1.1材料的力学性能

第一章金属材料基础知识 神舟一号飞船 黑色金属及其合金 钢铁材料有色金属及其合金 金 银 铜 铝 镁 钛等 1 1金属材料的性能 材料性能包括工艺性能和使用性能两方面 1 工艺性能 材料在加工过程中表现出的性能 包括铸造 流动性 收缩性 锻压 塑性和变形抗力 焊接 焊接性 热处理和切削性能 适当的硬度170 230HBS和足够的脆性 等 工艺性能直接影响零件加工后的质量 是选材和制定零件加工工艺路线时应当考虑的因素之一 何为力学性能 材料在外力作用下所表现出来的性能 常见的力学性能有哪些 静态力学性能 弹性 刚度 强度 塑性 硬度动态力学性能 韧性 疲劳强度这些力学性能指标是机械零件的设计 选材以及制定加工路线的依据 2 使用性能 材料使用过程中所表现的性能 包括力学性能 物理性能和化学性能 金属的弹性 刚度 强度 塑性等指标都可以通过拉伸试验来测定 应力 P F0应变 l l0 l0 拉伸试验 一 弹性和刚度 1 弹性 含义 外力作用下不产生永久变形的性能 指标 弹性极限 e 即材料承受最大弹性变形时的应力 注 弹性极限 e是工作中不允许有微量塑性变形零件 如精密的弹性元件 炮筒等 的设计与选材的依据 Fe S0 2 刚度含义 材料受力时抵抗弹性变形的能力 指标 弹性模量E E的大小主要取决于材料本性 除随温度升高而降低外 其他强化手段如热处理 冷热加工 合金化等对E的影响很小 可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度 注 绝大多数机械零件是在弹性状态下工作 一般不允许有过量的弹性变形 更不允许有明显的塑性变形 所以对刚度都有一定要求 如机床主轴 导轨 镗杆等 都要求有足够的刚度 否则降低精度 二 强度与塑性 1 强度含义 材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力 指标 两个 1 屈服强度 s 材料发生微量塑性变形的最低应力值 屈服点 Fs S0 单位 Mpa 条件屈服强度 0 2 规定试样产生残余变形量为0 2 时的应力值 注 机械零构件发生少量塑性变形后会降低工作精度或影响与其他零件的配合 因此一般不允许发生塑性变形 所以 s 0 2是机械零构件设计和选材的主要依据 2 抗拉强度 b 材料断裂前所承受的最大应力值 Fb S0 单位Mpa也是设计选材的重要依据 金属材料的强度与化学成分和工艺过程有关 尤其是热处理工艺密切相关 纯金属的 b较低 纯铁为200Mpa 对于退火态的三种铁碳合金 含碳分别为0 2 0 4 0 6 的铁碳合金 b为350Mpa 500Mpa 700Mpa 合金钢 b的可达1000 1800Mpa 含碳0 4 的铁碳合金淬火高温回火后 b可提高到700 800Mpa 铜 b为60Mpa 铝 b为40Mpa 铜合金 b达600 700Mpa 铝合金 b一般为400 600Mpa 2 塑性含义 材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力 指标 两个 伸长率 断面收缩率 断裂后 拉伸试样的颈缩现象 说明 用 表示塑性比伸长率 更接近真实变形 与试样尺寸有关 d0相同时 l0 故 5 10 只有l0 d0为常数时 才有可比性 时 无颈缩 为脆性材料表征 时 有颈缩 为塑性材料表征注 1 塑性是压力加工成型的重要参数 另一方面材料具有一定的塑性可提高零件使用的可靠性 防止突然断裂 2 塑性指标不直接用于工程计算 只根据经验选择 一般长试样 达5 达10 即可满足绝大多数零件要求 复习与思考题 1 某厂购进一批钢材 从中制取d0 10mm的圆形截面短试样 经拉伸实验后 测得Fb 33 81KN Fs 20 68KN Lk 65mm dk 6mm 试问这批钢材的力学性能是否合格 注 GB699 88规定此种钢材的力学性能判据 b 375MPa s 225MPa 5 27 55 2 一紧固螺钉在使用过程中发现有塑性变形 是因为螺钉材料的力学性能哪一判据的值不足 三 硬度 含义 是指材料在外力作用下抵抗局部变形 特别是塑性变形 压痕或划痕的能力 通俗说材料抵抗外力压入其表面的能力 硬度是衡量材料软硬程度的判据 硬度判据 布氏硬度HB洛氏硬度HR维氏硬度 测量方法 硬度实验法 布氏硬度HB 布氏硬度计 1 测量方法 用直径D钢球或硬质合金球 一定载荷p 保持一定时间卸除 由读数显微镜测得压痕直径d 计算得到 单位Mpa 注 实际应用中 不需计算 根据d查布氏硬度表即可 2 符号及标注符号 HBS 钢球 适于HB 450的材料 HBW 硬质合金球 适于HB 650的材料 标注方法 数值符号直径 D 载荷 kgf 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 保持时间为10 15S时省略时间标注 布氏硬度压痕 3 应用布氏硬度的优点 测量误差小 数据稳定 缺点 压痕大 不能用于太薄件 成品件及比压头还硬的材料 适于测量毛坯件及退火 正火 调质钢 铸铁及有色金属的硬度 材料的 b与HB之间的经验关系 对于低碳钢 b MPa 3 6HB对于高碳钢 b MPa 3 4HB对于铸铁 b MPa 1HB或 b MPa 0 6 HB 40 2 洛氏硬度 1 测量方法 顶角120 的金刚石圆锥或D1 588的淬火钢球 先加初载F1再加主载F2 保持一定时间卸除F2 测得压痕深度h 由主载引起的 HR k