第二讲 金属的力学性能.doc

第二讲 金属的力学性能1.1金属的力学性能课 题：1、金属的力学性能指标及测量方法课题形式：讲授、两课时教学目的：1、讲解金属的力学性能指标及测量方法教学要求：1、掌握金属的力学性能指标及测量方法教学重点：1、强度指标的定义与分类2、硬度指标的定义与分类教学难点：1、金属的各力学指标的概念、测量方法教 具：多媒体图片、表格教学方法：多媒体讲解教学过程：一、 案例导入：在绪论部分的讲解中，我们已经明确了本课程的研究对象机械制造过程。在进行机械制造时，首先进入技术准备阶段。在技术技术准备中，要完成相关的工作。这些工作中，有一项是非常重要的，那就是选择材料。那么怎么选择材料呢？首先得研究常见的材料的性质，只有掌握了材料的特征性质才能顺利进行选材。那么材料的性质有哪些呢？二、 教学内容：1. 金属材料的性能金属材料的性能包括使用性能和工艺性能两大类。其中，工艺性能是指制造过程中表现出的性能，包括铸造性能、焊接性能、锻造性能、热处理性能、切削加工性能。使用性能是指在使用过程中表现出来的性能。物理性能有熔点、密度、热膨胀性、导电性、导热性等。化学性能有耐腐蚀性、抗氧化性等。物理化学性能将影响工艺性能和使用性能。本章节主要研究的是力学性能对工艺性能的影响。金属材料的力学性能是指金属材料在外力作用下所反映出来的性能。常见的指标有：强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳强度、断裂韧度等。1.2.1 强度1 拉伸试验国标GB/T2282002标准拉伸试样2 力一伸长曲线 3 弹性与塑性1) 弹性 金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能回复其原来形状的性能，叫做弹性（OP直线）。2) 弹性变形 随着外力消失而消失的变形，叫做弹性变形。3) 塑性 金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致引起破坏的性能叫做塑性（PE曲线）。4) 塑性变形 在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形，叫做塑性变形。4 强度金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力称为强度。屈服强度Re、抗拉强度Rm1) 屈服点与屈服强度 金属材料开始产生屈服现象时的最低应力值称为屈服点(S点)，用符号Re 表示。Re =Fs/Ao 式中 Fs试样发生屈服时的载荷（N）; Ao试样的原始横截面积（mm2）。工业上使用的某些金属材料，如高碳钢、铸铁等，在拉伸过程中，没有明显的屈服现象，无法确定其屈服点，按GB/T2228规定，可用条件屈服强度Rr0.2来表示该材料开始产生塑性变形时的最低应力值。屈服强度为试样标距部分产生0.2%残余伸长时的应力值，即 r0.2=F0.2/Ao 式中 F0.2试样标距产生的0.2%残余伸长时载荷（N）； Ao试样的原始横截面积（mm2）。2) 抗拉强度金属材料在断裂前所能承受的最大应力值称为抗拉强度，用符号Rm表示。 R m=Fb/Ao 式中 Fb试样在断裂前所承受的载荷（N）； Ao试样原始横截面积（mm2）。1.1.2 塑性 金属材料的载荷作用下，断裂前材料发生不可逆久变形的能力称为塑性。 通过拉伸试验可测定材料的塑性。 常用的塑性指标有断后伸长率d和断面收缩率。 d=(L1-L0)/L0 =(F0-F1)/F01.1.3 硬度 硬度是指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。 可用硬度试验机测定，常用的硬度指标有布氏硬度HBW、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度HV。 1 布氏硬度（1） 布氏硬度试验原理式中 F试验力（N）；d压痕平均直径（mm）；D硬质合金球直径（mm）（2） 选择试验规范 根据被测金属材料的种类和试样厚度、选用不同大小的球体直径D，施加的试验力F和试验力保持时间，按表11所列的布氏硬变试验规范正确选择 。