金属材料的力学性能.ppt

金属材料的力学性能 学习内容 常用力学性能的定义 测定原理与方法 使用范围等 知识目标 1 熟悉力学性能的基本概念 2 准确理解静拉伸曲线 3 强度 塑性 硬度 韧性的表示方法和应用 能力目标 强度 塑性 硬度 韧性指标的表示方法和实际应用 通过实验初步掌握强度 塑性和硬度的测定方法 重点与难点 重点 强度 塑性 硬度 韧性 疲劳强度等概念及其表示方法和工程意义 难点 多冲抗力与疲劳强度的理解 学习前述 金属材料的性能包括力学性能 物理性能 化学性能和工艺性能 一般机械零件常以力学性能作为设计和选材的依据 金属材料的力学性能是指材料在力作用下所显示的性能 又指金属在力作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力 应变关系的性能 主要有强度 塑性 硬度 韧性和疲劳强度等 1强度和塑性1 1强度强度是指金属材料抵抗塑性变形 永久变形 和断裂的能力 抵抗塑性变形和断裂的能力越大 则强度越高 强度判据是通过拉伸试验测定的 拉伸试验方法是用静拉伸力对标准试样进行轴向拉伸 同时连续测量力和相应的伸长 直至断裂 根据测得的数据据 即可求出有关的力学性能 1 1 1拉伸试样右图中d0为试样的直径 L0为标距长度 按国家标准 拉伸试样有长试样 L0 10d0 和短试样 L0 5d0 两种 1 1 2拉伸曲线右图是低碳钢的力 伸长曲线 图中纵坐标表示力拉伸力F 单位为N 横坐标表示绝对伸长量 l 单位为mm 当载荷不超过Fe时 拉伸曲线OE为一斜直线 即试样的伸长量与拉伸力 载荷 成正比 如果卸除拉伸力 试样能完全恢复到原来的形状和尺寸 材料处于弹性变形阶段 当拉伸力超过Fe后 试样将进一步伸长 此时若卸除拉伸力 试样不能恢复到原来的形状 这种拉伸力消失后仍继续保留的变形叫做塑性变形 当拉伸力达到Fs时 拉伸力不增加 试样的变形仍继续进行 这种现象称为屈服 当拉伸力继续增加到某一最大值Fb时 试样的局部截面缩小 产生 缩颈 现象 此后 变形主要集中在缩颈处 所能承受的拉视频101伸力迅速下降 达到Fk时 试样在缩颈处断裂 1 1 3强度指标试样受到外力作用时 在其内部产生大小与外力相等而方向相反的相互作用力 称为内力 单位截面积上的内力称为应力 拉伸时的应力用符号 表示 1 弹性极限弹性极限是指试样产生完全弹性变形时所能承受的最大拉应力 用 e表示 2 屈服点 又称屈服强度 屈服点是指试样产生屈服现象时的最小应力 用 s表示 对于低塑性材料或脆性材料 由于屈服现象不明显 常以产生一定的微量塑性变形 一般以残余变形量达到0 2 Lo 的应力为屈服点 用 0 2表示 称条件屈服强度 3 抗拉强度抗拉强度是指试样断裂前能够承受的最大拉应力 用 b表示 工程上所用的金属材料 不仅希望具有较高的屈服强度 还希望具有一定的屈强比 b 屈强比越小 零件可靠性越高 使用中超载不会立即断裂 但屈强比太小 则材料强度的有效利用率降低 一般在性能允许的情况下 屈强比在0 75左右较为合适 静拉伸试验视频1 1 2硬度金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力称为硬度 是衡量材料软硬程度的判据 它表征材料抵抗表面局部弹性变形 塑性变形或抵抗破坏的能力 材料的硬度越高 其耐磨性越好 硬度是金属材料重要性能之一 由于测定硬度的试验设备比较简单 操作方便 迅速 又属无损检验 故在生产上和科研中得到广泛应用 测定硬度的方法比较多 其中常用的硬度测定法是压入法 即用一定的静载荷 试验力 把压头压在金属表面上 然后通过测定压痕的面积或深度来确定其硬度 常用的硬度试验方法有布氏硬度 洛氏硬度和维氏硬度三种 