第一节 金属的力学性能

1 理理 论论 课课 教教 案案 编号 版本号 页 码 编制 时间 审核 时间 批准 时间 学 科 金属材料及 热处理 第一章 金属的性能 第一节 金属的力学性能 教学类型授新课授课时数授课班级 级 教学目的 和要求 1 了解力学性能的测定方法 2 掌握金属的力学性能及衡量指标 教学重点 和难点 1 重点 力学性能的概念及有关计算 2 难点 强度的计算及硬度的比较 教具准备 挂图 复习提问 强度 硬度之间有何关系 作业布置 P16 习题 8 12 教学方法主要教学内容和过程附记 第一章 金属的性能 使用性能 使用性能 金属材料在使用条件下所表现 出来的性能 物理性能 化学性能 力 学性能 决定了它的使用范围 使用寿 命 工艺性能 工艺性能 金属在制造加工过程中反映出 来的性能 适应各种加工方法的性 能 决定了它对各类加工方法的适应能力 铸造 锻造 焊接 切削加工 热处理等 理理 论论 课课 教教 案案 附附 页页 金属性能 2 编制 时间 教学方法主要教学内容和过程附记 1 1 金属的力学性能 力力 物体间的相互作用 是一个物体对另一个物体的作 用 力学性能力学性能 金属在外力作用下所表现出来的性能 包括 强度 塑性 硬度 冲击韧性 疲劳强度 载荷载荷 金属材料在加工及使用过程中所受的外力 静载荷 冲击载荷 载荷作用性质 交变载荷 载荷作用形式 拉伸 压缩 弯曲 剪切 扭转 变形变形 金属材料受到载荷作用而产生的几何形状和尺 寸的变化 当然 载荷作用可使运动状态发生变化 弹性变形弹性变形 随载荷的去除而消失的变形 塑性变形塑性变形 不能随载荷的去除而消失的变形 永久变 形 残余变形 内力内力 金属受外力作用时 为保持其不变形 在材料 内部作用着与外力相对抗的力 与外力相对应 随外力 施加而产生 随外力去除而消失 应力应力 单位面积上的内力 F S 一 强度 一 强度 金属在静载荷作用下 抵抗塑性变形或断裂的能力 载荷作用形式 抗拉强度 抗弯强度 抗剪强度 抗压强 度 抗扭强度 3 o z 理理 论论 课课 教教 案案 附附 页页 教学方法主要教学内容和过程附记 一般 以抗拉强度作为判别金属强度高低指标 一般来说 抗拉强度高 其他强度也高一般来说 抗拉强度高 其他强度也高 抗拉强度抗拉强度 通过拉伸试验测定的 拉伸试验方法 静拉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量 直至试验断裂 根据测得 的数据 即可得出有关的力学性能 1 1 拉伸试样 拉伸试样 为了使测定的结果具有可比性 圆形 长试样 L0 10d0 矩形 短试样 L0 5d0 2 2 力一伸长曲线 力一伸长曲线 F N e s L mm Fe Fs Fb b 4 理理 论论 课课 教教 案案 附附 页页 教学方法主要教学内容和过程附记 1 oe 弹性变形阶段弹性变形阶段 Fe 发生弹性变形最大拉伸力 2 eS 屈服阶段屈服阶段 开始塑性变形 屈服 载荷不增加或略有减小的情况下 试样还继续 伸长的现象 Fs 屈服载荷 屈服后 材料开始出现明显的塑性变形 3 Sb 强化阶段强化阶段 形变强化 随着塑性变形增大 变形抗力也逐渐增加 的现象 举例 建筑用钢筋 Fb 拉伸时的最大载荷 4 bz 缩颈阶段缩颈阶段 缩颈 载荷达到 Fb 后 试样直径发生局部收缩 为什么 L 增加 F 反而下降 注意 有些无明显屈服现象 有些无明显屈服现象 也不产生 缩颈 例如 F L 5 理理 论论 课课 教教 案案 附附 页页 