金属材料的力学性能

金属材料的机械性能任何机械零件或工具在使用过程中都经常受到各种形式的外力影响。例如，起重机上的钢索受悬架拉力的影响。柴油机连杆在传递动力时，不仅受拉力的影响，还受冲击力的影响。轴零件受到弯矩和扭力等。这要求金属材料必须具有承受机械载荷的能力，而不超过允许的变形或损坏。这种能力是材料的机械性能。金属的弹性、强度、硬度、塑性和韧性等特性被用来测量金属材料在外力作用下的力学性能。钢的机械性能是保证钢最终使用性能(机械性能)的重要指标，它取决于钢的化学成分和热处理制度。在钢管标准中，拉伸性能(抗拉强度、屈服强度或屈服点、伸长率)以及硬度和韧性指标是根据不同的应用要求以及用户要求的高低温性能来规定的。金属材料的机械性能1.弹性和可塑性：弹性：金属材料在外力作用下变形的特性，当外力消除时，它能恢复原来的形状。力和变形同时存在和消失。例如，弹簧：弹簧通过弹性工作。塑性：金属材料在受到外力时产生永久变形而不造成损坏的特性。(金属之间的连续性没有被破坏)塑性尺寸用断裂后的塑性变形来表示。塑性变形：外力消失后，这部分留下的不可逆变形。2.强度：指金属材料在静态载荷下抵抗变形和断裂的能力。强度指数通常用单位面积的载荷表示，即力，单位为兆帕。工程中常用的强度指标包括屈服强度和抗拉强度。拉伸图：金属材料的所有力学性能，包括弹性变形、塑性变形和断裂，都可以用拉伸图来表示。常温静载荷下材料的宏观力学性能。它是确定各种工程设计参数的主要依据。这些机械性能应根据规定的试验方法和程序在材料试验机上通过标准样品进行测量，同时可测量材料的应力-应变曲线。对于韧性材料，有弹性和塑性两个阶段。弹性阶段的机械性能为：比例极限：应力和应变保持比例关系的最高应力极限。当应力小于或等于比例极限时，应力和应变满足胡克定律，即应力和应变成比例。弹性极限：弹性阶段的最大应力极限。在弹性阶段，载荷消除后，变形完全消失。这一阶段的变形称为弹性变形。大多数工程材料的比例极限和弹性极限非常接近，因此可以近似地认为在所有弹性阶段的内应力和应变都满足胡克定律。塑料台的机械性能为：屈服强度：材料屈服时的应力值。也叫收益率极限。当屈服时，应力不会增加，但应变会继续增加。屈服点：金属材料在拉伸过程中，在不增加(保持不变)力的情况下，样品可以继续拉伸而产生屈服现象的应力，称为屈服点。如果力下降，应区分屈服点的上限和下限。屈服点的单位是牛顿/平方毫米(兆帕)。上屈服点(ReH):样品屈服前的最大应力，力首次下降；较低屈服点(ReL):屈服阶段的最小应力，此时不考虑初始瞬态效应。条件屈服强度：对于一些没有明显屈服阶段的材料，当产生一定的塑性应变(例如0.2%)时的应力值被指定为条件屈服强度。如果应力超过屈服强度，然后卸载，弹性变形将全部消失，但剩余部分不会消失，这称为永久变形或塑性变形。规定的非比例伸长率强度(Rp):当非比例伸长率等于规定伸长率时的应力。强化和强度极限：在应力超过屈服强度后，材料将由于塑性变形而进行应变强化，即如果应变增加，应力将继续增加。这一阶段称为应变强化阶段。强化阶段的最大应力极限是强度极限(抗拉强度)。当应力达到强度极限后，试样会产生局部收缩变形，这称为缩颈。抗拉强度(Rm)在拉伸过程中，样品被拉开时受到的最大力(Fm)除以样品的原始横截面积(So)得到的应力(Rm)，称为拉伸强度，单位为N/mm2(MPa)。它代表了金属材料在张力下抵抗损伤的最大能力。公式是：Rm=Fm/So其中：Fm当样品被拉开时，样品将承受的最大力，n(牛顿)；So -样品的原始横截面积，mm2。工程中常用的塑性指标包括延伸率和断面收缩率。断裂后伸长率(a)在拉伸试验中，试样断裂后，长度的百分比增加了标准距离，原始标准距离的长度称为伸长率。单位为%。一般来说，大于5%是塑料，小于5%是脆性材料。断面收缩率(z)在拉伸试验中，直径减小时横截面积的最大减少量与拉伸试样后的原始横截面积的百分比称为横截面收缩率。以z表示，单位为%断面的伸长和收缩越大，塑性越好。相反，可塑性更差。良好的塑性是金属材料压力加工的必要条件，也是保证机械零件安全和防止突然脆性断裂的必要条件。