机械制造基础1.1工程材料课件

机械制造基础 第1章工程材料 1 1金属材料的力学性能金属材料的性能包含使用性能和工艺性能 使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能 如 力学 机械 性能 物理性能 化学性能工艺性能是指制造工艺过程中材料适应加工的性能 如 铸造性 锻造性 焊接性 切削加工性 热处理工艺性 金属材料的力学性能金属材料的力学性能是指金属材料在外力作用时表现出来的性能 材料用于结构零件时 其力学性能是机械设计 材料选择 工艺评定及材料检验的主要依据 外力 载荷 形式主要有 拉伸 压缩 弯曲 剪切 扭转等常用的力学性能指标有 强度 塑性 硬度 韧性和疲劳强度等 1 1 1强度1 拉伸试验材料承受静拉伸时的力学性能指标是通过拉伸试验测定的 其过程为 将被测材料按GB T228 2010要求制成标准拉伸试样 在拉伸试验机上夹紧试样两端 缓慢地对试样施加轴向拉伸力 使试样被逐渐拉长 最后被拉断 通过试验可以得到拉伸力F与试样伸长量 L之间的关系曲线 称为拉伸曲线 1 拉伸试样在国家标准中 对拉伸试样的形状 尺寸及加工要求均有规定 右图为圆柱形拉伸试样 其中d0为试样直径 L0为试样标距长度 2 拉伸曲线通过对拉伸曲线的分析 可以直接在曲线上读出一系列强度指标并可根据试验结果计算出塑性指标值 右图为退火低碳钢的R 曲线 拉伸曲线分析 拉伸曲线中 Oe段为直线 即在应力不超过只Re时 应力与应变成正比关系 此时 将外力去除后 试样将恢复到原来的长度 这种能够完全恢复的变形称为弹性变形 当应力超过Re后 试样的变形不能完全恢复而产生永久变形 这种永久变形称为塑性变形 当应力增大至H点后 曲线呈近似水平直线状 即应力不增大而试样伸长量在增加 这种现象称为屈服 屈服后试样产生均匀的塑性变形 应力增大到m点后 试样产生不均匀的塑性变形 即试样发生局部直径变细的 颈缩 现象 至k点时 试样在颈缩处被拉断 3 弹性和刚性材料的弹性指标主要是指弹性极限 刚性指标则是指材料的弹性模量 1 弹性极限Re弹性极限是指在产生完全弹性变形时材料所能承受的最大应力 即 式中Fe 试样完全弹性变形时所能承受的最大载荷 N So 试样原始截面积 mm2 实际上Re只是一个理论上的物理定义 对于实际使用的工程材料 用普通的测量方法很难测出准确而唯一的弹性极限数值 因此 为了便于实际测量和应用 一般规定以残余应变量 即微量塑性变形量 为0 01 时的应力值作为 规定弹性极限 或称 条件弹性极限 工程上 对于服役条件不允许产生微量塑性变形的弹性元件 如汽车板簧 仪表弹簧等 均是按弹性极限Re来进行设计选材的 2 弹性模量E弹性模量是指在应力应变曲线上完全弹性变形阶段 应力与应变的比值 即 在工程上E 单位N mm2 称为材料的刚度 是材料的重要力学性能指标之一 它表征材料对弹性变形的抗力 其值愈大 材料产生一定量的弹性变形所需要的应力愈大 表明材料不容易产生弹性变形 即材料的刚度大 实际工件的刚度首先取决于其材料的弹性模量E 不同的材料 其刚度差异很大 陶瓷材料的刚度最大 金属材料与复合材料次之 而高分子材料最低 金属材料的弹性模量E主要决定于基体金属的性质 4 强度强度指金属材料在外力作用下抵抗塑性变形或断裂的能力 常用的材料强度指标有 屈服强度抗拉强度等 1 屈服强度屈服强度是指当材料呈现屈服现象时 在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点 分为上屈服强度和下屈服强度 上屈服强度 ReH 是试样发生屈服而力首次下降前的最高应力 下屈服强度 ReL 是指在屈服期间 不计初始瞬时效应时的最低应力 即 式中FeH 试样发生屈服而力首次下降前承受的最大载荷 N FeL 试样发生屈服时承受的最小载荷 N SO 试样原始截面积 mm2 2 