《金属材料与热处理》金属材料的力学性能.ppt

1 金属材料与热处理绪论 2 一 金属材料与热处理的发展史 四千多年前 我国开始使用青铜器 三千年前 接触了铁 冶炼生铁 战国时期 开始采用脱碳退火处理 秦汉以后 表面淬火开始广泛应用 现在 我国在工程材料科学方面与发达国家比 有一定差距 3 秦代铜车马 4 5 勇气号火星探测器 6 二 设立本课程的意义 1 金属材料是最重要的机械工程材料 广泛应用在工业 农业 国防和科技领域 机械性能 物理性能和化学性能 工艺性能 7 二 设立本课程的意义 2 实际需要 用途 选择材料 成分 制定加工工艺 内部组织结构 金属材料与热处理 就是研究金属材料的性能与它的成分以及内部组织结构和用途之间的关系 改变金属材料性能的途径 以及各种常用金属材料的介绍 成品 具有一定性能 8 三 课程内容和学习要求 1 金属学的基本知识 力学性能 晶体结构 铁碳合金相图等 2 熟悉金属材料成分 组织结构 性能之间的关系和变化规律 3 掌握常用金属材料的牌号 性能及应用 初步具有合理选择材料的技能 4 了解热处理的原理 特点 工艺过程及应用 初步具有选定热处理方法及工序位置的能力 5 具有一定的分析问题和解决问题的能力 9 四 本课程的学习与考核 1 课程内容的规律 成分 组织 性能 应用2 课程特点 名词多 总结多 实践性强 密切联系实际 3 考核方式 期末试卷 50 平时综合 50 平时综合包括 到课情况 上课回答问题 课后作业的完成情况等等 10 金属材料的性能 使用性能 力学性能 物理性能 化学性能等 工艺性能 铸造性能 锻压性能 热处理性能 切削加工性能等 使用范围 使用寿命工艺质量 11 金属的力学性能是指金属在外力作用下 抵抗变形与断裂的能力及发生变形的能力 这种能力的大小 强弱用力学性能指标来衡量和比较 常用力学性能指标 强度 塑性 硬度 韧性及疲劳极限等 模块一金属的力学性能 12 知识点 1 理解常用力学性能指标的含义 强度 硬度 塑性 韧性及疲劳极限等 2 了解常用物理性能和化学性能对材料的应用范围 产品质量及工艺性能的影响 1 掌握硬度的测试方法及其应用 2 了解强度 塑性 冲击韧度及疲劳极限等力学性能指标的测试方法及其应用 3 能根据机件的工作条件 分析对其制造材料力学性能的要求 技能点 13 课题1强度与塑性 14 1 载荷 金属材料在使用和加工过程中所受到的各种外力统称为载荷 符号F 可分为 静载荷 大小和方向不变 或变化很慢冲击载荷 短时间内作用于材料变动载荷 大小甚至方向随时间变化 一 载荷 变形与应力 任务提出 钢丝绳的选择 任务分析 钢丝绳能承受的载荷取决于钢丝绳的材质和粗细 15 2 变形 金属受到载荷作用而产生的几何变形和尺寸的变化 弹性变形 载荷存在而产生 载荷去除而消失 塑性变形 载荷去除后 仍不能恢复3 应力 单位面积上的内力称为 应力能够准确反映材料内部的受力状态 强度指标都是用应力表示的 16 二 金属室温静拉伸实验 1 拉伸试样 为使实验结果具有可比性 拉伸试样的形状 尺寸 取样和制样都应符合相应的标准 2 拉伸曲线 外力F与试样绝对伸长量之间的关系曲线称为力 伸长曲线 17 o p ee s s s bb kk弹性变形 屈服 均匀塑性变形 缩颈 断裂 低碳钢的拉伸曲线 18 拉伸曲线的物理意义 描绘出了材料的变形特征及各阶段受力与变形间的关系 可以从拉伸曲线的形状来判断材料弹性与塑性的好坏 断裂时的韧性及脆性程度及不同变形下的承载能力 不同材料有不同类型的拉伸曲线 同一材料在不同条件下的力拉伸曲线也不相同 19 将力 伸长曲线的横 纵坐标分别用拉伸试样的原始标距和原始横截面积去除 就得到应力 应变曲线 在应力 应变曲线上 可以确定几个主要的力学性能指标 3 应力 应变曲线 20 思考题 1 变形不能随载荷的去除而消失 2 用拉伸试验可测定材料的 性能指标 A 强度B 硬度C 韧性3 低碳钢的拉伸过程可分为哪几个阶段 21 思考题 1 塑性变形不能随载荷的去除而消失 2 用拉伸试验可测定材料的 A 性能指标 A 强度B 硬度C 韧性3 低碳钢的拉伸过程可分为 弹性变形 屈服 均匀塑性变形 缩颈和断裂5个阶段 22 三 金属的弹性变形 1 弹性模量表示材料对弹性变形的抵抗能力 符号EE 在应力 应变曲线上 E就是直线 op段 的斜率 E越大 材料发生弹性变形的难度就越大 刚度 机件在载荷作用下 抵抗弹性变形的能力 刚度的大小 