金属材料的性能 2

第三章材料性质、材料科学与工程学院李宇新，内容摘要、3.1简介3.2应力-变形概念3.3弹性变形3.4塑性变形3.5屈服3.6硬度3.7摩擦磨损3.8疲劳，材料的机械性质通常表示材料的弹性、塑料、强度、硬度和韧性等。3.1简介，各种力学性能指标的物理概念，实用意义和可能的互连；影响金属材料力学性能的因素和提高机械性能的方法和方法；机械性能测试方法。3.2应力和变形在材料无法通过外力生成位移时更改其几何图元和尺寸，这种变形称为变形(Strain)。材料变形时，内部大小相同，但相反方向的反作用力抵抗外力，分散在一点上的内力的聚合称为应力。3.2.1应力应变概念，3.2.2.1简单拉伸，应用拉伸载荷以生成拉伸率和正线性变形的样例，3.2.2几种主要力方法，虚线表示变形前的形状。实线表示变形后的工程应力(MPa):F:互垂于范例断面的瞬时负载(n)。答：应用载荷之前的原始横截面产品(m)。工程变形：L0:应用载荷之前的原始长度；Li:瞬时长度， l=Li-l0。拉伸试验，样品应用压缩载荷产生收缩和负线性变形，虚线表示变形前的形式；实线是变形后3.2.2.2压缩、3.2.2的几个主要负载类型、左侧：沿套用的剪应力f的剪切变形伽玛。其中，=tan 的示意图右侧：在工程实践应用中应用的扭矩t引起的扭转变形(即角度)的示意图。3.2.2.3简单剪切和扭转、3.2.2几种主要负载类型、剪切应力：F平行于上下表面的负载剪切变形： =tan、剪切和扭转测试、3.3弹性变形、由称为变形的外力引起的金属材料的标注或造型变更、移除外力后变形消失。这种变形是弹性变形。弹性变形是可逆的。每种材料都有一定的弹性变形范围，这取决于应力的大小和状态，因此可以说弹性变形是普遍的。3.3.1弹性变形的定义，循环载荷和卸载后的线性应力应变原理图，线性段的斜率表示弹性系数e的系数(1)线性弹性运动，应力应变曲线表示非线性弹性行为的图，在图中可以看到割线和切向系数是如何确定的。相切系数是应力应变曲线在某些特定应力级别的斜率，割线系数表示从原点到给定点绘制的应力应变曲线的割线斜率。(2)非线性弹性行为，3.3.2应力应变特性，胡克定律：与材料的线弹性范围内固体单向拉伸变形所受的外力成正比。e是称为弹性系数或杨氏系数的常数。e对意义的宏观理解e是外力在弹性极限内表达材料拉伸或压缩的物理量，与物体的形状无关。仅取决于材料本身的物理特性。杨氏模量的大小表示材料的刚度，杨氏模量越大，不易发生变形。e的微观理解，e的大小是对原子间结合力的测量；e是存在于其他金属类型中的其他原子结合的直接结果。弹性系数的大小与平衡原子间距位置上每条曲线的斜率成正比。强耦合原子与弱耦合原子的原子间距和力的大小之间的关系曲线，例如，大多数典型金属模块的弹性系数约为45Mpa-407Mpa。对于陶瓷材料，弹性系数应该稍高，通常在70Mpa到500Mpa之间。例如，对于聚合物材料，弹性模组的量通常在0.007 MHz -4 MHz之间，比金属或陶瓷材料小。例如，除橡胶材料外，温度升高时弹性系数e减小。弹性系数E，3.3.3剪切系数是弹性阶段内剪切应力和剪切变形之间的比例，g是剪切系数，其几何意义是应力应变曲线中线性部分的斜率。表征材料抵抗剪切变形的能力。剪切系数越大，材料的刚度就越强。3.3.5弹性极限和弹性比是拉伸应力应变曲线开始偏离直线时的应力sp : (1)比例极限，sp=Fp/S0，Fp是拉伸图开始偏离直线时的载荷。S0是诗篇的原始剖面。3.3.5弹性极限和弹性比是应力，在应力应变曲线中距离直线段一定距离，即发生特定塑性变形时的应力值，表示产生极小塑性变形的材料阻力。(2)条件比例限制，(3)弹性限制表示发生金属材料的最大弹性变形时的应力值。当应力超出弹性极限时，金属开始塑性变形。3.3.5弹性极限和弹性比作业，产生0.005%、0.01%、0.05%的残余变形时的应力为条件弹性变形，工程规定。