金属机械性能

1、金属的机械性能金属的机械性能内容内容 应力应变曲线 强度 朔性 硬度 冲击韧性 疲劳机械性能概述机械性能概述机械性能机械性能金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性 能，或称为力学性能。金属材料的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据。外加载荷性质不同（例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等），对金属材料要求的机械性能也将不同。常用的机械性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性疲劳极限等。下面将分别讨论各种机械性能。 应力应力-应变曲线应变曲线 应力应力：物体受作用后导致物体内部之间的相互作用力称内力，单位面积上的内力为应力。P/A0应变应变：由外力所引起的物体原始尺寸或形状的 相对变化。 =L/L0P为

2、载荷，L为试样伸长量，L= L-L0；L0为试样原始标长，L为与P相对应的标长部分的长度，A0为原始截面积。塑性材料应力应变曲线塑性材料应力应变曲线 a.工程上很多金属材料，如调质钢和一些轻合金 b.退火低碳钢和某些有色金属 c.某些塑性较低的金属如铝青铜就是在未出现颈缩前的均匀变形过程中断裂的 d.某些低溶质固溶体铝合金及含杂质的铁合金低碳钢拉伸图低碳钢拉伸图 op：弹性变形 pe：滞弹性变形 es：屈服前微朔性变形 ss：屈服变形 sb：均匀朔性变形 bz：局部朔性变形 LF0 0 脆性材料的拉伸曲线脆性材料的拉伸曲线脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象 拉伸曲线演示拉伸曲线演示定义:指金属

3、在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力。 由于载荷的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切等形式，所以强度也分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。应用:强度是机械零件(或工程构件)在设计、加工、使用过程中的主要性能指标，特别是选材和设计的主要依据。 强度强度 Rm：抗拉强度；MPaFb： 最大力；NA0：试样横截面积；mm20bmFRA抗拉强度抗拉强度 抗拉强度（抗拉强度（Rm）：）：相应试样在屈服阶段之后所能抵抗的最大力的应力1MPa=106Pa；1KN103N 对于脆性材料和不形成颈缩的塑性材料，其拉伸最高载荷就是断裂载荷，因此，其抗拉强度也代表断裂抗力。对于形成颈缩的塑性材料，其抗拉

4、强度代表产生最大均匀变形的抗力，也表示材料在静拉伸条件下的极限承载能力。抗拉强度很容易测定，而且重现性好，与其他力学性能指标如疲劳极限和硬度等存在一定关系，因此，也作为材料的常规力学性能指标之一用于评价产品质量和工艺规范等。抗拉强度意义抗拉强度意义屈服强度屈服强度当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点的应力。 受力试样中，应力达到某一特定值后，开始大规模塑性变形的现象称为屈服屈服。它标志着材料的力学响应由弹性变形阶段进入塑性变形阶段。 屈服强度是应用最广的一个性能指标。因为任何机械零件在工作过程中，都不允许发生过量的塑性变形，所以，机械设计中，把屈服强度作为强度

5、设计和选材的依据。屈服强度屈服强度上屈服强度（上屈服强度（ReH）：试样发生屈服而力首次下降前的最高应力 ReH FeH/A0下屈服强度（下屈服强度（ReL）：在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力 ReL FeL/A0规定非比例延伸强度（规定非比例延伸强度（Rp） 规定非比例延伸强度（规定非比例延伸强度（Rp）：非比例延伸率等于规定的引伸计标距百分率时的应力。使用的符号应附以下脚注说明所规定的百分率，例如Rp0.2， 表示规定非比例延伸率为0.2%时的应力。 注意：当材料呈无明显屈服（连续屈服）状态时，应测定规定非比例延伸强度。当材料呈现明显屈服（不连续屈服）状态时应测定上和下屈服强度或下

6、屈服强度。FSA0Rp=屈服强度计算屈服强度计算 一般常用的:LF0 0F0.20.2%L0F0.2A0Rp0.2=计算公式:Rp：屈服强度；MPaFs： 屈服点力值；NA0：试样横截面积；mm2拉伸试棒分类拉伸试棒分类拉伸试棒拉伸试棒材料类型材料类型标距标距圆形横截面圆形横截面圆弧形圆弧形管段试样管段试样矩形横截面矩形横截面比例试样比例试样非比例试样非比例试样短试样短试样长试样长试样拉伸试棒实例圆形横截面试棒矩形横截面试棒长试样：L0 = 10d0 短试样：L0 = 5d0000011.35.65LSLS长试样： 短试样：烧结材料径向压馈强度试验烧结材料径向压馈强度试验 试验时将试件放在试验