取决于机件的几何形状和材料的弹性模量 在机件横截面积一定的情况下 机件的刚度就取决于材料的弹性模量 23 2 弹性极限金属材料在外力作用下 只发生弹性变形而不发生塑性变形时所能承受的最大应力 称为弹性极限 相当于e点所对应的应力值 用 e表示 在实际工程测试中 是测量规定非比例延伸率时的应力 延伸率的大小用脚注说明 如测定试样标距部分的非比例延伸率0 001 时的应力 记为RP0 001物理意义 是弹性零件的失效抗力指标 24 3 弹性比功是表示金属材料吸收弹性变形功的能力 e 2e 2E式中 e 弹性比功 e 弹性极限E 弹性模量可知 提高材料的弹性比功 一是提高弹性极限二是降低弹性模量对于具体的零件 还可以增加零件的体积 25 四 强度与强度指标 1 强度 金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力 2 屈服强度 拉伸试样发生屈服现象时 力所对应的点称为屈服点 对应的应力就是屈服强度 用符号 s或ReL s Fs So式中 s 屈服强度 MPa Fs 试样屈服时的载荷 N So 试样原始横截面积 mm2 26 屈服强度的物理意义 材料开始产生明显塑性变形的最小应力 金属抵抗初始塑性变形的抗力 对于无明显屈服现象的材料 则用规定条件的屈服强度来表示 称为条件屈服强度 符号 0 2或Rr0 2 27 3 抗拉强度 是指试样在断裂前所能承受的最大应力 符号 b或Rm表示 b Fb So式中 Fb 试样承受的最大载荷 N So 试样原始横截面积 mm2 物理意义 是韧性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力 是脆性材料的断裂强度 屈强比 屈服强度与抗拉强度的比值 屈强比越小 说明材料的塑性越好 合理范围是0 6 0 75 屈服强度和抗拉强度都是机械零件设计和选材的依据 28 五 塑性与塑性指标 2 断后伸长率符号 或A指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比 L1 Lo Lox100 L1 试样拉断后的标距 mm Lo 试样的原始标距 mm 1 塑性 金属材料断裂前产生塑性变形的能力 评定指标是断后伸长率和断面收缩率通过单向静拉伸试验测得 29 3 断面收缩率符号 或Z指试样拉断处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比 So S1 Sox100 式中 S1 试样拉断处的最小横截面积 mm2 So 试样的原始横截面积 mm2 30 根据 和 的相对大小 可以判定材料塑性的高低 和 越大 材料的塑性就越好 加工时 容易通过塑性加工 制成形状复杂的零构件 使用时 偶尔过载 能产生塑性变形增加承载能力 不至于突然发生断裂 比较安全 金属的强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标 通过细化金属的显微组织 可同时提高其强度与塑性 31 任务实施 1 首先 在使用中的应力 抗拉强度 绳子就不会断 2 已知材料的屈服强度和屈强比 可以计算出抗拉强度 3 分别计算出两根绳子工作时所受的应力 做对比 任务分析 任务解答 抗拉强度 屈服强度 屈强比 1160 0 9 1289MPa直径1 2mm的钢丝绳工作时的应力 F S 5 1000 9 8 1 2 1 2 4 24 1806MPa 1289直径2mm的钢丝绳工作时的应力 F S 5 1000 9 8 2 2 4 20 780MPa 1160 1289可知 20股直径2mm的钢丝绳所受应力 屈服强度 抗拉强度 不仅不会断裂 也不会有明显塑性变形 比较合适 32 综合训练 1 解释名词 1 弹性极限 2 抗拉强度2 断后伸长率与断面收缩率在工程上有什么实际意义 33 综合训练 1 解释名词 1 弹性极限 材料只发生弹力变形时能承受的最大应力 2 抗拉强度 材料断裂前承受的最大应力 2 断后伸长率与断面收缩率在工程上有什么实际意义 答 根据断后伸长率和断面收缩率的相对大小 可以判断材料拉伸时是否有缩颈 进而判断材料的塑性高低 断后伸长率 断面收缩率 无缩颈 是低塑性材料 断后伸长率 断面收缩率 有缩颈 高塑性材料 34 第一章金属材料的性能 第二节硬度 35 硬度 是衡量材料软硬程度的指标 表征材料在静载荷作用下抵抗局部变形的能力 