一章力学性能.ppt

1,金属材料及热处理,Materialofmechanicalengineering,总学时：32实验学时：6讲课学时：26,材料学院林晓娟副教授,2,问题1：请说出在金工实习中操作过哪些设备和钳工工具？,答：车床、铣床、磨床、电焊机，台虎钳、手工锯、锉等。,问题2：,（1）车床床身是何种材料？,灰铸铁（HT200）,（2）锉是何种材料制做？,碳素工具钢（T12）,（3）车刀刀体、刀尖分别是什么材料？,车刀刀体是45钢，刀尖是硬质合金,为什么是这些材料，而不是用别的材料制做呢？,3,绪论,常用的材料：钢铁、木材、塑料、水泥,材料分：金属材料、非金属材料、复合材料,金属材料指钢铁、有色金属等材料,非金属材料无机高分子材料（陶瓷、水泥、木材等），有机高分子材料（如塑料、橡胶），复合材料-玻璃钢、碳纤维复合材料、硼纤维材料。,现在新材料-纳米材料、智能材料,4,材料按物质结构不同分：金属材料、非金属材料（有机高分子材料和陶瓷材料)、复合材料材料按用途不同分：机械工程材料、土木工程材料、电工材料、电子材料材料按功能不同分：结构材料、功能材料、磁性材料等,5,一、什么是材料？,材料是人类用以制作有用物件的物质。最近发展起来或正在发展之中的具有特殊功能和效用的材料叫新材料。,二、材料是人类进步的里程碑。,6,材料发展概括,天工开物明朝科学家：宋应星箸,石器时代,铜器时代：,司母戊鼎（公元前1116世纪）11307801100,战国编钟（前475221年）65个总重2500Kg,天然石，兽骨，树枝,铁器时代沧州大狮（公元953年）重50T,长5.3m,宽3m,人工复合材料,塑料、橡胶、陶瓷、钛合金、碳纤维、纳米等,钢铁时代,18-20世纪,7,旧石器时代晚期，残长8.2厘米，北京周口店出土。,骨针,8,(新石器时代山东龙山文化，约4800年)高29.7厘米，1960年山东潍坊市出土，现藏山东省博物馆。,白陶,9,旧石器时代早期，北京市房山区周口店第一地点出土,石锤、石钻,10,石镰长20.6厘米新石器时代晚期,11,人面鱼纹彩陶盆,(新石器时代仰韶文化，约5000年)高16.5厘米,口径39.5厘米。20世纪50年代陕西省西安市半坡村出土,现藏中国历史博物馆。,12,13,越王勾践剑，春秋晚期，距今2400多年,14,青花牡丹纹水注,15,秦始皇陵出土的铜车马(公元前200多年),车通长3.17米，高1.06米，相当于真车马的一半,总重量为1241公斤。,16,永乐大钟通高5.5米，口径3.3米，重约46吨，以“五绝”荣获“钟王”之誉：1.形大量重、历史悠久、历史内涵最为丰富；2.钟身内外整齐地铸有23万多字的汉文、梵文佛经铭文，是铭文字数最多的大钟；3.有世界第一流的声学特性,轻击，圆润、深沉，重击，纯厚、洪亮,钟声悠雅感人,益寿延年,钟声可传4050公里；4.钟体力学结构设计合理。5.铸造工艺精美绝伦而又朴实无华，天人合一。,17,18,沧州铁狮铸造于公元953年。铁狮子通高5.78米，身长6.5米，体宽3.17米，重约40吨,19,商晚期，是我国现已发现的较大的方尊，高五十八点六厘米，重近三十四点五公斤。整个器物用块范法浇铸，一气呵成，鬼斧神工，显示了高超的铸造水平。,20,本课程的性质和目的,2、目的：,a获得有关金属热处理、金属材料的基本知识。,c具有选择零件材料的能力，确定加工工艺路线的能力。,d为后续课程和从事技术工作打下基础。,1、性质：,本课学习方法是：预习、笔记、复习、讨论问题本教材的重点：常见的材料牌号及应用，钢的热处理,21,第一章工程材料的力学性能,Mechanicspropertiesofmetals,材料的性能,使用性能力学、物理、化学,工艺性能铸造、锻压、焊接、切削加工,力学性能：受外力作用下所表现出的性能。,判据如：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等,第一节强度与塑性,一、强度strength,概念：强度是指金属抵抗永久变形（塑性变形）和断裂的能力。通过拉伸试验测得大小。