第01章金属材料的力学性能

金属加工基础,徐水职教中心2016.12,金属加工与实训课的基本内容,金属,加工,性能、材料,铸造、锻压、切削焊接、热处理,铸造,金属加工与实训,焊接,切削,金属加工与实训,锻压,金属热处理,第1章金属材料的力学性能,金属材料的性能,使用性能,工艺性能,金属材料为保证机械零件或工具正常工作应具备的性能,金属材料在制造零件或工具的过程中，适应各种冷、热加工的性能,力学性能物理性能化学性能,铸造性能焊接性能锻压性能切削性能热处理性能,金属材料的力学性能,力学性能是指金属材料在力的作用下所显示的与弹性和塑性变形反应的性能。,材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。,金属材料的力学性能,强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等,第一节金属材料的强度与塑性,强度是指金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。塑性是指金属材料在静载荷作用下产生塑性变形而不致引起破坏的能力。金属材料的强度和塑性的判据可通过拉伸试验测定。,一、拉伸试验,拉伸试验是指静拉伸力对试样进行轴向拉伸，通过测量拉伸力和伸长量来测定试样强度、塑性等力学性能的试验,拉伸试验机,拉伸试样,万能材料试验机a)液压式b)电子式,拉伸试验试样经过的四个阶段及力伸长曲线,弹性变形阶段,屈服阶段,变形强化阶段,颈缩和断裂阶段,二、金属材料的强度,强度是指金属材料抵抗永久变形和断裂的能力。,金属材料强度的大小用两个指标来表示屈服强度、抗拉强度,1、屈服强度Re,2、抗拉强度Rm,是指在拉伸试验过程中，不增加的情况下，拉伸试样仍然能继续伸长时的应力。,是指拉伸试样拉断前所承受的最大拉应力。,金属材料的强度,一般钢材的屈服强度在2002000MPa之间，如建造2008年北京奥运会主体育场“鸟巢”外部钢结构的Q460E钢，其屈服强度为460MPa。,屈服强度是塑性材料选材和评定的依据。,抗拉强度是脆性材料选材的依据。,铸铁等脆性材料拉伸过程中一般不出现缩颈现象，抗拉强度就是材料的断裂强度。断裂是零件最严重的失效形式，所以，抗拉强度也是机械工程设计和选材的主要指标，特别是对脆性材料来讲。,三、金属材料的塑性,塑性是指金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。,衡量指标,断后伸长率：,试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。,试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。,断面收缩率：,断后伸长率（A）,A=,l1-l0,l0,100%,l1试样拉断后的标距,mm;,l0试样的原始标距,mm。,断面收缩率（Z）,Z=,S0-S1,S0,100%,金属材料的塑性,对零件的加工和使用有重大意义，塑性好的材料易加工,任何零件都要求材料具有一定的塑性。很显然，断后伸长率A和断面收缩率Z越大，说明材料在断裂前发生的塑性变形量越大，也就是材料的塑性越好。意义：a）安全，防止产生突然破坏；b）缓和应力集中；c）轧制、挤压等成型加工必须要求金属有一定塑性。,硬度是金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。,第二节金属材料的硬度,金属材料的硬度,硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。,硬度与零件的耐磨性有直接关系，金属材料的硬度值越高，其耐磨性越高。,金属材料的硬度,硬度的测定方法：压入法、划痕法、回弹高度法,硬度的表达方法：布氏硬度（HBW）洛氏硬度（HR）维氏硬度（HV）,金属材料的硬度,布氏硬度（HBW）,金属材料的硬度,布氏硬度（HBW）,布氏硬度（HBW）是用一定直径的硬质合金球，以一定的试验力压入试件表面，保持规定时间后，卸除试验力，测量试样表面的压痕直径d，据d计算其硬度值的方法。,布氏硬度（HBW）的表达硬度数值+HBW,如150HBW,布氏硬度（HBW）的试验范围上限为650,测量比较软的材料。测量范围650HBW的金属材料。,压痕大，测量准确，但不能测量成品件。,布氏硬度的应用范围及优缺点,金属材料的硬度,洛氏硬度（HR）,金属材料的硬度,洛氏硬度（HR）,洛氏硬度（HR）是用锥角为120度的金刚石圆锥体或直径为1.5875mm的硬质合金球压入试样表面，先加初试验力，再加主试验力，去除主试验力，测量试样表面的压痕深度，据深度计算其硬度值的方法。,金属材料的硬度,洛氏硬度（HR）,洛氏硬度的测试有三个标尺A、B、C,金属材料的硬度,洛氏硬度（HR）,洛氏硬度（HR）的表达硬度数值+HRA（HRB、HRC）,如50HRC,优点：操作简便、迅速，效率高，可直接测量成品及高硬度的材料。,缺点：压痕小，测量不准确，需多次测量。,洛氏硬度的优缺点,金属材料的硬度,维氏硬度（HV）,维氏硬度（HV）是用相对面夹角为136度的正四棱锥金刚石作为压头，以一定的试验力压入试件表面，保持规定时间后，卸除试验力，测量试样表面的压痕对角线长度，据长度计算其硬度值的方法。,维氏硬度（HV）的表达硬度数值+HV,如640HV,维氏硬度（HV）的试验范围上限为51000,测量范围常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。,维氏硬度的应用,韧性是金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。,第三节金属材料的韧性,自行车的钢架,教室中的电视机架,自行车的踏板,经常被打的乒乓球,第三节金属材料的韧性,静止载荷,冲击载荷,韧性,金属材料的韧性大小通常采用吸收能量K来衡量。,材料的“韧”实际上是与“脆”相对的。,冲击吸收能量的值越大，材料的韧性越大，越可以承受较大的冲击载荷。冲击吸收能量K或冲击韧性值K越大，材料的韧性越大，越可以承受较大的冲击载荷。一般把冲击吸收能量低的材料称为脆性材料，冲击吸收能量高的材料称为韧性材料。,吸收能量K的大小通常是用夏比摆锤冲击试验方法来测定,摆锤冲击试样,冲击试样有V形缺口和U形缺口两种,开缺口是为了在缺口附近造成应力集中，使塑性变形局限在缺口附近，保证缺口处发生断裂。,冲击试样越深，越尖锐，吸收能量越少，表现的韧性越差，脆性越显著,温度对吸收能量的影响,泰坦尼克号的沉没,1912年4月号称永不沉没的泰坦尼克号首航沉没于冰海，成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。20世纪80年代后，材料科学家通过对打捞上来的泰坦尼克号船板进行研究，回答了80年的未解之谜。由于Titanic号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，当船在冰水中撞击冰山时，脆性船板使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。,温度对吸收能量的影响,2008中国南方的冻雨,温度对吸收能量的影响,当温度降至某一数值时，吸收能量急剧下降，金属材料会由韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为冷脆转变。,金属材料在不同温度的冲击试验中，吸收能量急剧变化或断口韧性急剧转变的温度区域，称为韧脆转变温度。,金属材料的韧脆转变温度越低，金属材料的低温抗冲击性越好。如非合金钢的韧脆转变温度为20,第四节金属材料的疲劳强度,静载荷,冲击载荷,循环载荷,循环应力和应变是指应力和应变的大小、方向都随着时间发生周期性的变化的应力和应变。,零件在低于制作该零件的金属材料的屈服强度或规定残余伸长应力的循环应力的作用下，经过一定工作时间后会突然发生断裂，这种现象为金属材料的疲劳。,细铁丝在没有钳子的情况下，你有办法弄断吗？,疲劳现象,疲劳断裂与静载荷的断