教学方法主要教学内容和过程附记 6 3 3 强度指标 强度指标 1 弹性极限弹性极限 最大弹性变形的抗力指标 e 弹性零件 So Fe 工作应力小于弹性极限 刚度 零件受载荷时 抵抗弹性变形的能力 用弹性 模量 E 衡量 E 表示产生单位弹性变形时所需应力的大小 E 越大 刚度大 弹性变形小 2 屈服点屈服点 有明显屈服现象材料 s 0S Fs 反映了金属材料抵抗微量塑性变形能力 工作应力小于 s 3 屈服强度屈服强度 或称规定残余伸长应力 无明显屈服 0 2 So F2 0 0 2 的的含义 塑性伸长量为 Lo 的 0 2 举例 F0 2 如何找 0 2 如何算 s 与 0 2 都代表金属材料开始明显塑性变形抗力 s 与 0 2 是零件设计的主要依据 也是评定金 属材料性能的重要指标 4 抗拉强度抗拉强度 材料拉断前所能承受的最大应力 b So Fb 理理 论论 课课 教教 案案 附附 页页 7 教学方法主要教学内容和过程附记 b 零件设计和选材的重要依据 工作应力应小于 b 否则会断裂 5 屈强比屈强比 s b 屈强比越小 结构零件的可靠性越高 万一超载 也 能由于塑性变形使金属的强度提高而不致立刻破断 但太 低 材料强度的有效利用率太低 希望 屈强比高一些希望 屈强比高一些 屈强比 碳钢 0 6 合金 0 85 低合金 0 65 0 75 二 塑性二 塑性 金属断裂前产生塑性变形 永久变形 的能力 断前 塑性变形量大的材料 塑性好 具有塑性的好处具有塑性的好处 5 点 在材料具有一定的塑性时 当偶尔遭受到过载荷时 能发生塑性变形 它与形变强化相配合 避免工件 突然断裂 从而保证了机件的安全 由于零件不可避免地存在截面过渡 油孔 沟槽 尖角等 加载后出现应力集中 具有一定塑性 可 以通过应力集中处的局部塑性变形来削减应力 使 之重新分配 从而保证零件不致早期断裂 材料具有一定塑性 有利于某些成形工艺 如冷冲 压 冷弯 校直等 修复工艺和装配的顺利完成 塑性指标是金属材料生产的质量标志 它反映出材 料的冶金质量的好坏 纯净度 加工质量与热处理 水平 易于通过塑性变形加工成复杂形状零件 理理 论论 课课 教教 案案 附附 页页 8 1 2 3 教学方法主要教学内容和过程附记 1 伸长率伸长率 利用拉伸曲线 100 LO LOL 1 5 1 2 1 5 10 2 断面收缩率断面收缩率 S0 S1 SO 100 值越大 塑性越好 举例 计算教材 P7 例 1 如图所示为三种不同材料的拉伸曲线 试样的尺寸相 同 试比较三种材料的抗拉强度 屈服点 屈服强度 塑 性的大小 理理 论论 课课 教教 案案 附附 页页 F0 2 F0 2 F0 2 0 2 L 9 教学方法主要教学内容和过程附记 解 尺寸相同 只要比较载荷大小及绝对伸长量即可 b2 b1 b3 0 2 1 s3 0 2 2 3 2 1 三 硬度三 硬度 材料抵抗局部塑性变形 压痕或划痕的能力 是衡量 金属材料软硬程度的一种性能指标 教材 P7 机械制造中 为使工具 零件能正常工作 并保持一 定的寿命 都对硬度值提出一定的要求 金属硬度虽没有确切的物理意义 但试验操作简单 无破坏性 故应用广泛 另外硬度与抗拉强度 疲劳强度 存在一定的对应关系 规律 硬度高 强度 耐磨性高 规律 硬度高 强度 耐磨性高 试验方法 压入法 表征金属抵抗变形的能力 布氏硬度 洛 氏硬度 维氏硬度 显微硬度 努氏硬度 回跳式 肖氏硬度 刻划法 表征抵抗破裂能力 莫氏硬度 1 1 布氏硬度 布氏硬度 1 测试原理测试原理 