦有换 算关系，如：,低碳钢 HB约为 高碳钢 HB约为 调质合金钢 HB约为 铝铸件 HB约为 退火青铜、黄铜 HB约为 这些关系可用于热处理后零件实际 值的测定，即可用实测零件硬度值的方法来确定零件的实际强度，同时判断零件的热处理质量。,第二节 动载时材料的机械性能,动载荷：主要有两种形式： 冲击：以较高速度施加到零件上的载荷。 交变载荷：其大小与方向作周期性变化的载荷。,一， 冲击韧性（ ） 定义：即指材料抵抗冲击的能力，用 的值表示。由其测量方法（见图13）确定的计算式为 ： J/cm 式中单位： 1 J/cm 0.1kgf、m/cm 冲击韧性（ ）的大小，除取决于材料本身外，还受温度，试样大小，缺口形状等的影响。,说明： 1. 不参与零（构）件的设计计算过程。 2. 工作时受冲击的零件，进行强度计算时,应按经验选择有一定 值的材料。如： 受冲击的零件，选材 49 J/cm 一般载荷零件，选材 2949 J/cm 3. 实际中，常用冲击试验来检验: 材料的组织均匀性、白点、裂纹等。 用来检验材料的热处理质量如：回火 脆性，晶粒大小等。,二，疲劳强度 疲劳断裂现象：零件工作时承受交变载荷，即使交变应力往往低于 ，但经一定循环次数后便发生的断裂现象。 原因：材料内部缺陷，加工过程中的外伤、划痕，设计不合理引起的应力集中等。 疲劳强度：指在一定应力循环次数下，不发生断裂的最大应力。 常用疲劳强度指标为 ： 对称循环疲劳强度 脉动循环疲劳强度,一定应力循环次数：即循环基数N（见后图14），(钢 ,有色金属 )。 说明： 冲击韧性（ ），疲劳强度 ， 都是材料的整体力学性能。疲劳强度指标，是零件强度计算、选择材料的重要参数。,第三节 特殊状态下材料的机械性能,特殊状态： 指零件的工作环境温度很高，或实际材料内部存在缺陷时。,高温： 室温下材料的力学性能指标不能表示高温下的性能。 一般随温度T上升，E， ，HB值下降，而 ， 值上升