金属的力学性能.ppt

金属工艺学课程海军第一职校机械教研组 金属材料基本知识 一 材料分类 新型无机非金属材料 高分子复合材料 金属材料 黑色金属 有色金属 以高分子化合物为主要组分的材料 高分子化合物是分子量很大的化合物 如橡胶 塑料 纤维 涂料 指用天然硅酸盐 粘土 长石 石英等 或人工合成化合物 氮化物 氧化物 碳化物 硅化物 硼化物 氟化物 为原料 经粉碎 配置 成型和高温烧制而成的 如玻璃 水泥陶瓷 荧光材料 光导纤维 单晶硅等 通常指铁和以铁为主的合金 有碳钢 铸铁 合金钢和铁合金 指黑色金属以外的所有金属及其合金 常用的有金 银 铜 铅及其合金 金属材料基础知识 金属材料性能及常用力学性能指标新材料介绍钢的分类和牌号金属学及热处理相关知识 金属材料性能 使用性能 工艺性能 热处理性能铸造性能焊接性能锻造性能切削加工性能 物理性能 电导性 热导性 磁性等 化学性能 耐蚀性 抗氧化性 力学性能 机械性能 金属材料在使用过程中所表现出来的性能 金属材料在各种加工过程中所表现出来的性能 指金属材料在载荷作用下所表现出的抵抗变形和破坏的能力 包括材料的强度 硬度 塑性 冲击韧性 疲劳强度 相关概念 载荷 变形 内力与应力 1 载荷材料在加工和使用过程中所受的外力 称为载荷 按作用性质可分为静载荷 冲击载荷 交变载荷 指大小方向不变或变化过程较慢的载荷 绳索提重物 锅炉压力 指在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷 如车削吃刀 车辆启动和制动 锻压空汽锤 钳工錾削 指大小 方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷 比如工作中的齿轮 连杆和弹簧等机械零件就受到交变载荷 载荷按作用形式可分为拉伸载荷 压缩载荷 弯曲载荷 剪切载荷和扭转载荷等 相关概念 2 变形 材料受到载荷作用而产生的几何形状和尺寸的变化称为变形 可分为弹性变形 塑性变形 材料在外力作用下产生变形 当外力取消后 材料变形能完全恢复原来形状的性质称为弹性 这种可恢复的变形称为弹性变形 材料在外力的作用下产生形变 当施加的外力撤除或消失后该物体不能恢复原状的一种物理现象 相关概念 3 内力与应力内力 受外力作用时 为保持其不变形在材料内部形成与外力相抗衡的力应力 材料横截面单位面积上受到的内力 F S Pa 式中 应力单位Pa1Pa 1N 1MPa 1 106N mm2F 外力单位NS 横截面积单位 千克力 kgf 是重力单位制 或工程单位制 中力的基本单位牛顿 N 国际单位制中力的基本单位1kgf 9 8N 一 拉伸试验 常温 静载荷下金属材料的单向拉伸试验是测定材料力学性能的最基本 应用最广泛 方法最成熟的试验方法 可用以测定弹性极限 屈服极限 抗拉强度 断后伸长率和断面收缩率等力学性能指标 试验时 将标准试样装夹在万能材料试验机上 缓慢加载拉伸 随着载荷增加 试样逐渐伸长 直至试样拉断 载荷与相应的试样伸长量由试验机绘成力 伸长曲线图 标准试样 标准拉伸试样左下图所示 截面有圆形 图a 和矩形 图b 两种 对于直径为d0的长试样L0 10d0 对于直径为d0的短试样 L0 5d0 一般L0 100 或50 拉伸时影响测量值的条件很多 如材料的截面形状 是否有应力集中点等等 即使是同种截面 尺寸大小改变时也会影响测量值 采用标准式样 可以使不同材料的测量值便于比较 力 伸长曲线图 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 低碳钢的力 拉伸曲线图 在载荷不增加或略有减小的情况下 试样还继续伸长的现象叫做屈服 屈服后 材料开始出现明显的塑性变形 Fs称为屈服载荷 随塑性变形增大 试样变形抗力也逐渐增加 这种现象称为形变强化 或称加工硬化 Fb 试样拉伸的最大载荷 试样变形完全是弹性的 这种随载荷的存在而产生 随载荷的去除而消失的变形称为弹性变形 