7、机上下压头之间，自上向下加压直至试件破断。根据破断时的压力求出压环强度。应当注意，试件必须保持圆整度，表面无伤痕且壁厚均匀。压溃强度计算压溃强度计算烧结金属衬套径向压溃强度按式2()F DeKLeK径向压溃强度，MPaF压溃负荷，NL试样长度，mmD试样外径，mme试样壁厚，mm只有 当 e/D1/3时，此公式才有效。1.定义:金属材料断裂前发生永久变形的能力。 2.衡量指标:断后伸长率(A)：断后标距的残余伸长(L1-L0)与原始标距(L0)之比的百分率 (2)断面收缩率(Z)：断裂后试样横截面积的最大缩减量与原始横截面积之比的百分率塑性塑性 颈缩颈缩 缩颈拉伸试验时试样横截面所发生的局部收

8、缩。 应力-应变曲线上的应力达到最大值时即开始出现颈缩。在颈缩前变形沿整个试样长度是均匀的，发生颈缩后变形则主要集中在局部区域，在此区域内横截面越来越细，局部应力越来越高，直至不能承受外加载荷而断裂。 断后伸长率断后伸长率(A)L1试样拉断后的标距(mm)L0试样的原始标距(mm)100LLAL100断面收缩率断面收缩率(Z)S0-S1S0Z=100%S0试样原始横截面积(mm2)S1颈缩处的横截面积(mm2) 硬度硬度 硬度是衡量金属材料软硬程度的指针。目前生产中测定硬度方法最常用的是压入硬度法，它是用一定几何形状的压头在一定载荷下压入被测试的金属材料表面，根据被压入程度来测定其硬度值。 常

9、用的方法有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）和维氏硬度（HV）等方法。 布氏硬度布氏硬度 1.原理 布氏硬度的测定是用一定压力将淬火钢球或硬质合金球压头压入试样表面，保持规定时间后卸除试验力，在试样表面留下压痕。单位压痕表面积上所承受的压力即定义为布氏硬度值，布氏硬度一般不标单位。 （ 用HB 表示）。 布氏硬度的测定是用一定压力将硬质合金球压头压入试样表面，保持规定时间后卸除试验力，在试样表面留下压痕。单位压痕表面积A，见图上所承受的压力即定义为布氏硬度值（用HB表示）。如已知所加载荷 F，压头直径D ，只要测出试样表面上的压痕直径d 或压痕深度h，即可按下式求出布氏硬度值

10、.单位kgf/ mm2时 当单位为N时 公式表明，当压力和压头直径一定时，压痕直径越大，布氏硬度值越低，即材料越软；反之，布氏硬度值越高，材料的变形抗力越大，材料越硬。 由于材料的硬度、试样的厚度不同，在测定布氏硬度时，往往要选用不同直径的压头和试验力。要在同一材料上测得相同的布氏硬度值，或在不同材料上测得的硬度具有可比性，必须保证压痕的几何形状相似，即保证压入角恒定。表示采用两个不同直径的压头D1 和D2 ，在不同载荷 F1和F2 作用下，压入试样表面的情况。要使两个压痕几何相似，则两个压痕的压入角应相等。由图可知 2(11 222）SinDFHB2212DSind因为所以 假若压力角不变时

11、，欲使同一材料的两个压痕所得 HB相同，则要F/D也为常数。 即F1/D12= F2/D22=常数 试样的厚度应大于压痕深度的10倍，在试样厚度足够时，应尽可能选用 10mm直径的标准压头。需要指出的是，压痕直径d 应在0.24-0.6D 范围内，所测硬度才为有效；若值超出上述范围，则另选 F/D2之值，重作试验。实际生产中，为了方便，按公式算出不同压痕直径d的布氏硬度数值表，测得被测机件压痕直径 d后，即可查表求出 HB值。2.布氏硬度的特点及应用范围 布氏硬度试验的优点是压痕面积较大，能反映金属表面较大体积范围内各组成相的平均性能，试验数据稳定，重复性好。 布氏硬度试验的缺点是压痕直径测量

12、比较麻烦，压痕面积大，不适合成品检验，并且对不同材料需更换压头直径和载荷。洛氏硬度洛氏硬度1. 洛氏硬度测定原理和方法 洛氏硬氏是以直接测量压痕深度，并以压痕深度大小表示材料的硬度。洛氏硬度的压头有两种：即顶角为120 的金刚石圆锥体压头和直径为 1/16（1.5875mm）或1/8（3.175mm）钢球压头。前者适应于测定淬火钢材等较硬的金属材料，后者适应于测定退火钢，有色金属等较软材料。洛氏硬度测定时先加 98.1N（10kgf ）预载荷，然后加主载荷。采用压头不同，则施加载荷不同。不同的压头和载荷就组合成不同的洛氏硬度标尺。我国规定的洛氏硬度标尺有九种，其中常用的有三种。 常用洛氏硬度标

13、度的试验范围标尺压头类型总压力/N 测量范围应用举例HRA120金刚石圆锥体588.4N2080硬金属及硬质合金HRB1.588mm钢球980.7N20100有色金属机软金属HRC120金刚石圆锥体1471.0N2070热处理结构钢、工具钢在洛氏硬度采用的三种硬度标度中，又以C标尺用得最普遍。 如图所示，A 为金刚石压头还没有和试样接触的位置。 1-1是在初载荷作用下，压头所处的位置，压入深度为h1 ，加初载荷的目的是为了清除由于试样表面不光洁而对试验结果的精确性造成的不良影响。图中2-2 为总载荷（初载荷 主载荷）作用下压头所处的位置，压入深度为h2 。 3-3是卸除主载荷后压头所处的位置,