使用一定直径的球体 钢球或硬质 合全球 以规定的实验力压入试样表面 经规定保持 时间后卸除试验力 然后测量表面压痕直径来计算硬度 理理 论论 课课 教教 案案 附附 页页 10 教学方法主要教学内容和过程附记 布氏硬度 试验载荷除以压痕球形表面积所得的商 HBS HBW 0 102式中 d 越小 布 S F 2 22 dDDD F 氏硬度值越高 通常 布氏硬度值不标出单位布氏硬度值不标出单位 实际应用中 布氏硬度不用计算 而是用专用的刻度 放大镜量出压痕直径 d 查表 得硬度值 例 d 2 60 HB 555 P141 页 试验条件试验条件 布氏硬度试验时 由于金属材料有硬有软 工件有厚 有薄 有大有小 如果采用一种标准的载荷 F 和压头直径 D 就会出现对硬的材料合适 而对极软的材料会发生钢球 陷入被测材料内的现象 对厚的材料合适 对薄的材料会 发生压透现象 最小厚度值 根据不同的材料和工件厚度选择不同的载荷 压头 直径和载荷保持时间 压痕直径大小 应在 0 24D d 0 6D 范围内 否则无效 F D2的比值应为常数 表 1 1 理理 论论 课课 教教 案案 附附 页页 11 布氏硬度值 钢球直径 10mm 9807N F 时间 30S 教学方法主要教学内容和过程附记 2 布氏硬度的表示方法布氏硬度的表示方法 170 HBS HBW 10 1000 30 3 应用范围应用范围 硬度不是很高的材料 4 优缺点优缺点 优点优点 硬度值代表性全面 数据稳定 测量精度较高 与其它力学性能有一定的关系 HB 3 b b 单位为 kgf mm2 缺点缺点 操作时间较长 对不同材料需要不同压头和 试验力 压痕测量费时 进行高硬度试验时 由于球 体本身的变形使测量结果不准确 因压痕大 不宜测 成品及薄件 2 2 洛氏硬度 洛氏硬度 1 测试原理测试原理 采用金刚石圆锥体或淬火钢球压头 压入 金属表面后 经规定保持时间后卸除试验力 以测量 的压痕深度来计算洛氏硬度值 理理 论论 课课 教教 案案 附附 页页 12 教学方法主要教学内容和过程附记 对照图 讲解 试验过程 1 测量时 先加初试验力 F0 压入深度为 h1 目的 是消除因零件表面不光滑而造成的误差 2 然后 再加主试验力 F1 在总试验力 F1 F0 的作 用下 压入深度为 h2 3 卸除主试验力 由于金属弹性变形的恢复 使压头 回升到 h3的位置 则主试验力所引起的塑性变形的压痕深度 e h3 h1 HR 002 0 eK K 0 2mm 金刚石圆锥体压头 K 0 26mm 钢球压头 洛氏硬度计 结构简介 洛氏硬度没有单位 试验时硬度值直接从硬度计的表 盘上读出 2 常用洛氏硬度标尺及其适用范围常用洛氏硬度标尺及其适用范围 为了用一台硬度计测定从软到极硬的村料的硬度 可 采用不同的压头和载荷组成不同的洛氏硬度标尺 每一种 标尺用一个字母在洛氏硬度符号 HR 后面加以说明 15 种洛 氏标尺 常用的洛氏硬度标尺是 A B C 三种 各种不同标尺的洛氏硬度值不能直接比较 但可用实验 测定的换算表相互转换 理理 论论 课课 教教 案案 附附 页页 13 教学方法主要教学内容和过程附记 洛氏硬度表示方法 45 HRC C 标尺洛氏硬度 3 3 优缺点优缺点 优点优点 压头 载荷多种 可以测出从极软到极硬的各 种不同的材料硬度 不存在压头变形问题 压痕小 对于一般工件不会造成损伤 操作简单 迅速 可直接得出硬度值 生产效率 高 适用于成批生产中的产品检验 缺点缺点 不同的硬度标尺测得的硬度值无法统一进行比 较 因压痕小 