1.2材料的性能.ppt

第一章金属的力学性能 教学目标 了解材料的主要力学性能指标 屈服强度 抗拉强度 伸长率 断面收缩率 硬度 冲击韧性 疲劳强度 断裂韧性等力学性能及其测试原理 强调各种力学性能指标的生产实际意义 了解工程材料的物理性能 化学性能及工艺性能 金属的力学性能 定义 金属材料的力学性能是指金属材料在不同环境 温度 介质 下 承受各种外加载荷 拉伸 压缩 弯曲 扭转 冲击 交变应力等 时所表现出的力学特征 指标 弹性 刚度 强度 塑性 硬度 冲击韧性 断裂韧度和疲劳强度等 材料的其他性能 物理性能 密度 熔点 导热性 导电性 热膨胀性 磁性等 化学性能 耐腐蚀性 抗氧化性 化学稳定性等 工艺性能 铸造性能 锻造性能 焊接性能 切削加工性 热处理工艺性等 2材料的静态力学性能 材料的力学性能的各项指标是在一系列规定条件下力学行为的反映 一强度和塑性 1 拉伸过程 拉伸试验机 沿试样轴向以一定速度施加载荷 使其发生拉伸变形直至断裂 通过力与位移传感器可获得载荷 P 与试样伸长量 L 之间的关系曲线 称为拉伸曲线或P L曲线 图2 5 op段 比例弹性变形阶段 pe段 非比例弹性变形阶段 平台或锯齿 s段 屈服阶段 sb段 均匀塑性变形阶段 是强化阶段 b点 形成了 缩颈 bk段 非均匀变形阶段 承载下降 到k点断裂 断裂总伸长为Of 其中塑形变形Og 试样断后测得的伸长 弹性伸长gf k o g f 3 拉伸曲线 图2 5拉伸曲线 位移曲线 和应力 应变曲线 若将纵坐标以应力 P A0 A0为试样原始截面积 图2 3 表示 横坐标以应变 L L0 L0为试样标距 表示 则这时的曲线与试样的尺寸无关 称为应力 应变曲线或 曲线 图2 5 2 应力 应变曲线可以确定材料的强度指标 图2 6 图2 6从应力 应变曲线上确定强度指标 退火低碳钢 低 中回火钢 淬火钢及铸铁 中碳调质钢 不同材料的拉伸曲线 材料在拉伸过程中要发生弹性变形 均匀塑性变形 非均匀塑性变形 颈缩 和最后的断裂 材料在外力作用下产生变形 若外力去除后变形完全消失 材料恢复原状 则这种可逆的变形就叫弹性变形 若外力去除后变形不能完全恢复 不能恢复的变形部分称为塑性变形 1 弹性极限 e是材料只发生弹性变形所能承受的最大应力 记为 e 图2 5 2 6 可用下式求出 e Pe A0式中Pe 图2 5左图e点 弹性极限载荷 通常很难确定 在国家标准中把产生0 01 残余伸长所需的应力作为规定弹性极限 记为 0 01 2 比例极限 p比例极限 p 图2 5 2 6 略低于弹性极限 是材料所受应力与应变成正比关系的最大应力 可用下式求出 p Pp Ao式中Pp 图2 5左图p点 应力与应变成正比关系的最大载荷 3 屈服强度 s o 2在拉伸过程中 出现载荷不增加而试样还继续伸长的现象称为屈服 屈服时所对应的应力称为屈服强度 记为 s 可由下式求出 s Ps F0式中Ps 屈服时的外载荷 屈服强度表征材料发生明显塑性变形时的抗力 大多数工程材料都没有明显的屈服现象 因此 通常规定产生0 2 残余伸长所对应的应力 作为条件屈服强度 记为 0 2 4 抗拉强度 b当拉伸试样屈服以后 欲继续变形 必须不断增加载荷 当载荷达到最大值Pb后 试样的某一部位截面开始急剧缩小 出现了 颈缩 致使载荷下降 直到最后断裂 试样能承受的最大载荷除以试样原始截面积所得的应力 称为抗拉强度 记为 b 即 b Pb F0 抗拉强度是材料在拉伸条件下能够承受最大载荷时的相应应力值 表征了材料对最大均匀变形的抗力 5 刚度弹性模量E材料在受力时抵抗产生弹性变形的能力称为刚度 通常用材料在弹性范围内 应力应变的比值 图2 5 2 6直线段部分的斜率 即弹性模量 记为E 来作为衡量材料刚度的指标 6 塑性断裂前材料发生塑性变形的能力叫塑性 常用塑性指标有伸长率 和断面收缩率 其数值可由下式求出 图2 7 L1 L0 L0 100 A0 A1 A0 100 式中L0 试样原始标距长度 L1 试样断裂后标距的长度 A0 试样原始截面积 A1 试样断裂处截面积 试验结果表明 对同一材料制成的几何形状相似的试样 