压入法度硬试验原理动画01 10 2 1布氏硬度布氏硬度是用单位压痕面积的力作为布氏硬度值的计量即试验力除以压痕表面积 符号用HBS 用淬火钢球压头 或HBW 用硬质合金压头 表示 即 布氏硬度表示方法 硬度值一般不标单位 当压头为淬火钢球时 用HBS表示 当压头为硬质合金时 用HBW表示 符号HBS或HBW之前写出硬度值 符号后面用数字依次表示压头直径 试验力及试验力保持时间 10 15s不标 等试验条件 例如 150HBS10 1000 30 一般在零件图或工艺文件上标注材料要求的布氏硬度时 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210 230HBS 布氏硬度试验的优缺点 优点是测定的数据准确 稳定 数据重复性强 常用于测定退火 正火 调质钢 铸铁及有色金属的硬度 缺点是对不同材料需要更换压头和改变载荷 且压痕较大 压痕直径的测量也较麻烦 易损坏成品的表面 故不宜在成品上进行试验 布氏硬度试验视频102 2 2洛氏硬度洛氏硬度是用压痕深度作为洛氏硬度值的计量即 符号用HR表示 其计算公式为 洛氏硬度试验视频103 洛氏硬度压头类型 淬火钢球压头多用于测定退火件 有色金属等较软材料的硬度 压入深度较深 金刚石压头多用于测定淬火钢等较硬材料的硬度 压入深度较浅 试验规范及表示方法 采用不同的压头与总试验力 组合成几种不同的洛氏硬度标尺 我国常用的是HRA HRB HRC三种 其中HRC应用最广 其试验规范见表1 1 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 如58HRC 76HRA 洛氏硬度试验的优缺点 优点 是操作迅速 简便 硬度值可从表盘上直接读出 压痕较小 可在工件表面试验 可测量较薄工件的硬度 因而广泛用于热处理质量的检验 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数次 取其平均值来代表材料的硬度 此外 用不同标尺测得的硬度值彼此之间没有联系 也不能直接进行比较 2 3维氏硬度维氏硬度也是以单位压痕面积的力作为硬度值计量 试验力较小 压头是锥面夹角为136 的金刚石正四棱锥体 见图所示 维氏硬度用符号HV表示 维氏硬度表示方法 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 例如 640HV300 维氏硬度试验视频104 维氏硬度试验的优缺点 优点是可测软 硬金属 特别是极薄零件和渗碳层 渗氮层的硬度 其测得的数值较准确 并且不存在布氏硬度试验那种载荷与压头直径比例关系的约束 此外 维氏硬度也不存在洛氏硬度那样不同标尺的硬度无法统一的问题 而且比洛氏硬度能更好地测定薄件或薄层的硬度 缺点是硬度值的测定较为麻烦 工作效率不如洛氏硬度 因此不太适合成批生产的常规检验 3材料的韧性和疲劳强度3 1韧性简介许多机械零件在工作中 往往要受到冲击载荷的作用 如内燃机的活塞连杆 锻锤锤头 冲床冲头 锻模 凿岩机零件等 由于外力的瞬时冲击作用所引起的变形和应力比静载荷大得多 因此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 韧性是指金属材料在断裂前吸收变形能量的能力 冲击吸收功根据功能原理可知 摆锤冲断试样所消耗的功AK mgh1 mgh2 AK称为冲击吸收功 单位焦耳 J 用AK除以试样缺口处的横截面积 所得的商即为该材料的冲击韧度 用符号 K表示 即 国家标准现规定采用AK作为衡量韧性好坏的指标 AK越大 材料的韧性越好 冲击吸收功AK与温度有关 见右下图所示 韧脆转变温度越低 材料的