汽车材料金属材料的力学性能

1、汽车材料金属材料的力学性能第1页，共26页，2022年，5月20日，9点18分，星期四第一节 强度与塑性一、静拉伸试验及试样通常用静拉伸试验来测量金属材料的强度与塑性指标。如将被测试金属材料加工成如图4-1所示的圆柱形光滑试样。通过拉伸试验可以揭示材料在静载荷作用下的力学行为，即弹性变形、屈服阶段、塑性变形、断裂等基本过程，还可以确定材料的最基本的力学性能指标。弹性变形阶段(Oe段)当载荷不超过Fe时，拉伸曲线Oe为直线段，试样变形完全是弹性的，卸载后试样即恢复原状。屈服阶段(es段)当载荷超过Fe时，若卸载的话，试样的伸长只能部分地恢复，而保留一部分残余变形。下-页 返回第2页，共26页，2

2、022年，5月20日，9点18分，星期四第一节 强度与塑性强化阶段(sb段) 在屈服以后，如果要使试样继续伸长，必须不断加载。随着塑变形增大，试样的抗变形能力也在逐步增加，这种现象被称为形变强化或加工硬化。缩颈阶段或局部变形阶段(bk段) 当载荷达到最大值Fb时，试样的直径发生局部收缩，称为“缩颈”。试样变化所需载荷也随之降低，这时伸长主要集中于缩颈部位，直至断裂。二、强度强度是材料抵抗塑性变形或断裂的能力。强度的大小用应力来表示，即单位面积上材料抵抗变形或断裂的内力上-页 下-页 返回第3页，共26页，2022年，5月20日，9点18分，星期四第一节 强度与塑性此外，还用伸长除以试样原始标距

3、长度的值称为应变按作用力性质不同，强度可分为屈服点(屈服强度)、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。在工程上常用屈服强度和抗拉强度来表示金属材料强度的指标。1.屈服强度(屈服点)在拉伸过程中，出现载荷不增加而试样还继续伸长的现象称为屈服。上-页 下-页 返回第4页，共26页，2022年，5月20日，9点18分，星期四第一节 强度与塑性大多数工程材料都没有明显的屈服现象，因此通常规定产生0. 2%残余伸长所对应的单位面积的载荷(Fo. z)作为条件屈服强度 2.抗拉强度(强度极限)当拉伸试样屈服以后，欲继续变形，必须不断增加载荷。当载荷达到最大值Fn(单位为N)后，试样的某一部位截面开始急

4、剧缩小，出现了“缩颈”，致使载荷下降，直到最后断裂。上-页 下-页 返回第5页，共26页，2022年，5月20日，9点18分，星期四第一节 强度与塑性零件在工作时承受的单位面积最大载荷不允许超过抗拉强度，否则会发生断裂破坏。三、塑性塑性是指断裂前材料产生永久变形的能力，塑性指标有伸长率和断面收缩率，两者均为无单位量纲。1.伸长率如图4-3所示，在拉伸试验中，试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。其数值可由下式求出:上-页 下-页 返回第6页，共26页，2022年，5月20日，9点18分，星期四第一节 强度与塑性 2.断面收缩率试样拉断后，缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分

5、比称为断面收缩率。其数值可由下式求出:上-页 返回第7页，共26页，2022年，5月20日，9点18分，星期四第二节 硬度硬度是指材料抵抗另一硬物体压入其内的能力，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。硬度是金属材料的一个重要的力学性能指标，不仅可以间接地反映材料的强度硬度试验，还可以提供耐磨性的度量。一、洛氏硬度1.洛氏硬度测量原理洛氏硬度测量是一种压入硬度试验，但它不是测定压痕的面积，而是测定压痕的深度，以深度的大小表示材料的硬度值。2.洛氏硬度种类根据压头的种类和总载荷的大小，洛氏硬度常用的表示方式主要有HRA, HRB, HRC和HRF四种。下-页 返回第8页，共26页，2022年，5月20

6、日，9点18分，星期四第二节 硬度(1) HRA 压头采用120金刚石圆锥，载荷588. 399N,测量范围HRA70以上，主要测定零件表面硬化层、硬质等材料的硬度;(2)HRB 压头采用1.588mm直径钢球，载荷980. 665 N,测量范围HRB25100，主要测定软钢、铜合金等材料的硬度。(3)HRC 压头采用120金刚石圆锥，载荷1470. 998 N，测量范围HRC2067，主要测定调质钢、淬火钢等材料的硬度。(4)HRF 压头采用1.588mm直径钢球，载荷588.399 N，测量范围HRF25100，常用来测量镁合金、铝合金等材料的硬度。上-页 下-页 返回第9页，共26页，2

7、022年，5月20日，9点18分，星期四第二节 硬度3.洛氏硬度的书写方式符号HR前面的数值为硬度值，后面为使用的标尺4.洛氏硬度的优缺点(1)优点操作简便，压痕小，适用范围广。(2)缺点洛氏硬度测量结果分散度大，需多次测量取平均值。二、布氏硬度1.布氏硬度测量原理如图4 -5，将直径为D的球体(钢球或硬质合金球)在一定载荷F作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，测量其压痕直径，以用单位压痕球冠面积上所承受的载荷来表示上-页 下-页 返回第10页，共26页，2022年，5月20日，9点18分，星期四第二节 硬度 布氏硬度值。2.布氏硬度的书写方式符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符