14、，由于金属弹性变形得到回复，此时压头实际压入深度为h3,故由于主载荷所引起的塑性变形而使压头压入深度h=h3-h1 。洛氏硬度值就由 h的大小来确定，压入深度h 越大，硬度越低；反之，则硬度越高。为了照顾习惯上数值愈大，硬度愈高的概念，故采用一个常数C 减去h 来表示硬度大小，并用每0.002mm 的压痕深度为一个硬度单位。由此获得的硬度值称为洛氏硬度值，用符号 HR表示。2.洛氏硬度试验的特点及应用洛氏硬度试验的特点及应用因此式中，C为常数（对于HRB,C为130,对于HRA和HRC,C为100）由此获得的洛氏硬HR为一无名数，在试验时一般由指示器上直接读出。 HR前面为硬度值，HR 后面为

15、使用的标尺。例如，50HRC 表示用C标尺测定的洛氏硬度值为50 。洛氏硬度试验避免了布氏硬度试验所存在的缺点。它的优点是操作简便迅速，效率高，直接从表盘读出硬度值，且压痕小，故可直接测量成品或较薄工件的硬度。对于HRA和HRC 采用金刚石压头，故可测量高硬度的材料。其缺点是由于压痕小，测得的数据重复性差。通常应在试样不同部位测定三次，取其平均值为该材料的硬度值。1.原理和方法 维氏硬度维氏硬度 维氏硬度试验原理与布氏硬度试验原理相似。区别在于维氏硬度的压头是两相对面夹角为136的正四棱锥金刚石。试验时，在规定试验力F 的作用下，压头压入试件表面，保持一定时间后，卸除试验力，测量压痕两对角线长

16、度，求其平均值d ，用以计算出压痕表面积。单位压痕表面积所承受试验力的大小即为维氏硬度值，用符号HV表示。 HV= 0.1891 F d2 当载荷一定时，即可根据d值，求出 HV。测定压痕两对角线长度的平均值后查表求HV 时，注意载荷单位。维氏硬度不标注单位, 表示方法如 320HV10/20，前面数值为硬度值，后面数字依次为所加载荷和时间。 由于显微硬度压痕很小，故要求金刚石四方锥压头的制造精度和对角线的测量精度比维氏硬度高。对试样要求按金相试样精心制备。为清除加工硬化影响，最好采用电解抛光或化学抛光。试样操作时，要仔细小心。显微硬度试验，广泛应用于金相组织中组成相的硬度及研究金属化学成分、

17、组织状态与性能之间的关系。2.维氏硬度的特点及应用 维氏硬度与布氏硬度及洛氏硬度试验相比，维氏硬度试验具有很多优点。因采用压头为四棱锥体，当载荷改变时，压力角恒定不变，因此，载荷可任意选择，不存在布氏硬度试验中载荷F与球体直径D之间关系的约束。由于压痕清晰，对角线长度计量精确可靠。此外，维氏硬度测量范围较宽，软硬材料都可以测试。维氏硬度也不存在洛氏硬度那样不同标尺的硬度无法统一的问题。维氏硬度试验的缺点是硬度测定麻烦，工作效率比洛氏硬度低，不适于成批生产中的常规检验。韧性韧性 A 高强度低塑性，低韧性； B 高塑性低强度，低韧性； C 中等强度，中等塑性，高韧性 韧性韧性是指材料在断裂前吸收塑

18、性变形功和断裂功的能力。而韧度则是度量材料韧性的力学性能指标。只有在强度与塑性具有较好的配合时，才能获得较高的韧性冲击韧性冲击韧性 冲击载荷以很大速度作用于机件上的载荷。 冲击韧性金属在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。 在冲击载荷下，机件的变形断裂与静载荷下一样，也可分为弹性变形、塑性变形、断裂三个阶段。 冲击试验冲击试验 摆锤缺口冲击弯曲试验，是一种广泛使用的冲击试验。 冲击试样有两种 计算公式计算公式: : K K = = GHGH1 1 - GH- GH2 2 = G= G( (H H1 1 - - H H2 2) ) 试样被冲断过程中吸收的能量即冲击吸收功K等于摆锤冲击试样前后的势能差。试验过程如图所示: :两种试样的冲功分别记为两种试样的冲功分别记为KVKV和和KUKU冲击试验原理及方法冲击试验原理及方法冲击功的用途冲击功的用途 1.评定材料的冶金质量和热加工质量。通过测定冲击吸收功和对冲击试样的断口分析，可揭示材料中是否、分层等冶金缺陷和过烧、过热、回火脆性等锻造、热处理缺陷。这些缺陷会使冲击吸收功明显含有夹渣、气泡、偏析下降。 2.通过低温系到冲击试验可确定材料的低温变