压入法测试 用一定几何形状的压头 在一定载荷下 压入被测金属表面 根据被压入程度来测定其硬度值 常用的是 布氏硬度 洛氏硬度和维氏硬度 36 一 布氏硬度实验 1 实验原理 HBW F S 载荷 压痕面积压头 硬质合金球 用单位压痕面积的力作为布氏硬度值的计量 符号HBW 37 1 表示方法 200HBW10 1000 30硬度值 硬度符号 试验条件试验条件含 压头类型 试验力 保持时间 当时间为10 15s不标出 2 布氏硬度规范 38 2 试验规范 在本试验中 载荷F与压头直径D平方的比值 0 102F D2 应是30 15 10 5 2 5 1中的一个 见表1 1 试验尺寸允许时 优先选用直径为10mm的球压头 在图样文件中 一般不规定试验条件 只需标出要求的硬度值范围和硬度符号 如200 230HBW 39 3 特点及适用范围 优点 压痕面积大 能较好反应材料的平均硬度值 数据稳定 重复性好 缺点 测试麻烦 压痕较大 对材料表面的损伤较大 不适合测量成品件及薄件材料 适用 铸铁 非铁金属及退火 正火或调质处理后的钢材等 尤其适用软金属 40 3 布氏硬度试验过程 1 试样 表面光滑 厚度至少为压痕深度的10倍 2 设备 HB 3000B型数显布氏硬度计 3 过程 放样品 加载荷 保持时间 去载荷 取下试样 读压痕直径 查硬度值 41 二 洛氏硬度实验 HR N h S 1 实验原理 洛氏硬度是用压痕的深度表示洛氏硬度值的 符号HR 式中 N 常数 K 100 金刚石圆锥体压头 K 130 钢球压头 h 残余压痕深度 mm S 常数 分别为0 001和0 002 42 采用不同的压头与总试验力 组合成15种不同的洛氏硬度标尺 洛氏硬度无单位 须标明硬度标尺符号 在符号前面写出硬度值 1 表示方法 58HRC表面硬度 70HR30TW 2 洛氏硬度规范 43 2 试验条件及应用范围 见表1 2和1 3 3 优点 测量迅速 简便 压痕较小 可测量成品件 缺点是精确性较低 硬度值重复性差 分散度大 通常需要在材料的不同部位测试三次 取其平均值来代表材料的硬度 各标尺之间没有对应关系 44 1 试样 表面粗糙度Ra 0 8微米 2 设备 HR 150型洛氏硬度计3 过程 放样 加初始力 调表针 加主实验力 保持 读硬度值 多次重复 取平均值 3 洛氏硬度试验过程 45 练习题 1 常用的三种硬度测试方法是 2 简述布氏硬度的原理 46 思考题 1 布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度 2 简述布氏硬度的原理 答 单位压痕面积上的平均压力 47 维氏硬度也是以单位压痕面积的力作为硬度值计量 三 维氏硬度实验 1 实验原理 压头 136 金刚石四棱椎体符号 HVHV F S 0 189F d2式中 d 压痕两对角线的平均长度 mm 48 1 表示方法 640HV30 20在符号HV前方标出硬度值 在HV后面按试验力大小和试验力保持时间 10 15s不标出 的顺序用数字表示试验条件 2 优点 压痕浅 适用范围宽 尤其适合测量表面处理过的零件 只用一种标尺 可以直接通过维氏硬度比较材料硬度的大小 缺点 对试样表面要求高 测量麻烦 不适合大批次的测试 2 维氏硬度规范 49 1 试样 表面粗糙度 厚度2 设备 维氏硬度计3 过程 放样品 加载荷 保持时间 去载荷 读压痕对角线长度 查硬度值 与布氏硬度的测量过程类似 3 维氏硬度试验过程 50 硬度小结 1 51 硬度小结 2 52 综合训练 1 下列零件和材料 用何种方式测量为好 A 淬火钢B 仪表小黄铜齿轮C 渗碳工件的表面硬度2 有甲 乙两个工件 甲工件的硬度是230HBW 乙工件的硬度是34HRC 是否说明甲比乙硬度高 53 1 下列零件和材料 用何种方式测量为好 A 淬火钢HRCB 仪表小黄铜齿轮HBWC 渗碳工件的表面硬度HV2 有甲 乙两个工件 甲工件的硬度是230HBS 乙工件的硬度是34HRC 是否说明甲比乙硬度高 答 不是 不同硬度之间不能直接比较 需换成同一种硬度和标尺 54 第一章第3节冲击韧性与疲劳极限 55 一 冲击韧性 56 建造中的船体 57 Titanic号是由10张30英尺长的高含硫量钢板焊接成300英尺的船体 当船撞击冰山时 船体上这些长长的焊缝无异于一条300英尺长的大拉链 使船体产生很长的裂纹 海水大量涌入使船迅速沉没 这是钢材韧性与人身安全的一个突出例证 