(4)条件弹性极限，注：比例极限和弹性极限的异同，3.3.5弹性极限和弹性比操作，也称为弹性变形能量密度，表示材料在没有永久变形的情况下吸收变形操作的能力。物理意义：在材料开始塑性变形之前，由单位体积吸收的最大弹性变形操作产生的韧性指标。单位体积的能量是弹性区域应力应变曲线下的面积。(见下图)，(5)弹性比操作(ww)，电阻，ur，工程字符串，=dl/lo)，工程字符串，；formanymetalsandotheralloys，visin 0.25到0.35。对于各向同性材料，弹性系数、剪切系数和泊松比的关系如下：对大多数金属而言，g约为0.4E，因此，如果已知一个系数，则另一个系数可以近似解算。3.3.6泊松比(Poissonsratio)，长度为305mm的一根铜芯在276Mpa的拉力下增加，如果此变形是完全弹性变形，则产生的伸长是多少？问题范例：3.4降伏，降伏：拔模时，如果范例超出弹性限制，即使应力不再增加，范例也表示发生降伏现象时，最小应力值仍会发生明显的塑胶变形(称为降伏点)。屈服强度(s):金属材料的屈服现象，即抵抗微量塑性变形的应力。3.4降伏，降伏强度是降伏点的应力(降伏值)。对于降伏现象不明显的材料，对于没有明显挠曲的金属材料，我们将导致0.2%残留变形的应力值设定为降伏限制，这称为条件降伏限制或降伏强度。大于此限制的外力使零件永久失效且无法恢复。对于弹性-塑料过渡非常明显的材料，这种过渡发生在屈服点，前面屈服点后的应力小幅减少，然后随着变形的持续，应力发生了轻微的波动，达到了一定的值。此值所在的点称为下降点，后续应力开始不断上升。对于金属，降伏强度是与该降伏点相关的平均应力。3.4屈服，黄铜样品的应力应变曲线如何确定以下参数，如下图所示？(1)弹性系数；(2)屈服强度(应变0.002)；(3)计算样例为圆柱形并且起始直径为12.8mm时可以承受的最大载荷。(4)如果范例从250mm开始，则长度变更会导致345Mpa的抗拉应力。问题示例，0.0016、150、0.002、0.06、345、3.5塑料变形，材料由外力引起应力和变形(即变形)。如果应力不超过材料的弹性极限，则在移除外力后，会移除所有产生的变形，材料返回其原始状态。这种变形是可逆的弹性变形。如果应力超出材料的弹性极限，则产生的变形在移除外力后无法完全修复，还保留了一些变形，材料无法还原为原始形式，这些剩馀变形是不可逆的塑性变形。，figure : typicalsress-strainbehaviorforametalshowingelatindplasticdeformations，theproportionallimitp，and this、3.5塑性变形、3.5塑性变形、金属塑性变形通过滑移实现，不可逆。站在原子的角度理解塑性变形：原子之间发生不可恢复的相对滑动。在塑性过程中，原子之间的连接中断，许多原子或分子移动，从几何上来说，有些原子的“邻居”改变了。弹性变形时，所有原子的“邻居”仅基于相对距离和方位不变。材料拉伸时的应力应变曲线，材料部分抵抗其表面的能力称为硬度。通常，使用压痕深度t可以分为三种特性材料硬度的类型：3.6硬度、洛氏硬度维氏硬度和3.6.1洛氏硬度(HR)。通常，有两种类型的钻石圆锥体，其锥体角度为120。直径D=1.588mm的一类淬火球。3.6.1洛氏硬度，测量方法：3.6.1洛氏硬度，计算公式：t是压痕深度的残余增加；K为常数；如果使用菱形圆锥体，则K=100如果使用球，则K=130。3.6.1洛氏硬度可根据实验材料硬度分为三种不同的尺度。HRA以60Kg负载和圆锥角度为120的菱形圆锥压力头取得硬度，用于高硬度材料。示例：硬质合金。HRB用于负载为100Kg，直径为1.58mm的淬硬钢球，硬度较低的材料。例如，低碳钢、有色金属、退火钢、铸铁等。HRC以150Kg的负载和圆锥角度为120的钻石圆锥压力头寻找高硬度材料的硬度。例如：淬火钢等。3.6.1洛氏硬度，50HRC，经度值，洛氏硬度标准，符号，每个符号表示的含义：3.6.1洛氏硬度，适用范围：洛氏硬度压痕很小，测量具有地域性，必须测量平均值，成品和板材适用。