金属材料的力学性能 (课堂PPT)

JINSHUCAILLIAODELIXUEXINGNENG,多媒体技术,金属材料的力学性能,1,.,金属材料的常用五大力学性能指标。,掌握金属力学性能的基本概念及其指标；认识拉伸曲线图，掌握强度、塑性的衡量指标及其意义；掌握常用硬度的测试方法及适用范围。掌握冲击韧度、疲劳强度的衡量指标及其意义。,知识目标：,能力目标：,能根据拉伸曲线图比较不同金属材料的强度、塑性；能根据材料及其热处理状态，正确选用硬度测试方法；能根据力学性能指标合理选用金属材料。,重点及难点：,2,.,3,.,铸造性锻造性焊接性热处理工艺性切削加工性,金属材料的性能：,物理性能化学性能力学性能,使用性能、工艺性能,4,.,金属的力学性能,金属材料在各种载荷(外力)作用下表现出来的抵抗变形和破坏的能力。,载荷（外力）形式：,载荷分类：,包括：强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳强度,5,.,一、强度,6,.,2、拉伸试样,长试样,（1）圆柱形试样,短试样,（2）板状试样,L0、d0是规定的标准值通常，L0取100mm或者50mm,7,.,3、拉伸曲线分析（低碳钢）,弹性变形变,微量塑变,屈服,均匀塑变,缩颈,局部塑变,断裂,8,.,4、低碳钢的应力-应变曲线,应力=F/A0应变=L/L0,9,.,几种常见金属材料的应力-应变曲线,1-铝青铜2-低碳钢（C，0.35%）3-硬铝4-铜,10,.,抵抗塑性变形和断裂的能力越大，则强度越高。,按载荷作用方式不同，强度可分为：抗拉强度、抗弯强度、抗压强度、抗剪切强度,工程上常用的强度指标：屈服强度、抗拉强度,11,.,1、屈服强度,屈服,1）符号,s,2）大小,s=Fs/Ao,3）意义,屈服强度表示材料抵抗塑性变形的能力；是塑性材料选材的依据。,（产生屈服现象的最低应力）,弹变,塑变,2、抗拉强度,12,.,铸铁的应力-应变曲线,有些金属材料在拉伸时无明显的屈服现象（如左图的铸铁），无法测定其屈服强度s。按GB/T228-2002规定，可用条件屈服强度0.2表示。,含义：残余变形量为0.2%时的应力值。,13,.,2、抗拉强度,强度指标,缩颈,1）符号,b,2）大小,b=Fb/Ao,3）意义,材料抵抗断裂的能力；是选材的依据,（断裂前的最大应力）,塑变,断裂,14,.,金属材料在断裂前产生永久变形的能力。,塑性指标,伸长率,（）,断面收缩率,（）,二、塑性,=（L1-L0）/L0100%,试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比,L0试样原始标距（mm）L1试样拉断后标距（mm）,注意：当L0=10d0时，伸长率用（10）表示；当L0=5d0时，伸长率用5表示；直径d0相同时，L0，。只有当L0/d0为常数时，塑性值才有可比性；同一材料的试样长短不同，测得的伸长率数值是不相等的（一般有5）；比较不同材料的伸长率时，应采用尺寸规格一样的试样。,15,.,试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。,A0试样原始横截面积（mm2）A1试样拉断后缩颈处最小横截面积（mm2）,=(A0-A1)/A0100%,说明：用断面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形；,塑性指标,16,.,塑性好，利于材料成形加工（锻压、轧制等）；,塑性好，可以防止过载，避免突然断裂；,伸长率和断面收缩率数值越大，材料的塑性越好；,拉伸试样的缩颈现象,塑性意义,17,.,材料抵抗表面局部塑性变形的能力。衡量金属软硬程度的一种性能指标。,三、硬度,18,.,硬度指标,19,.,布氏硬度,（1）试验原理,20,.,布氏硬度,（2）计算公式,21,.,布氏硬度,（3）试验规范GB/T231.12002压头：10mm、5mm、2.5mm、1mmF/D2：30、15、10、5、2.5、1试验力：钢铁材料为1015s，有色金属为30s，布氏硬度值35时为60s,（4）表示方法符号HBW之前的数字表示硬度值,符号后面的数字按顺序分别表示压头直径、载荷及载荷保持时间（1015s不标注）。如120HBW10/1000/30表示直径为10mm的硬质合金球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下，保持30s测得的布氏硬度值为120。,22,.,布氏硬度压痕,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，操作麻烦。适于测量退火、正火、调质钢，铸铁及有色金属的硬度。,布氏硬度,（5）优缺点及应用范围,23,.,洛氏硬度,（1）试验原理,24,.,洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。,洛氏硬度,25,.,符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。,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。,洛氏硬度,26,.,维氏硬度,27,.,维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。根据载荷范围不同，规定了三种测定方法维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。,维氏硬度,28,.,硬度测试方法比较,金刚石圆锥,压痕面积,测量准确,损伤大操作繁,450HBW,软材料：有色,软钢毛坯半成品,淬火钢球,压痕深度,损伤小较迅速,不够准确不连续,45HRC,表层薄而硬,有色,软钢成品、薄件,各种淬火钢,金刚石四棱锥,压痕面积,准确连续性,不适于成批,800HV,从软到硬更宜：更薄更硬,硬质合金球,金刚石圆锥,29,.,金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。,四、冲击韧度,冲击试验,指标为冲击韧性值ak(通过冲击实验测得)。,30,.,冲击韧性值（ak）,试样冲断时所消耗的冲击功Ak为：,Ak=mghmgh(J),冲击韧性值（ak）就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。,31,.,测定冲击韧性值的意义1）评定材料相对韧性的大小2）评定材料的变脆倾向,材料的冲击韧性随温度下降而下降。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。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。,韧,32,.,TITANIC,建造中的Titanic号,TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关,33,.,Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果,34,.,五、疲劳强度,35,.,36,.,5、疲劳断裂原因与提高疲劳强度途径：,影响疲劳强度的因素：应力集中；材料内部组织缺陷；机加工精度；表面状态、残余应力,提高疲劳强度的途径：零件结构设计尽量避免尖角、缺口和截面突变；减少材料组织缺陷；减小表面粗糙度；采用表面强化处理。,动静万能疲劳试验机,37,.,六、小结,塑性判据,强度判据,疲劳强度-1,韧性判据,动载,维氏硬度51000HV,受循环交变载荷零件的选材、检验依据,金属力学性能,静载,屈服点,抗拉强度b断裂前的最大应力,断后伸长率5%,断面收缩率10%,硬度判据,布氏硬度650HBW,洛氏硬度,冲击韧度k,受冲击零件的选材、检验依据,疲劳判据,s塑性材料产生明显塑性变形的抗力,（抵抗塑性变形的指标）,0.2脆性材料无明显塑性变形的抗力,（抵抗断