58 碰撞瞬间 59 船体断裂过程示意图 60 上图是两个冲击试验结果 左面的试样取自海底的Titanic号 右面的是近代船用钢板的冲击试样 由于早年的Titanic号采用了含硫高的钢板 韧性很差 特别是在低温呈脆性 所以 冲击试样是典型的脆性断口 近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性 61 金属材料在使用和加工过程中 会受到多种载荷的作用 所以在设计承受冲击载荷的零件和工具时 不仅要满足强度 塑性 硬度等性能要求 还必须有足够的韧性 拉伸试验和硬度试验都属于静载荷试验 还需要冲击载荷试验和疲劳载荷试验及其相应的力学性能指标 62 一 冲击韧性 冲击载荷 在很短时间内作用在金属材料上的载荷称为 其对材料的破坏能力大于静载荷 冲击韧性 金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力 物理意义 材料在断裂前变形吸收能量的能力 63 1 冲击试验 测定金属从变形到断裂所消耗的冲击能量的大小 1 冲击试样 标准试样有U形缺口和V形缺口两种 韧性材料 尖锐缺口和深缺口脆性材料 无缺口试样必须标准化制造 图1 9 64 2 冲击试验原理 摆锤的位能损失就是冲断试样所需要的能量 也就是试验变形和断裂所消耗的功 称为冲击能量 符号Ak AK mg H h Aku U形缺口 Akv V形缺口 65 Titanic号钢板 左图 和近代船用钢板 右图 的冲击试验结果 66 Ak越大 材料的韧性就越好 Ak低 脆性材料 断裂前无明显塑性变形 Ak高 韧性材料 断裂前有明显的塑性变形 Ak是表征材料强度和塑性的综合力学性能指标 是零构件设计的重要参考 Ak是材料韧性的判断依据 67 2 冲击试验的实际应用 1 测定韧脆转变温度概念 使材料从韧性转变为脆性的温度范围 韧脆温度越低 材料的低温冲击性能就越好 用途 冷库 寒冷地区 2 检测质量多用于衡量原材料的冶金质量和热加工产品质量 68 思考题 1 承受冲击载荷的零构件 对其性能要求高 2 韧性高的材料 在任何温度下都可以一样使用 69 思考题 1 承受冲击载荷的零构件 对其韧性要求高 2 韧性高的材料 在任何温度下都可以一样使用 70 71 2007 11 2美国一战斗机训练时 突然解体 后查明是因为飞机的支撑构件出现了金属疲劳问题 72 1983 6 3德国一列高速列车脱轨 100多人死亡 73 后经查明 是列车车轮出现了疲劳现象 74 75 金属疲劳现象 据150多年来的统计 金属部件中有80 以上的断裂时由于疲劳而引起的 极易造成人身事故和经济损失 因此认识疲劳现象 研究疲劳破坏规律 提高疲劳抗力 防止疲劳失效是非常重要的 76 二 疲劳 1 疲劳的概念循环应力 变动载荷在单位面积上的平均值为变动应力 按照一定规则周期的变动应力 称为循环应力 其中 大小和方向都随时间发生周期性变化的 为交变应力只大小变化而方向不变的 称为重复循环应力 疲劳断裂 金属材料在受到交变应力或重复循环应力时往往的工作应力小于屈服强度的情况下突然断裂 这种现象称为疲劳断裂 它是因损伤累计而引起的 77 发动机上的轴承部件上的疲劳裂纹 78 疲劳断裂与静载荷 冲击载荷断裂的对比 静载荷 冲击载荷断裂 疲劳断裂 危害性依次增大 79 2 疲劳曲线和疲劳强度 疲劳曲线 描述金属承受的循环应力R和断裂时应力循环周次N之间的关系 是确定疲劳强度和疲劳应力的基础 疲劳强度 当试样承受的应力低于某一值时 材料可经无数次循环而不断裂 这个应力称为疲劳强度 工程意义 在一定的循环次数下不发生断裂的最大应力 其中 钢铁材料的循环次数 107有色金属的循环次数 108 80 3 提高材料的疲劳强度的途径1 设计方面 尽量避免尖角 缺口和截面突变 2 材料方面3 机械加工方面4 零件的表面强化方面 81 力学性能小结 82 思考题 1 断裂前金属材料产生的能力称为塑性 金属材料的和数值越大 表示材料的塑性越好 2 拉断一根钢丝很难 但如果用手捏住 在钢丝的某一点反复弯曲 多次之后 就可以将其折断 这是为什么 83 思考题 1 断裂前金属材料产生塑性变形的能力称为塑性 金属材料的断后伸长率和断面收缩率数值越大 表示材料的塑性越好 2 拉断一根钢丝很难 但如果用手捏住 在钢丝的某一点反复弯曲 多次之后 就可以将其折断 答 只有超过钢丝的拉伸强度才能将其拉断 但多次弯折后