（3） 试验的优缺点优点：试验时使用的压头直径较大，在试样表面上留下压痕也较大，所得值也较准确。缺点：对金属表面的损伤较大，不易测试太薄工件的硬度，也不适于测定成品件硬度。（4） 应用布氏硬度试验常用来测定原材料、半成品和性能不均匀材料（如铸铁）的硬度。2 洛氏硬度（1） 洛氏硬度测量原理洛氏硬度HR=K-h/s式中，K为给定标尺的硬度数，S为给定标尺的单位， 通常以0.002为一个硬度单位。（2） 常用洛氏硬度标尺及适用范围 （3） 试验优缺点优点：操作简单迅速，效率高，直接从指示器上读出硬度值；压痕小，故可直接测量成品或较薄工件的硬度；对于HRA和HRC采用金刚石压头，可测量高硬度薄层和深层的材料。缺点：由于压痕小，测得的数值不够准确，通常要在试样不同部位测定四次以上，取其平均值为该材料的硬度值 3 维氏硬度（1） 试验原理维氏硬度值用四棱锥压痕单位面积上所承受的平均压力表示，符号HV。HV=0.1022FSin1360/2/d2=0.189F/d2 式中 F作用在压头上试验力（N）；d压痕两对角线长度的平均值（mm）。 （2） 常用试验力及其适用范围维氏硬度试验所用试验力视其试样大小、薄厚及其他条件，可在49.03980.7N的范围内选择试验力。常用的试验力有49.03N、98.07N、196.1N、294.2N、490.3N、980.7N。 维氏硬度试验适用范围宽，尤其适用测定金属镀层、薄片金属及化学热处理的表面层（渗碳层、渗氮层等）硬度，其结果精确可靠。（3） 试验优缺点优点：与布氏、洛氏硬度试验比较，维氏硬度试验不存在试验力与压头直径有一定比例关系的约束；也不存在压头变形问题，压痕轮廓清晰，采用对角线长度计量，精确可靠，硬度值误差较小。缺点：其硬度值需要先测量对角线长度，然后经计算或查表确定，故效率不如洛氏硬度试验高。1.1.4 冲击韧度1 冲击试验方法与原理 一次冲击弯曲试验通常在摆锤式冲击试验机上进行 。试验时，将试样放在试验机两支座上，。把质量为m的摆锤抬到高H，使摆锤具有位能为mHg。摆锤落下冲断试样后升至h高度,具有位能为mhg，故摆锤冲断试样推动的位能为mHgmhg，这就是试样变形和断裂所消耗的功称为冲击吸收功AK，即AK=mg(H-h) 用试样的断口处截面积SN（cm2）去除AK（J）即得到冲击韧度，用Ak表示，单位为J/cm2. aK=AK/SN2 冲击试验的实际意义（1） 韧脆转变温度材料在低于某温度时，AK值急剧下降，使试样的断口由韧性断口过渡为脆性断口。因此，这个温度范围称为韧脆转变温度范围。韧脆转变温度的高低是金属材料质量指标之一，韧脆转变温度愈低，材料的低温冲击性能就愈好，对于在寒冷地区和低温下工作的机械和工程结构。如运输机械、桥梁、输送管道尤为重要。 （2） 衡量原材料的冶金质量和热加工产品质量冲击吸收功对原材料内部结构、缺陷等具有较大敏感性，很容易揭示出材料中某些物理现象，如晶粒粗化、冷脆、回火脆性及夹渣、气泡、偏析等。目前常用冲击试验来检验冶炼、热处理及各种热加工工艺和产品的质量。 1.1.5 疲劳强度1 疲劳概念 虽然零件所承受的交变应力数值小于材料的屈服强度，但在长时间运转后也会发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。 据统计，机械零件断裂中有80%是由于疲劳引起。 2 疲劳曲线与疲劳极限 试验证明，金属材料所受最大交变应力Rmax 愈大，则断裂前所受的循环周次N（定义为疲劳寿命）愈少，这种交变应力Rmax 与疲劳寿命N的关系曲线称疲劳曲线或SN曲线。工程上规定，材料经受相当循环周次不发生断裂的最大应力称为疲劳极限，以符号R-1表示。 3 提高材料疲劳极限的途径a）. 设计方面 尽量使用零件避免交角、缺口和截面突变，以避免应力集中及其所引起的疲劳裂纹。b）. 材料方面 通常应使晶粒细化，减少材料内部存在的夹杂物和由于热加工不当引起的缺陷。如疏松、气孔和表面氧化等。c）. 机械加工方面 要降低零