,强度判据：屈服点（屈服强度）、抗拉强度,22,23,试验前试样,试验后试样,试样按GB/T228-2002制取，分长试样L0=10d0,短试样L0=5d0,说明：,24,分析拉伸曲线,、弹性变形阶段：e,、弹塑性变形阶段：,es,、屈服点,载荷增加到S点时，拉伸曲线出现锯齿形平台，即载荷在基本保持不变的情况下试样继续产生塑性伸长，这种现象叫屈服。点叫屈服点。,屈服极限,脆性材料,弹性模量,25,、颈缩现象,抗拉强度,、断裂颈缩产生后，金属材料继续变形，所需载荷下降，时试样在颈缩处断裂。,26,说明：单位面积上的内力称应力。,L长度Length单位：mm,A截面积Area单位：mm2,F外力Force单位：N,s屈服点的值单位：MPa（兆帕）megapascal,屈服点,概念：力不增加仍能继续伸长时的应力。用符号：s表示,抗拉强度,概念：试样拉断前所承受的最大拉应力。用符号：b表示,补充：bb表示抗弯强度,注：s、b是设计与选材的重要依据,另：e表示弹性极限。在外力作用下产生弹性变形时所承受的最大拉应力。,27,二、塑性plasticity,概念：在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。,判据：断后伸长率、断后断面收缩率,断后伸长率Percentageelongationafterfracture,概念：试样断后标准的伸长量与标准的百分比。用符号表示。,其中：Lk断后试样长度Lo试样原始长度,断后断面收缩率,概念：断后截面处面积的最大缩减量与原始截面面积百分比。用符号表示。,说明：伸长率和收缩率在实际应用中，一般是用表示塑性大小。,、越大，材料的塑性越好。通常认为5%脆性材料。,28,注意：GB/T2282002金属材料室温拉伸试验方法规定：断后伸长率A表示；断面收缩率Z表示；屈服强度Re表示；抗拉强度Rm表示；此规定代替GB228-87，从2002年7月执行。,29,第二节硬度Hardness,硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度是衡量材料软硬程度的判据。,一、布氏硬度BrinellHardness,用符号：HB表示,N/mm2(Kgf/mm2)。,说明：,1、压头为硬质合金，用HBW表示，数值450650,2、表示法：数字在前、字母在后。如500HBW550HBW575HBW；标注时不要写成HBW=600，或HBW=450475，不要出现单位；数值差不要超过30。,3、不宜测量薄件、成品件。因压痕大。,F,D,工件,压头：钢球或硬质合金,d,30,31,二、洛氏硬度RockwellHardness,原理是用120的金刚石圆锥或尺寸很小的淬火钢球作为压头，在一定的压力作用下，压入材料表面，在指示盘上显示出硬度值大小。常用的是用符号HRC表示。没有单位。,注：GB/T23091规定有15种表示硬度方法，常见的有A、B、C三种，如HRA、HRB、HRC、HRD、HRE等，因施加压力和压头材料不同而出现了不同的标尺A、B、C、D、E等,说明：1、数字在前、字母在后，如45HRC；35HRC38HRC2、HRC适用范围数值2070；小于或大于这个范围均为标注错误！如17HRC；75HRC；HRC=1519等。3、在图纸标注时注意数值差应5，否则为标注错误。4、适用于测量硬度较高的材料，如淬火钢件；测量成品件或半成品件。因压痕较小。压头直径1.588mm。,32,33,洛氏硬度的分类,HRAHRBHRC压头:金刚石直径金刚石圆锥体1.5875钢球圆锥体总载荷/N:588.37980.671471.07应用：高硬度较软材料，淬火钢材料，如如退火钢，等硬材硬质合金铜铝等料范围：70-85HRA25-100HRB20-67HRC,34,维氏硬度(英国的维克斯Vickers公司)维氏硬度的试验原理与布氏硬度的试验原理相同，但维氏硬度试验的压头不是钢球，而是用两面夹角为136的金刚石四棱锥体作为压头。试验时测出压痕对角线长度以计算压痕的表面积，以F/A的数值表示维氏硬度值。