对于具有粗大组织结构的材料或组 织不均匀的材料 缺乏代表性 采用不同部位测试多次 取平均值 HRC HB 10 1 3 3 维氏硬度 维氏硬度 布氏硬度试验时 为了避免因钢球永久变形而影响硬 度值的准确性 只可测量硬度小于 450HBS 或 650HBW 的金 属材料 洛氏硬度试验虽可测各种材料的硬度 但需采用不同 的压头和载荷 标尺不同 硬度值之间彼此没有联系 没 有可比性 为了使从软到硬的各种金属材料有一个连续一致的硬 度标准 制定了维氏硬度试验法 理理 论论 课课 教教 案案 附附 页页 硬度值 C 标尺洛氏硬 度 14 教学方法主要教学内容和过程附记 1 测试原理测试原理 与布氏硬度基本相同 将相对面夹角为 1360的正四棱锥体金刚石压头以选定 的试验力压入试样表面 经规定保持时间后卸除试验力 用测量压痕对角线的长度来计算硬度 HV 0 1891 2 d F 实际工作中 HV 不用计算 查表查出 维氏硬度试验力可根据试件的大小 厚薄及条件进行 选择 2 表示方法表示方法 与布氏硬度相同 640HV 30 3 优缺点优缺点 优点优点 不存在布氏硬度试验时载荷 P 和 压头直径 D 所规定条件的结束 压头变形问题 不存在洛氏硬度试验硬度值无法统一的问题 载荷可以任意选取 材质也不论软硬 测量数据稳定可靠 精度高 因施加的试验力小 压入深度较浅 故可测较薄 的材料 也可测渗碳 渗氮层硬度 维氏硬度具有连续性 10 1000HV 故可测定 很软到很硬的材料硬度 且准确性高 理理 论论 课课 教教 案案 附附 页页 硬度值 维氏硬度 30kgf 试验力 15 教学方法主要教学内容和过程附记 缺点缺点 测量压痕对角线的长度较繁 须测长度查表 或计算 得硬度值 测量效率不 高 压痕小 对试件表面质量要求较高 Ra 0 2 m 前面所讲的强度 塑性 硬度等是在静载荷作用下材 料所表现出的抵抗能力 实践中 有许多机械零件在工作 中要受到冲击载荷的作用 如汽车的起动 刹车 速度的 突然改变等 都会使零件受到冲击 还有一些机械零件本 身就是利用冲击能量来进行工作的 如锻锤 冲床等 在 这样的工作条件下 如仍只考虑金属材料静载荷的力学性 能 将不能满足使用要求 这时必须考虑在冲击载荷作用 下金属材料的抵抗能力 四 冲击韧性四 冲击韧性 金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击 韧性 1 冲击试样冲击试样 为了比较不同材料的冲击韧度值 必须采用一定尺寸 和形状的试样 标准试样 尺寸 10mm 10mm 55mm 缺口 U 型 V 型 国外 缺口作用 冲击时使试样在缺口附近造成应力集中 使塑性变形局限在缺口附近不大的体积范围内 并保证在 缺口处发生破断 以便正确测定材料承受冲击载荷的能力 16 理理 论论 课课 教教 案案 附附 页页 教学方法主要教学内容和过程附记 2 2 冲击试验的原理及方法冲击试验的原理及方法 冲击试验是利用能量守恒原理 试样被冲断过程中吸收 的能量等于摆锤冲击试样前后的势能差 冲击试验 将待测的金属材料加工成标准试样 将标准试样放置在试验机的支座上 放置时试样缺 口应背向摆锤的冲击方向 将具有一定 G 的摆锤升至一定的高度 H1 摆锤自由落下将试样冲断 AK GH1 GH2 G H1 H2 K J cm2 冲击韧度 0S AK K越大 表明材料的冲击韧性越好 K有 KV和 KU 3 小能量多次冲击试验小能量多次冲击试验 实践证明 承受冲击载荷的零件 很少因一次大能量 冲击而遭破坏 