金属材料的性能

第1章金属材料的力学系能 掌握金属材料的刚度 强度和塑性的概念 掌握金属材料的疲劳强度的概念 掌握掌握金属材料冲击韧性的概念 掌握材料硬度的概念和表示方法 了解材料性能的表示方法 教学目的和要求 刚度 强度 硬度疲劳强度 冲击韧性 教学内容摘要 利用刚度 强度 硬度和塑性等指标综合评价材料 教学重点 难点 教学方法和使用教具 讲授 现场教学 课件 1学时 教学时间 材料的基本知识 金属材料 金属合金 具有金属光泽 具有较好的延展性 容易加工成型 易导电 传热 是热和电的良导体 常见的钢 铸铁 铜 铜合金 铝 铝合金等都是金属材料 金属材料的特点 金属材料性能 工艺性能 力学性能 物理性能 化学性能 使用性能 使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来 力学性能 指刚度 强度 塑性 硬度 韧性和疲劳强度等 物理性能 指熔点 导热性 导电性 热膨胀性 磁性等 化学性能 指抗氧化性 跟其他物质发生化学反应的性能等 工艺性能是指金属材料在制造加工过程中表现出来的各种性能 1 1强度 硬度 塑性 静载荷是指外力的大小和方向不变或变化很缓慢的载荷 冲击载荷是指突然增加的载荷 交变载荷则是指大小和方向随时间作周期性变化的载荷 根据载荷作用性质不同 静载荷 冲击载荷 疲劳载荷 刚度 强度 塑性的概念 强度是指金属材料在静载荷作用下 抵抗永久变形的能力 强度愈高的材料 所承受的载荷愈大 硬度是指金属材料抵抗塑性变形 压痕 划痕的能力 金属材料在一定应力作用下产生的塑性变形越小 则其硬度越大 塑性是指金属材料产生塑性变形而不断裂的能力 没有金刚钻 别揽瓷器活 1 1 1强度用于表征金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力 抗拉强度抗压强度抗弯强度抗剪强度 屈服点屈服强度抗拉强度 根据所加载荷形式的不同 工程上常用的强度衡量指标 工件在不同载荷形式下产生的变形 试样的形状 试样标距 试样直径 拉伸前 拉伸后 1 1 1 1拉伸试样与拉伸试验 拉伸试验曲线 1 OE 弹性变形阶段试样的伸长量与载荷成正比例增加 Fe为能恢复原状的最大拉力 2 ES 屈服阶段当拉力增大到Fs时 试样会继续伸长 材料丧失了抵抗变形的能力 这种现象称为屈服 Fs称为屈服载荷 3 SB 均匀塑性变形阶段载荷超过Fs时 试样开始产生明显塑性变形 伸长量随载荷增加而增大 Fb为试样拉伸试验中的最大载荷 4 BK 断裂载荷达到最大值Fb之后 试样直径局部开始急剧缩小 出现 缩颈 现象 当变形达到一定程度时试样断裂 强度指标1 弹性极限保持弹性变形的最大应力 设计依据 屈服点 屈服强度 对具有明显屈服现象的材料如低碳钢 用屈服点来表征材料对产生明显塑性变形的抗力 屈服点就是指材料产生屈服时的最小应力 即 式中 应力 MPa 试样产生屈服时的最小屈服力 N 试样原始横截面积 对无明显屈服现象的金属材料如高碳钢 铜合金 铝合金等 用屈服强度来表征材料对产生明显塑性变形的抗力 强度指标2 抗拉强度 是指试样在拉断前所承受的最大应力 即 式中 抗拉强度 MPa 试样在拉断前所受到的最大载荷 N 试样原始横截面积 强度指标3 1 1 2塑性 在外力作用下的金属材料在断裂前产生不可逆的永久变形的能力称为塑性 材料的塑性指标通常用断后伸长率和断面收缩率来表征 1 断后伸长率是指试样拉断后标距的伸长量与原始标距的百分比 用表示 即 2 断面收缩率是指试样拉断后断口 缩颈 处截面积的最大缩减量与原始截面积的百分比 用下式表示 即 1 1 3硬度 硬度的含义 布氏硬度洛氏硬度维氏硬度 是材料性能的一个综合物理量 对于金属材料而言 表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形 塑性变形 断裂或其他物质压入其表面的能力 硬度的表示方法 硬度试验的方法大多采用压入法 常用的表示方法 1 4 1布氏硬度 压头 实测物体 压头 实测物体 布氏硬度值计算公式 布氏硬度测量原理 1 4 2洛氏硬度 洛氏硬度值计算公式 洛氏硬度测量原理 载荷F1压 去掉载荷F1后 载荷F0预压 维氏硬度 维氏硬度值计算公式 维氏硬度测量原理 在弹性变形阶段 即F L曲线上的OE段 与曲线的关系为直线OEE为与材料有关的常数 称为弹性模量 单位为GPa 109Pa 弹性模量E表示引起单位变形时所需的应力 工程上常用E作为衡量材料刚度的指标 E值越大 在一定应力作用下产生的弹性变形越小 则刚度越大 弹性模量主要取决于金属材料的种类 通常淬火 冷作硬化等强化金属的方法对E值影响很小 常用材料的E值 碳钢为196 216GPa 灰铸铁为78 157GPa 铜合金为72 128GPa 铝合金为70GPa 1 1 4刚度用于表征金属材料抵抗塑性变形的能力 1 2疲劳强度 疲劳破坏 零件 工具等即使在低于材料屈服强度的交变载荷作用下 经过一定的循环次数后也会发生突然断裂 这种现象称为疲劳断裂 因此在零件设计之初 对零件所用的金属材料就应该进行疲劳试验 以便合理的估算零件的使用寿命 疲劳破坏 材料在对称载荷下的应力变化规律 疲劳强度 材料交变应力和断裂前应力循环次数之间的疲劳曲线 提高疲劳强度措施 材料方面保证冶炼质量 减少夹杂物和热加工产生的气孔和疏松等缺陷 设计方面尽量使零件避免尖角 缺口和截面突变 以避免应力集中及其所引起的疲劳裂纹 工艺方面降低零件表面粗糙度 并避免表面划痕 碰伤 防止这些地方出现形成疲劳裂纹 采用表面强化方法 如化学热处理 表面淬火 喷丸处理和表面涂层等 降低材料表面形成裂纹的可能性 1 3韧性 1 3 1冲击韧性 是指金属材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力 冲击韧性的测定方法 摆锤式一次冲击试验 小能量多次冲击试验 摆锤式一次冲击试验 根据功能原理摆锤击断试样所消耗的功Aku值为 小能量多次冲击试验 工程实践中 在冲击载荷作用下工作的机械零件往往都是受多次小能量冲击而破坏的 很少受大能量冲击一次而破坏的 如冲模的冲头 凿岩机上的活塞等 所以工程实际中 常采用小能量多次重复冲击试验来测定 1 3 2断裂韧度