,35,维氏硬度载荷小（49.1，98.1，196.2，294.3，490.5，981N五种），压痕深度浅，适应于测量较薄的材料或表面硬化层的硬度，所以维氏硬度广泛用来测定金属镀层、薄片金属以及化学热处理后的表面硬度。,HV=1.8544F/d2(MPa)640HV400HV,36,压痕面积大，能反映金属在较大范围的组成的平均性能，数据稳定，重复性强,特点,缺点,硬度值可直接读出，压痕小，可在关键表面进行实验。,代表性差,压痕清晰，数据精确可靠。,硬度值的测定麻烦,压痕直径的测量麻烦，不宜在成品上实验,37,韧性是指材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力，是材料强度和塑性的综合表现。或指材料抵抗裂纹扩展的能力。,1.2动载时材料的力学性能,韧度是衡量材料韧性的力学性能指标。常用韧性指标：,（1）冲击韧度（2）断裂韧度,38,定义：冲击韧度是用来评价材料在冲击载荷作用下的脆断倾向的，它是指材料在冲击加载下吸收塑性变形功和断裂功的能力。指标：冲击吸收功AK(单位J)；冲击韧度ak(ak=AK/断裂面截面积，单位J/cm2)。意义：用来反映材料对一次或少次数大能量冲击破坏的抵抗能力和在此工作条件下材料对缺口的敏感性。,冲击韧度,39,40,第四节疲劳性能,疲劳断裂的概念零件在交变载荷作用下经较长时间工作而发生断裂的现象(交变载荷大小、方向随时间发生周期性循环变化的载荷。),41,(1)断裂时的应力远低于材料静载下的抗拉强度，甚至屈服强度,疲劳断裂属低应力脆断。(2)断裂前无论是韧性材料还是脆性材料均无明显的塑性变形，是一种无预兆、突然发生的断裂，因此危险性极大。,疲劳断裂的特点,42,疲劳断裂的基本过程,(1)裂纹的产生：由于材料本身的各种缺陷和结构等原因，使零件受力时局部产生应力集中，形成疲劳裂纹源，达到一定条件时，产生裂纹。,(2)裂纹扩展：裂纹形成后，在交变应力作用下将不断扩展。,(3)最后断裂：随着疲劳裂纹的扩展，有效承载面逐渐减小，当应力达到材料的断裂强度或断裂韧度时，发生快速断裂。,43,疲劳抗力指标疲劳极限(疲劳强度)-材料在“无数”次重复交变载荷的作用下而不破坏的最大应力。当交变应力循环对称时，疲劳极限用1表示。注：试验时，钢材的循环次数以107为基数。,影响疲劳极限的因素,44,(1)材料本质：材料的成分、组织以及纯度和夹杂物对疲劳极限有显著影响。(2)零件表面状况：疲劳裂纹源大多起始于零件的表面。零件表面的加工缺陷大大降低了疲劳极限。(3)载荷类型：载荷类型不同，疲劳极限不一样。(4)工作温度：温度升高，裂纹易产生和扩展，故降低了疲劳极限。(5)腐蚀介质：零件在腐蚀环境中，疲劳极限明显降低。,45,补充标准：国家标准工程建设（GBJ）；国家计量技术法规（JJG）；山东省企业标准（Q/）；城建行标（CJ、CJJ）；建材行标（JC）；建工行标（JG、JGJ）；山东省地方标准（DB37）；冶金行标（YB、YBJ）；,国际标准化组织标准（ISO）；InternationalStandardsOrganization,120,F,h,工件,压头,46,第三节冲击韧性与疲劳强度,Impacthardnessandfatiguestrength,一、韧性,韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力。韧性的判据通过冲击实验来测定。,1.摆锤式一次冲击实验,GB22994规定：将材料制成带有V型缺口标准冲击试样。,用符号：AKV表示J/cm2,说明：韧性值与温度有关；在20左右可不显脆性，温度降低后韧性值减小，易脆断。如：碳钢20以下，易发生脆断。此时的温度称脆性转变温度。,2.多次冲击试验,小能量多次冲击,注：冲击能量小时，取决于材料的强度；冲击能量大时，取决于材料塑性。,二、疲劳强度,用符号：-1（教材P10自己看）,47,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