对于脆性材料(A 5%)，没有明显的屈服和塑性变形阶段。当变形很小时，试样被拉下。此时的应力值称为强度极限。一些脆性材料的应力-应变曲线上没有明显的直线相，此时胡克定律是近似的。弹性模量由应力-应变曲线割线的斜率决定。压缩时，大多数工程延性材料具有与拉伸时相同的屈服强度和弹性模量，但没有强度限制。大多数脆性材料在压缩状态下的力学性能与在拉伸状态下的力学性能有很大的不同。例如，铸铁在压缩时会表现出明显的韧性，而试样在损坏时会表现出明显的塑性变形。裂缝将沿大约45的斜面切割，而不是沿横截面切割。强度极限比拉伸时高4 5倍。拉伸试验：拉伸试样的加工应按照GB/T228-2002的相关要求进行，分为长比例和短比例。例如，标准的圆形截面面试件有：长样本：Lo=10do至短样本：Lo=5do式中，L0是圆形截断试样的标准长度；Do是量规内样品的初始直径，通常为3 25毫米，大多数情况下do=10mm毫米。试件有四种类型：双肩头试件、单肩头试件、螺纹头试件和光滑圆柱头试件。下图是光滑圆柱头样品及其加工要求的简图。为了确定低碳钢断裂后的伸长率，应在样品量规范围内用线切割机(或小冲头)划一条圆周线(或小冲头)，量规距离Lo应分成10个等长的正方形。(a)图1-1拉伸试样测试原理拉伸试验是测量材料力学性能最基本的实验之一。材料的机械性能，如屈服点、抗拉强度、断裂后伸长率和断面收缩率，通过拉伸试验确定。低碳钢(1)绘制载荷-伸长曲线。试验机的绘图装置可以自动绘制以轴向力为纵坐标、以试样伸长为横坐标的载荷-伸长曲线(图)，如图1-2(a)所示。低碳钢的载荷-伸长曲线是一种典型的形式。整个拉伸变形分为四个阶段：弹性变形阶段、屈服阶段、强化阶段和缩颈阶段。(2)屈服点的确定。当载荷增加时，变形也与载荷成比例增加。该图显示了一条直线，这是线性弹性阶段。在线性弹性之后当负载增加到一定程度时，测力指针向后偏转，然后缓慢地前后摆动，相应地，在图上画出一条锯齿形曲线，这就是屈服阶段。抛光后，在屈服阶段可以观察到与轴线成约45的滑移线图案。屈服阶段初始瞬态效应后曲线最低点对应的载荷被视为较低屈服载荷，与之对应的应力被称为较低屈服强度。ReL=FPS/So在公式中，So是试样规格范围内的原始横截面积，单位为mm2，FPS是较低的屈服载荷，单位为N，ReL是较低的屈服应力，单位为兆帕。(3)抗拉强度的测定。屈服阶段后，随着荷载的增加，试件的承载力恢复，曲线上升，这是加固阶段。当载荷增加到最大值时，测力主动指针缩回，试样变得明显变薄和变长，曲线下降，试样的某一局部截面积迅速减小，出现“颈缩”现象，试样迅速被拉离，这就是颈缩阶段。试样断口的两侧呈凹凸状。拉伸强度是通过读取测功机上从动指针停止时的最大负载值来计算的。当测试中出现下列情况之一时，测试结果无效：1.当样品在量规外或在通过机械刻痕标记的量规标记上断裂，并且断裂后的伸长率小于规定的最小值时。2.测试期间设备故障影响了测试结果。冲击试验冲击韧性金属材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性。冲击韧性通常通过摆锤冲击弯曲试验来测量。冲击试验的原理如图所示。试验在摆锤冲击试验机上进行，标准样品水平放置在试验机支架上，缺口方向与冲击方向相反。在冲击过程中，具有一定质量g的摆被提升到具有一定高度H1的位置。使其获得一个定位能量GH1，在摆锤将样品吹向GH2后释放摆锤的剩余能量，然后摆锤所损失的势能将样品吹向GH1-GH2，这是样品变形和断裂所吸收的功。具体试验、方法和操作规范请参考GB/T229-1994。摆锤冲击试验机主要由机架、摆锤、样品支架、指示器和摆锤释放、制动和升降机构组成。目前，国内摆冲击试验机的种类很多，常用的有500J和300J冲击试验机。由于试验温度不同，冲击试验分为常温、低温和高温冲击试验。根据试样缺口的形状，可分为“V”型缺口和“U”型缺口冲击试验。