属于无损检测范畴。压痕球面表面积表征材料硬度的3.6.2布氏硬度。测试方法：布氏硬度(HB)使用一定大小的测试负载，将一定直径的淬火球或硬质合金球推入测试的金属表面，保持指定的时间，然后卸下，测量测试表面的压痕直径。然后计算压痕球面表面积。最后，将载荷除以压痕球面面积，以获得布氏硬度值(HB)。测试载荷和测试球的直径取决于材料的实际性能。3.6.2布氏硬度，3.6.2布氏硬度，计算公式：f-压痕表面积p-试验负载(kgf) d-表面压痕直径(mm) h-压痕深度(mm)，3.6.2布氏硬度有色金属，热处理前或退火后的球。芙蓉硬度不允许零件表面有大压痕，样品太薄，需要大量快速测试时不适合。材料的弹性变形较大时，布氏硬度不合适。3.6.3与维氏硬度、维氏硬度相似，使用单位压痕区域的标称应力值计算硬度，但在测量维氏硬度时，使用菱形四方金字塔、四方脊椎两相相对的角度136，使用不同的压头。3.6.3维氏硬度，测试方法：在49.03980.7N的负载下，相对角度为136的方形锥形金刚石喷油器按材料表面保持固定时间后，测量压痕对角线长度，然后根据公式计算硬度的大小。适用于大工件和深表层的硬度测量。维氏硬度也有较小的负载维氏硬度，较薄的工件、刀具表面或涂层的硬度测量的合适测试负载为1.96149.03N。3.6.3维氏硬度，计算公式：p载荷(kgf) d-平均压痕对角线长度(mm)，维氏硬度值的标准格式为xHVy。例如，185HV5到185是维氏硬度值，5表示用于测量的负荷值。，3.7摩擦和磨损，相互接触的两个对象或物体和介质之间的外力作用，产生相对运动或有相对运动的趋势时，接触表面产生的干扰作用称为摩擦。3.7.1摩擦根据两个接触面的运动方式，摩擦可以分为滑动摩擦和滚动摩擦。滑动摩擦表示一个对象滑动到另一个对象上时发生的摩擦。滚动摩擦是指力矩下物体沿接触表面滚动时的摩擦。3.7摩擦磨损，摩擦特性特性的参数：摩擦系数。表示摩擦力与摩擦面所施加的垂直压力的比率。3.7.1摩擦，影响摩擦系数的因素：构成材料结构和两个材料表面之间相对硬度的两个表面的凹凸环境温度和滑动速度，3.7摩擦和磨损，对于滑动摩擦，摩擦系数的公式可以根据阿蒙顿定律来表示：u表示摩擦系数，f表示摩擦，p表示总载荷。对于塑料和橡胶，由于表面接触点的变形属于塑料和弹性变形，因此生成的摩擦系数不同，计算公式也不同。3.7.1摩擦，3.7摩擦和磨损，定义：磨损是由于两种材料表面摩擦时机械(有时有温度、介质等物理化学因素)导致材料从磁表面以各种形式剥落的有害现象。分类：按环境和介质可分为流体磨损、湿磨损和干磨损。表面接触特性可以分为金属-流体磨损、金属-金属磨损和金属-磨料磨损。3.7.2磨损，3.7摩擦磨损机理及影响因素，(1)咬合磨损(粘合磨损)全过程：粘性不断形成和破坏的过程。3.7.2磨损，局部应力，局部塑性变化，破碎，移动，剥离，3.7摩擦磨损机理及影响因素，(2)磨料磨损a，磨料硬化度高，边缘锋利时，磨料像剪切应力下切割金属表面的工具。b，磨料形状比较圆，材料表面塑性高时，磨料在材料表面滑动后，只磨出一个槽，对两侧金属进行塑性变形积累，这些堆积的部分在后续摩擦过程中再次压扁，这样反复塑性变形，形成裂纹，剥落。3.7.2磨损，3.7摩擦磨损机制和影响因素，(3)腐蚀磨损摩擦面和周围介质的化学或电化学反应形成的腐蚀产物，摩擦过程中脱落产生的磨损。实际上，腐蚀磨损可以认为是腐蚀和机械磨损都发生了。3.7.2磨损，3.7摩擦和磨损，(4)磨损两个接触曲面之间的小相对切向运动称为微动，压缩曲面之间的微动导致的磨损称为微动磨损。微动磨损是粘合、抛光、腐蚀和表面疲劳的复合磨损过程。通常，微动磨损过程被认为是三个阶段。两个接触面微凸由于微动，塑性变形，粘合发生后，由于切向位移，粘合点下降。脱落的粒子具有很大的活性，很快与大气中的氧气起作用，产生氧化物；接触区出现疲劳。3.7.2