8、号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。3.布氏硬度的优缺点(1)优点测量误差小、数据稳定布氏硬度和强度有较好的对应关系。上-页 下-页 返回第11页，共26页，2022年，5月20日，9点18分，星期四第二节 硬度(2)布氏硬度的缺点只适用于低硬度材料如铸铁、有色金属、低合金结构钢和结构调质钢等的硬度测量;压痕大，不能用于薄壁件或成品件，常用于原材料、毛坯、半成品的硬度测量;只有F/D2的值为常数的布氏硬度才有可比性。三、维氏硬度1.维氏硬度测量原理维氏硬度测量原理与布氏硬度相同，不同点是压头为136金刚石四方角锥体，所加负荷较小，所测硬度值精确。上-页 下-页 返回第12页

9、，共26页，2022年，5月20日，9点18分，星期四第二节 硬度2.维氏硬度优点维氏硬度保留了洛氏硬度和布氏硬度的优点，既可以测极软到极硬材料的硬度，又不存在布氏硬度F/D2关系的约束，不同的HV可相互比较。维氏硬度适用于各种金属材料，尤其是表面层(如化学热处理层、电镀层)的硬度测量，精度较高。上-页 返回第13页，共26页，2022年，5月20日，9点18分，星期四第三节 冲击韧性材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧性。许多机械零件和工具在工作中，往往要受到冲击载荷的作用，如发动机活塞、连杆、曲轴等零件在作功行程中受到很大的冲击载荷;汽车起步、换挡、制动时钢板弹簧、齿轮、传动轴、半轴等零件

10、会受到很大的冲击载荷。冲击试验试样的类型分为V型和U型缺口两种试样。图4-7所示为U型缺口标准试样的形状和尺寸。测定材料的冲击韧性一般是在一次摆锤冲击试验机上进行，如图4-8所示。实际上，在冲击载荷下工作的零件，很少是受大能量一次冲击而破坏的，往往是经受小能量多次冲击，因冲击损伤的累积引起的断裂，故用ak值反映冲击韧性具有一定的局限性。返回第14页，共26页，2022年，5月20日，9点18分，星期四第四节 疲劳强度和断裂韧性一、疲劳强度1.概述轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件在工作过程中各点的应力随时间做周期性的变化，这种周期性变化的应力称为交变应力。在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低

11、于材料的屈服点，但经过较长时间的工作会产生裂纹或突然发生完全断裂的这一过程称为疲劳。2.各种材料的疲劳强度材料承受的交变应力与材料断裂前承受交变应力的循环次数之间的关系可用疲劳曲线来表示，图4 -9所示为疲劳曲线示意图。金属承受的交变应力越大，则断裂时应力循环次数N越少。下-页 返回第15页，共26页，2022年，5月20日，9点18分，星期四第四节 疲劳强度和断裂韧性二、断裂韧性桥梁、船舶、大型轧辊、转子等在设计时保证了足够的延伸率、韧性和屈服强度，但仍不免破坏，有时会发生低应力脆断，原因是构件或零件内部存在或大或小的裂纹，裂纹在应力作用下可失稳而扩展，导致机件破断。材料抵抗裂纹失稳扩展断裂

12、的能力叫断裂韧性。上-页 返回第16页，共26页，2022年，5月20日，9点18分，星期四第五节 金属材料的物理化学性能一、金属的物理性能1.密度密度是指单位体积物质的质量。密度小于4. 5 x 103的金属称为轻金属，如铝、镁、钦及其合金。2.熔点金属从固态向液态转变时的温度称为熔点。纯金属都有固定的熔点。熔点高的金属称为难熔金属，如钨、铝、钒等，可以用来制造耐高温零件，如在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。3.导电性传导电流的能力称导电性，用电阻率来衡量。电阻率越小，金属材料导电性越好。金属导电性以银为最好，铜、铝次之，合金的导电性比纯金属差。下-页 返回第17页，共26

13、页，2022年，5月20日，9点18分，星期四第五节 金属材料的物理化学性能4.磁性金属材料根据磁性可分为铁磁性材料、顺磁性材料和抗磁性材料。铁磁性材料在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钻等可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。顺磁性材料在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等。5.导热性导热性通常用热导率来衡量，热导率越大，导热性越好。金属的导热性以银为最好，铜、铝次之，合金的导热性比纯金属差。6.热膨胀性金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。上-页 下-页 返回第18页，共26页，2022年，5月20日，9点18分，星期四第五节 金属材料的物理化学性能 由膨胀系数大的材料制造的零

14、件，在温度变化时，尺寸和形状变化较大。 二、金属的化学性能金属的化学性能主要指金属耐腐蚀性和抗氧化性。金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性统称化学稳定性，在高温下的化学稳定性也称为热稳定性。1.耐腐蚀性金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力称为耐腐蚀性。碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差;钦及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好;铝合金和铜合金有较好的耐腐蚀性。上-页 下-页 返回第19页，共26页，2022年，5月20日，9点18分，星期四第五节 金属材料的物理化学性能2.抗氧化性金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称为抗氧化性。加入Cr， Si等元素，可提高钢的抗氧化性，如4Cr9Si2可制造内燃机排气阀及加热炉炉底板、料盘等。上-页 返回第20页，共26页，2022年，5月20日，9点18分，星期四图4-1圆形拉伸试样返回第21页，共26页，2022年，5月20日，9点18分，星期四图4-3静拉