冲击试验：在规定的试验机上，在冲击载荷作用下，将一定尺寸和形状(101055毫米)(长度方向中间有一个“U”或“V”形缺口，缺口深度为2毫米)的试样从缺口上折断的试验。冲击吸收功AKV(U)-具有一定尺寸和形状的金属样品在冲击载荷下断裂时吸收的功。单位是焦耳(j)。冲击韧性值AKV(U)-冲击吸收功除以样品缺口底部横截面积所得的商。单位是焦耳/平方厘米(j/cm2)。室温冲击试验温度为202；低温冲击试验的温度范围为10 192；高温冲击试验的温度范围为35 1000。冲击样品通常是标准样品，即551010毫米。当测试材料的厚度小于10 mm且不能制备标准样品时，可以使用宽度为7.5mm或5mm的小尺寸样品。低温冲击试验中使用的冷却介质通常无毒、安全、对金属和在试验温度下不会凝固的液体或气体无腐蚀性。如无水乙醇(酒精)、固体二氧化碳(干冰)或液氮雾化气体(液氮)等。国家标准规定冲击弯曲试验的标准样品分别为夏比(Charpy)U型缺口样品和夏比V型缺口样品。两个样品的形状和尺寸如图所示，测量的冲击吸收功分别记录为AkU和A千伏。此外，当测量陶瓷、铸铁或工具钢等脆性材料的冲击吸收功时，10毫米10毫米55毫米的缺口冲击试样样品应在规定的温度下保持足够长的时间。使用液体介质时，保温时间不得少于5分钟，使用气体介质时，保温时间不得少于20分钟。冲击吸收功的表达方法：V形缺口试样的冲击吸收功表示为Akv深度为2mm的U形缺口试样的冲击吸收功表示为Aku2。冲击试验中几种情况的处理；1.当试样由于试验机撞击能量不足而未完全断裂时，应在试验数据前增加符号“ ”,在其他情况下应标明“未断裂”。2.如果试验后试样断口上有可见的裂纹或缺陷，应在试验报告中注明。3.如果在试验中出现误操作或样品中断时出现粘锤现象，此时得到的结果不准确，试验结果无效，应重新进行试验。冲击韧性及其工程意义KV(Alpha KU)是一个综合力学性能指标，与材料的强度和塑性有关，单位为J/cm2。长期以来，kV(ku)一直被视为材料抗冲击载荷的力学性能指标，用来评价材料的韧性和脆性，并作为保证机械零件安全设计的指标。然而，kV(ku)代表单位面积的平均撞击能量，是一个数学平均值。实际上，冲击试样承受弯曲载荷，缺口截面上的应力和应变分布极不均匀，塑性变形和试样吸收的功主要集中在缺口附近，因此平均值没有物理意义。这个指标目前还没有广泛使用。目前常用的韧性指标是冲击功Akv，由于其对材料成分和内部结构的变化敏感而被广泛使用，一次冲击弯曲试验方法简单易行。冲击弯曲试验主要用于以下目的：(1)能反映原材料的冶金质量和热加工产品的质量。通过AKv值的测定和对切试样的断口分析，可以揭示原材料中的气孔、夹杂物、偏析、严重分层和夹杂物超标等冶金缺陷。它还可以检查锻造或热处理缺陷，如过热，过烧和回火脆性。(2)确定材料韧脆转变温度。通过一系列冲击试验(低温冲击试验)，可以得到Akv与温度的关系曲线，并根据关系曲线确定材料的韧脆转变温度，从而为材料选择或抗脆断设计提供参考。(3)对于具有大致相同屈服强度的材料，材料对大能量冲击损伤的缺口敏感性可根据Akv值进行评估。冲击实验系列一系列的冲击实验在材料研究和生产实践中得到了广泛的应用，因为它比其他实验方法更能敏感地反映材料力学性能随内外因素的差异。对于某些材料，分别在低温、室温和高温下进行冲击实验，可以得到一系列的冲击值Akv。将这些冲击值和相应的实验温度标在直角坐标系中，然后将这些实验数据用平滑曲线连接起来，得到该材料冲击韧性与温度的关系曲线，即不同温度下的AKV-T冲击试验称为系列冲击试验。据此，可以评价材料的低温脆性、蓝色脆性和再结晶脆性，这些脆性在材料的使用中是难以避免的，因此系列冲击试验具有一定的实际意义。一系列冲击试验证明，工程上广泛使用的中低强度结构钢在常温下具有良好的冲击韧性。当试验温度低于一定温度时，材料由韧性状态转变为脆性状态，冲击吸收能力明显下降。断裂机制是微孔聚集型转变为穿晶解理型，断裂特征由纤维状转变为晶态，属于低温脆性。转变温度tk被称为韧脆转变温度(1)弯曲载荷下拉伸侧的应力状态与静态拉伸下的应力状态基本相同，所谓的试样挠曲对