Fp为试样能恢复到原始形状和尺寸的最大拉伸力 当载荷达到最大值Fb后 试样的直径发生局部收缩 称为 缩颈 工程上使用的金属材料 多数没有明显的屈服现象 有些脆性材料 不但没有屈服现象 而且也不产生 缩颈 如铸铁等 二 常用强度判据 强度 材料在外力作用 抵抗塑性变形和断裂的能力 强度指标用应力 来度量强度是表征材料变形抗力指标 按载荷作用方式不同可分为抗拉强度 抗弯强度 抗剪强度和抗压强度 常用的金属材料的强度指标 其中抗拉强度为基本的强度指标 弹性极限 e 屈服点 s 抗拉强度 b 1 弹性极限 金属材料开始产生微量塑性变形时最大应力值 一些金属材料如铸铁 高碳钢等的屈服现象不明显 因此国标规定此类材料以产生0 2 塑性变形量时的应力值为屈服金属材料不能在超过其 s的条件下工作 否则会引起机件塑性变形 2 屈服点 试样在试验过程中力保持恒定仍能伸长时的应力值 3 抗拉强度 强度极限 是设计和选材的主要依据之一 是工程技术上的基本强度指标 金属材料不能在超过其 b的条件下工作 否则会导致机件断裂 三 塑性判据 塑性 材料在外力作用 抵抗塑性变形和断裂的能力 塑性是描述变形能力的指标 常用的塑性判据 拉伸时的断后伸长率和断面收缩率 1 断后伸长率 对同一种材料 长试样和短试样测出的 不同 分别用 5 10表示 5 塑性材料 5 脆性材料 2 断面收缩率 值不受试样尺寸影响 越大 塑性越好 越易变形但不会断裂 良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件 练习题一 拉力试样的原标距长度为50mm 直径为10mm 经拉力试验后 将已断裂的试样对接起来测量 若最后的标距长度为71mm 颈缩区的最小直径为4 9mm 试求该材料的伸长率和断面收缩率的值 解 S0 3 14x 10 2 2 78 5 mm2 S1 3 14x 4 9 2 2 18 85 mm2 71 50 50 x100 42 S0 S1 S0 x100 24 练习题二 某工厂买回一批材料 要求 要求 s 230MPa b 410MPa 5 23 50 做短试样 L0 5 0 0 10mm 拉伸试验 结果如下 Fs 19KN Fb 34 5KN L1 63 1mm d1 6 3mm 问买回的材料合格吗 解 根据试验结果计算如下 s Fs s 19x1000 3 14x52 242 230MPa b Fb s 34 5x1000 3 14x52 439 5 410MP 5 l l0 x100 63 1 50 50 x100 26 2 23 S S0 x100 60 31 50 材料的各项指标均合格 因此买回的材料合格 第二节硬度 硬度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 测定原理 硬度的测量方法一般用压入法 即用一定的压力将压头压入材料表面 根据压力大小 压痕面积或深度来确定硬度大小 由于压头 载荷以及载荷持续时间的不同 压入硬度有多种 几种常用硬度 布氏硬度 HB 洛氏硬度 HR 维氏硬度 HV 一 布氏硬度 是以一定的试验力 载荷 把用一定直径的钢球或硬质合金球压入材料表面 保持一段时间后 去除载荷 载荷与压痕面积之比值 即为布氏硬度值 HBS HBW 单位为N mm2 其值在布氏硬度计上测定 HB F S压 kgf 2 在实际测定时 一般并不进行计算 而是用放大镜测量出压痕直径后 查表即可直接读出HB值 相关说明 1 压头 直径分别为10 5 2 5 2 1mm 有淬火钢球和硬质合金球两类 应尽量选择 10 球压头 2 规定有7种F D2的比值可选用不同的压力和压头 3 数值小于450用HBS表示 压球为普通淬火球数值在450 650用HBW表示压球为硬质合金球 数值大于650 不用该方法测定硬度 4 表示方法 500HBW5 750 表示用直径5mm硬质合金球在7350N试验力作用下保持10 15s测得的布氏硬度值为500 120HBS10 1