均匀变形伸长率和试样尺寸无关 集中变形伸长率和F0 L0比值有关 所以 通常用L0 5d0和L0 10d0两种比例试样来测定伸长率 分别记为 5和 10 10 属塑性材料 从图2 8中可以看出 塑性好的试样断口呈韧窝花样 塑性较差的试样断口呈冰糖状或舌状花样 图2 8拉伸试样断口 扫描电镜照片 二 硬度试验和硬度硬度是材料抵抗局部变形的能力 通常采用静载压入法试验 这种试验方法不需要专门制作试样 而且不破坏零件 常用的硬度指标如下 布氏硬度HB洛氏硬度HR维氏硬度HV 硬度 hardness 是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力 1 布氏硬度HB Brinell hardness 布氏硬度 物理意义 压痕表面上单位面积所承受的压力 在力P的作用下把直径为D的钢球压入被测材料 布氏硬度值是载荷P除以压痕 球冠 的面积F 图 用HB表示 即 HB P F 2P D D2 d2 1 2 这种方法只适合于测量HB 450的材料 布氏硬度HB Brinell hardness 符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值 符号后面的数字按顺序分别表示球体直径 载荷及载荷保持时间 如 120HBS10 1000 30表示直径为10mm的钢球在1000kgf 9 807kN 载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120 2 洛氏硬度HR Rockwllhardness 10HRC HBS 洛氏硬度用压痕深度表征 每0 002mm的深度为一个单位 因所用压头和载荷不同又分为 HRC HRB和HRA三种 见表2 1 洛氏硬度主要测较硬的材料 但不宜测定硬而脆的薄层 硬薄层工件常用维氏硬度衡量 表2 1 3 维氏硬度HV diamondpenetratorhardness 适用范围 测量薄板类 HV HBS 维氏硬度 物理意义 压痕表面上单位面积所承受的压力 压头是136 金刚石四棱锥体 测量出压痕对角线 图2 16 用此值查表得硬度值 用HV表示 它可以对由高到低的较宽的硬度范围进行测量 4 另外 还有一种叫做显微硬度 用来测量组织中某一相硬度 压头和表示符号同上 但所用载荷更小 只有几克至几十克 说明 硬度和强度由有一定关系 可以从有关手册上进行换算通过容易的硬度测量来估算材料强度 比用拉伸法要快捷 3材料的动态力学性能 一 冲击韧性 notchtoughness 1 静载荷与动载荷应变速率在10 2毫米 秒以上的载荷属于动载荷 即冲击载荷 2 韧性金属抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力 冲击试验机 冲击试样和冲击试验示意图 试样冲断时所消耗的冲击功Ak为 Ak mgH mgh J 冲击韧性值ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功 3 k 冲击韧性 的影响因素及脆性转变温度 1 影响因素 材料本性 温度 试样尺寸 缺口形状 加载速度等 2 温度的影响 有一脆性转变温度 在此温度材料的冲击韧性发生突变 普通碳钢的脆性转变温度为 30 20 4 k 冲击韧性 的局限性及小能量多次冲击断裂韧性在能量不太大的情况下 小能量多次冲击断裂韧性更能说明情况 这时 材料承受小能量多次冲击的能力主要取决于强度而不是冲击韧性 二 疲劳强度 fatiguestrength 1 交变载荷载荷的大小与方向随时间发生周期性的变化 2 疲劳指材料在循环载荷作用下 即使所受应力低于屈服强度也常发生断裂 这种现象称为疲劳断裂 是一旧概念 表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值 钢材的循环次数一般取N 107 有色金属的循环次数一般取N 108 钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系 1 0 45 0 55 b 3 疲劳曲