绝大多数是在一次冲击不足以使零件破坏 的小能量多次冲击作用下破坏的 举例 45Cr 制作的模锻锤杆 工作时要受到冲击载荷 的作用 按照旧的工艺 通常进行调质处理 硬度为 20 23HRC K 130J cm2 结果使用寿命仅一个月 现 根据小能量多次冲击的观点 改变热处理工艺为淬火后中 温回火 其硬度为 45HRC K 40J cm2 经对照 采用后 一种热处理工艺 工件的强度 硬度提高了 虽然 K降低 但使用寿命提高到八个月以上 17 理理 论论 课课 教教 案案 附附 页页 教学方法主要教学内容和过程附记 这说明在小能量多次冲击条件下 冲击抗力不取决于 K的大小 它们的破坏是由于多次冲击损伤的积累 导致 裂纹的产生与扩展的结果 根本不同于一次冲击的破坏过 程 影响因素 加载速度 体积因素 加载过程引起的振 动等 实践表明 一次冲击韧度高的材料 小能量多次冲击 抗力不一定高 反过来也一样 因此 需用小能量多次冲击试验来检验此类金属的抗 冲击能力 试验原理试验原理 试样在冲头多次冲击下断裂时 经受的冲 击次数 N 代表抗冲击能力 实践证明 大能量冲击 冲击抗力取决于大能量冲击 冲击抗力取决于 K K 小能量多次冲击 冲击抗力取决于强度 塑性 小能量多次冲击 冲击抗力取决于强度 塑性 五 疲劳强度五 疲劳强度 1 1 疲劳的概念 疲劳的概念 交变应力 许多机械零件 在工作过程中各点的应力 随时间作周期性的变化 这种随时间作周期性变化的应力 金属的疲劳 在交变应力作用下 虽然工作应力低于 材料的屈服点 但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然 发生完全断裂的现象 疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一 约 80 以上 属于疲劳破坏 2 2 疲劳破坏的特征 疲劳破坏的特征 1 疲劳破坏往往是在工作应力低于材料屈服强度的 情况下发生 2 疲劳断裂是在事先无明显塑性变形的情况下突然 发生 故具有很大的危险性 18 理理 论论 课课 教教 案案 附附 页页 教学方法主要教学内容和过程附记 3 零件表面状态对疲劳强度的影响较大 如表面擦 伤 刀痕 打记号 磨裂等 表面粗糙度 加工纹路 腐 蚀等等 表面很小的伤痕都会造成尖锐的缺口 产生应力 集中 使疲劳强度大大下降 4 疲劳破坏的宏观断口由两部分组成 即疲劳裂纹 的策源地及扩展区 光滑部分 和最后断裂区 粗糙部分 疲劳破坏的原因 是由于材料表面或内部有缺陷 夹 杂 划痕 显微裂纹等 这些地方的局部应力大于屈服点 从而产生局部塑性变形而导致开裂 这些微裂纹随应力循 环次数的增加而逐渐扩展 直至最后承载的载面减小到不 能承受所加载荷而突然断裂 3 3 疲劳曲线和疲劳极限 疲劳曲线和疲劳极限 疲劳曲线 交变应力与循环次数的关系曲线 曲线表明 金属承受的交变应力越小 则断裂前的应 力循环次数 N 越多 反之 N 越少 疲劳极限 金属材料在无限多次交变应力作用下而不疲劳极限 金属材料在无限多次交变应力作用下而不 破坏的最大应力 破坏的最大应力 19 理理 论论 课课 教教 案案 附附 页页 教学方法主要教学内容和过程附记 当应力为对称循环时 用 1表示 1 0 5 b 实际上 金属材料不可能作无数次交变载荷试验 一般规定 黑色金属黑色金属 规定应力循环10107 7周次周次而不断 裂的最大应力 有色金属 不锈钢有色金属 不锈钢取10108 8周次周次 影响疲劳极限的因素影响疲劳极限的因素