抗拉强度Rm抗拉强度是指材料在拉伸过程中 相应最大力的应力 即 式中Fm 试样在屈服阶段之后所能抵抗的最大力 对于无明显屈服 连续屈服 的金属材料 为试验期间的最大力 N SO 试样原始截面积 mm2 抗拉强度是工程上最重要的力学性能指标之一 对塑性较好的材料 Rm表示了材料对最大均匀变形的抗力 而对塑性较差的材料 一旦达到最大载荷 材料迅即发生断裂 故Rm也是其断裂抗力 断裂强度 指标 Rm是高分子材料和陶瓷材料选材的重要依据 对塑性变形要求不严而仅要求不发生断裂的金属零件如钢丝绳 建筑结构件等 为减轻自重 Rm也常作为其设计与选材依据 此外 因Rm易于测定 适于作为产品规格说明或质量控制指标 广泛出现在标准 合同 质量证明等文件资料中 1 1 2塑性塑性是指材料在外力作用下能够产生永久变形而不破坏的能力 常用的塑性指标有断后伸长率和断面收缩率 1 断后伸长率A断后伸长率是指断后试样标距与原始标距之比的百分率 即 式中Lu 试样断裂后的标距 mm Lo 试样的原始标距 mm 因此 对于同一材料而具有不同长度或截面积的试样要得到比较一致的A值 或者对于不同材料的试样要得到可比较的A值 必须使L0 的比值为一常数 国家标准规定 此值为11 3 相当于L0 10d0的试棒 或5 65 相当于L0 5d0的试棒 材料伸长率的大小与试样原始标距L0和原始截面积SO密切相关 在SO相同的情况下 L0愈长则A愈小 反之亦然 2 断面收缩率Z断面收缩率是指断后试样横截面积的最大缩减量与原始横截面积之比的百分率 即 式中Su 试样断裂处的最小横截面积 mm2 SO 试样的原始横截面积 mm2 断后伸长率A和断面收缩率Z越大 材料的塑性越好 一般认为 A 5 的材料为脆性材料 材料的塑性指标一般不直接用于机械设计计算 但材料具有一定的塑性 当零件遭受意外过载或冲击时 通过塑性变形和应变硬化的配合可避免发生突然断裂 材料具有一定的塑性可保证某些成形工艺 如冷冲压 轧制 冷弯 校直 冷铆 和修复工艺 如汽车外壳或挡泥板受碰撞而凹陷 的顺利进行 对于金属材料 塑性指标还能反映材料冶金质量的好坏 是材料生产与加工质量的标志之一 1 1 3硬度硬度是指材料在表面上的不大体积内抵抗局部塑性变形或破坏的能力 是表征材料性能的一个综合参量 能够反映出金属材料在化学成份 金相组织和热处理状态上的变化 是检验产品质量 研制新材料和确定合理的加工工艺所不可缺少的检测性能方法之一 同时硬度试验是金属力学性能试验中最简便 最迅速的一种方法 硬度试验方法很多 一般可分三类 压入法如布氏硬度 洛氏硬度 和维氏硬度和显微硬度 划痕法如莫氏硬度 有回跳法 如肖氏硬度等 目前机械制造生产上应用最广泛的硬度是布氏硬度 洛氏硬度和维氏硬度 1 布氏硬度布氏硬度试验原理如右图所示 按GB T231 1 2009的规定 对一定直径的硬质合金球施加工试验力压入试样表面 经规定的保持时间后 卸除试验力 测量试样表面的压痕直径 将单位面积承受的平均应力乘以一常数后定义为布氏硬度 式中F 试验力 N S 压痕表面积 mm2 d 压痕直径 mm D 硬质合金球直径 mm 布氏硬度的计算公式 例如 350HBW5 750表示用直径5mm硬质合金球在7 355KN试验力作用下保持10 15s测得的布氏硬度值为350 布氏硬度值的表示表示方法为 硬度值 HBW 球直径 试验力 与规定时间 试验力保持时间 10 15s不标注 布氏硬度目前主要用于铸铁 非铁金属以及经退火 正火和调质处理的钢材 布氏硬度试验的优点是测出的硬度值准确可靠 因压痕面积大 能消除因组织不均匀引起的测量误差 布氏硬度值与抗拉强度之间有近似的正比关系 但同时压痕大 不宜测量成品件 也不宜测量薄件 测量速度慢 测得压痕直径后还需计算或查表 2 洛氏硬度洛氏硬度试验原理如右图所示 按GB T230 1 2009规定 将压头 金刚石圆锥 钢球和硬质合金 压入试样表面 经规定保持时间后 