h1 h0 0 002注 实际测量时 可直接从刻度盘读到硬度值 符号 HR常用三种标度符号 HRAHRBHRC标注方法 数值 符号如 HRC HRA 2 符号及标注 3 应用 压痕小 在批量成品或半成品质量检验中广泛应用 并可测量较薄的工件或较薄的硬化层 HRA用于测量高硬度材料 如硬质合金 表淬层和渗碳层 HRB用于测量低硬度材料 如有色金属和退火 正火钢等 HRC用于测量中等硬度材料 如调质钢 淬火钢等 洛氏硬度的优点 操作简便 压痕小 适用范围广 缺点 测量结果分散度大 不均匀材料结果可靠性差 3 维氏硬度 1 测量 原理同布氏 测压痕对角线d查表 压头 锥面夹角136 金刚石正四棱锥体 符号 HV标注 数值 符号 载荷值 保持时间如640HV30 20 2 符号及标注 3 应用 载荷小 可调范围大 对软硬材料都适用 即可测大块材料 表面硬化层的硬度 又可测金相组织中不同相的硬度 但维氏硬度实验的生产率不如洛氏硬度高 不宜用于大批量的常规检验 注 各种硬度值之间不能直接进行比较 必须通过相应硬度换算后才能比较 如61HRC 627HBW 803HV30 四 冲击韧性 含义 是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力 冲击载荷 以较高的速度作用于工件上的载荷 当零件承受冲击载荷时 瞬间冲击所引起的应力和变形要比静载荷大得多 因此这类零件的选材要考虑冲击性能 指标 冲击功Ak 冲击力作用下材料变形和断裂所吸收的能量 Ak由试验机刻度盘上读出J 冲击韧性值ak Ak SN J cm2 摆锤式一次冲击试验 冲击试样 夏比V型缺口夏比U型缺口 注 1 工作中承受大能量冲击载荷的零件选材时必须考虑冲击韧性 以免突然断裂 而冲击能量不大 材料承受多次冲击的能力仍主要取决于强度 故ak值一般不直接用于计算仅作参考 2 ak对组织缺陷 内部结构十分敏感 因此冲击试验是用来检验冶炼 热处理及热加工质量的有效方法之一 3 韧脆转变温度Tk 材料的冲击韧性ak随温度下降而下降 在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变 材料由韧性状态向脆性状态转变的温度称韧脆转变温度 材料的工作温度要高于Tk才能正常工作 由于韧脆转变温度的存在 使得有些材料在室温工作时不显示脆性 而在低于Tk温度工作时则发生脆断 这一现象叫冷脆或低温脆断 对于寒冷地区或低温下工作的机械和工程结构 如运输机械 地面建筑 输送管道 工作环境温度可能在 50 50 之间 因此材料要具有较低Tk的才能正常工作 韧 体心立方金属具有韧脆转变温度 而大多数面心立方金属没有 TITANIC 建造中的Titanic号 TITANIC的沉没与船体材料直接有关 Titanic号钢板 左图 和近代船用钢板 右图 的冲击试验结果 何为疲劳 材料在低于 s的循环交变应力作用下发生断裂的现象 举例 疲劳强度的含义 材料抵抗疲劳破坏的能力 指标 疲劳极限 材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限 用 N表示 对称循环交变应力 1 钢铁材料规定次数为107 有色金属合金为108 五 疲劳强度 疲劳试验 疲劳曲线 材料承受的交变应力与断裂前循环次数N之间的关系曲线 疲劳断口 疲劳对缺陷 如缺口 裂纹 划痕及组织缺陷 十分敏感 提高疲劳极限的途径 改善材料的形状结构 结构设计时避免尖角 缺口 截面突变 避免应力集中 加工时 提高表面光洁度 以减少能成为疲劳源的表面缺陷 冶金方面 提高冶炼质量 减少夹杂 缩孔 缩松等缺陷 进行表面强化 化学热处理 表面淬火 喷丸 滚压等 使表面获得残余压应力 可提高材料疲劳抗力 机械零件的传统强度设计一般是用材料的屈服强度 0 2确定其许用应力即 0 2 n这种设计是假定材料是均匀 连续 各向同性的 一般认为只要零件在许用应力下工作即是安全可靠的 但实际情况远非如此 有时一些高强度 超高强度钢的机件或中低强度钢的大型 重型结构即使工作应力远低于许用应力也会发生意外断裂 这种在屈服强度以下发生的断裂称为低应力脆断 六 断裂韧性 油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷 微裂纹 有关 应力场强度因子 描述裂纹尖端附近应力场强度的指标 力学参量 断裂韧性 材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力 应力场强度因子 C为断裂应力 aC为临界裂纹半长 单位为 材料中存在微裂纹时裂纹尖端附近受力不均匀 出现应力集中 形成裂纹尖端应力场 注 断裂韧性K C是材料固有的力学性能指标 是材料强度和韧性的综合体现 它与裂纹大小 形状和外加应力等无关 主要取决于材料的成分 内部组织和结构 注 根据K 与K C相对大小可判断材料工作时是否会低应力脆断 K K C裂纹不扩展或较慢K K C失稳脆断根据这个判据可解决三个问题 1 测定K C 试验测定 探伤测裂纹尺寸a 可确定零件的最大承载能力 为载荷设计提供依据 2 已知K C及零件的工作应力 可确定允许的最大裂纹尺寸ac 为制定裂纹探伤标准作依据 3 根据工作应力及裂纹尺寸 确定所需材料的K C 为正确选材提供依据 小结 1 强度判据 屈服极限 s 0 2 弹性极限 e 抗拉极限 b 是设计选材依据 检查材质标准的主要依据 2 塑性判据 断后伸长率 断面收缩率 是设计选