卸除主试验力 测得在初试验力下的残余压痕深度h 洛氏硬度计算公式 式中N 给定标尺的硬度值 h 卸除主试验力后 在初试验力下压痕残留的深度 残余压痕深度 mm S 给定标尺的单位 mm 实际检测时 HR值可从硬度计的百分度盘上直接读出 标记时硬度值位于HR之前 如HRC60 75HRA等 HRA主要主要用于高硬度表面 硬质合金的硬度测试 HRB主要用于退火钢 铸铁 有色金属的硬度测试 HRC主要用于淬火钢的硬度测试 洛氏硬度试验操作简便 可以测定软 硬金属的硬度 也可测定较薄工件的硬度 压痕小 可用于成品检验 但由于压痕小 测量组织不均匀的金属硬度时 重复性差 而且不同标尺测得硬度值既不能直接进行比较 又不能彼此互换 3 维氏硬度维氏硬度按GB T4340 1 2009 金属维氏硬度试验第1部分 试验方法 进行 其试验原理与布氏硬度相同 如右图所示 同样是根据压痕单位面积上所受的平均载荷计量硬度值 不同的是维氏硬度的压头采用金刚石制成的锥面夹角 为136 的金刚石正四棱锥体 硬度值 HV 试验力数字 与规定时间 10 15S 不同的试验力保持时间 例如 640HV30 20表示在294 3N作用下保持20s后测得的维氏硬度值为640 维氏硬度的单位为N mm2 但一般不标出 维氏硬度的表示方法为 维氏硬度试验具有前两种硬度试验的优点而抛弃了它们的缺点 负荷大小可任意选择 测定范围宽 适合各种软 硬不同的材料 特别适用于薄工件或薄表面硬化层的硬度测试 其缺点是生产率比洛氏硬度试验低 不宜于成批生产检验 4 显微硬度显微硬度试验实质上就是小载荷维氏硬度试验 是试验负载在1000g以下 压痕对角线长度以 m计时得到的维氏硬度值 同样用符号HV表示 用于材料微区硬度 如单个晶粒 夹杂物 某种组成相等 的测试 1 1 4冲击吸收能量许多机件 如枪管 炮管 冷冲模 锤头等都是在冲击载荷 载荷以很快的速度作用于机件 下工作 试验表明 载荷速度增加 材料的塑性 韧性下降 脆性增加 易发生突然性破断 因此 使用的材料就不能用静载荷下的性能来衡量 而必须用抵抗冲击载荷的作用而不破坏的能力 即冲击韧性来衡量 1 冲击吸收能量测定工程上常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料抵抗冲击载荷的能力 即测定冲击载荷试样被折断而实际吸收能量KV 单位为焦耳 J 将被测的材料按国标GB T229 2007做成试样 试验原理是将规定几何形状的缺口试样置于试验机两支座之间 缺口背向打击面放置 如图所示 然后把质量为m的摆锤提到h1高度 然后释放摆锤 用摆锤一次打击试样 测定试样的吸收能量 冲断试样后摆锤回升到h2高度 冲击试验原理1 支座2 试样3 指针4 摆锤 冲击实际吸收能量 KV 是用试验机进行试验时 冲断试样所需的总能量 它等于摆锤在初始位置的势能与试样断裂后完成第一个半周期时的势能之差 冲击实际吸收能量KV值的大小 代表了材料的韧性高低 1 1 5疲劳强度许多零件是在交变应力作用下工作的 如轴类 弹簧 齿轮 滚动轴承等 它们断裂时的应力远远低于该材料的屈服强度 这种现象叫疲劳断裂 它与静载荷下的断裂不同 在断裂前无明显塑性变形情况下突然断裂 因此 具有更大的危险性 据统计 大约有80 机件的破断是由于金属疲劳造成的 因此 研究疲劳破断的原因 提高疲劳抗力 防止疲劳事故发生是非常重要的 1 疲劳强度的表示方法常用的评定材料疲劳抗力的指标是疲劳强度 即表示材料经受无限多次循环而不断裂的最大应力 记作Rr 下标r为应力对称循环系数 钢的疲劳曲线 对于金属材料 通常用旋转弯曲试验方法测定在对称应力循环条件下材料的疲劳极限 R 1 试验时用多组试样 在不同的交变应力 R 下测定试样发生断裂的周次 N 绘制R N曲线如右图所示 对钢铁材料和有机玻璃等 当应力降到某值后 R N曲线趋于水平直线 此直线对应的应力即为疲