《工程材料与热加工基础》-1

1.1材料的受力形式工程材料的力学性能是指材料在载荷作用下所表现出来的性能，力学性能主要包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等，它取决于材料本身的化学成分和材料的微观组织结构。当载荷性质、环境温度与介质等外在因素不同时，材料会产生不同的变形和断裂过程与方式，因此用来衡量材料力学性能的指标也不同。材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷。根据载荷作用性质的不同，分为静载荷、冲击载荷及疲劳载荷等三种：静载荷是指大小不变或变动很慢的载荷；冲击载荷是指突然增加的载荷；疲劳载荷是指所经受的周期性或非周期性的动载荷(也称循环载荷)。可以根据载荷作用方式不同，分为拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷等，如图1-1所示。材料受不同载荷作用而发生的几何形状和尺寸的变化称为变形。变形一般分为弹性变形和塑性变形。材料受外力作用后，为保持其不变形"在材料内部作用着与外力相下一页返回1.1材料的受力形式对抗的力称为内力。单位截面积上的内力称为应力。材料受拉伸载荷或压缩载荷作用时，其横截面积上的应力(σ)按下式计算：式中F——外力(N);S——横截面积(m2)；

σ——应力(Pa)，应力单位是Pa，1Pa=1N/m2。当面积用mm2时，则应力可用MPa为单位。1MPa=1N/mm2=106Pa。上一页返回1.2静载荷条件下材料的力学性能1.2.1强度强度是指材料在外力作用下抵抗永久变形和破坏的能力，强度大小通常用应力来表示。根据载荷作用方式不同，强度可分为抗拉强度(σb)、抗压强度(σbc)、抗弯强度(σbb)、抗剪强度(τb)和抗扭强度(τt)等五种。一般情况下多以抗拉强度作为判别材料强度高低的指标。抗拉强度是通过拉伸试验测定的。拉伸试验的方法是用静拉力对标准试样进行轴向拉伸，同时连续测量力和相应的伸长，直至断裂。根据测得的数据，即可求出有关的力学性能。实验前，将被测金属材料(以低碳钢为例)制成一定形状和尺寸的标准拉伸试样，在国家标准中，对试样的形状、尺寸及加工要求均有明确的规定。拉伸试样的形状一般有圆形和矩形两类，最常用的是圆形截面拉伸试样，图1-2所示为圆形拉伸试样。图中d0是试样原始下一页返回1.2静载荷条件下材料的力学性能直径(mm)，l0为试样原始标距长度(mm)。试样有长试样和短试样之分，长试样l0=10d0，短试样l0=5d0。实验时，将试样装夹在拉伸试验机上缓慢施加拉伸载荷，试样不断产生变形，直至试样被拉断为止。实验机自动记录装置可将整个拉伸过程中的拉伸载荷和伸长量描绘在以拉伸载荷F为纵坐标、伸长量△l为横坐标的图上，即得到力一伸长曲线(也叫拉伸曲线)，如图1-3所示。(1)屈服点σs。试样在试验过程中，力不增加(保持恒定)仍能继续伸长(变形)时的应力称为屈服点，在图1-3的s阶段，s点的应力σs即为屈服点，计算公式如下：式中σs——屈服点(N/mm2)；

Fs——试样屈服时的载荷(N);上一页下一页返回1.2静载荷条件下材料的力学性能S0——试样原始横截面积(mm2)。有些材料在拉伸过程中无明显屈服现象，很难测出屈服强度，此时用测定规定残余伸长应力σr来表示它的屈服点。σr表示试样卸除拉伸载荷后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。所谓的规定残余伸长应力是指试样卸除拉伸载荷后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力，如表示规定残余伸长率达到0.2%时的应力，如图1-4所示。按下列公式计算：式中Fr0.2——残余伸长率达0.2%时的载荷(N);S0——试样原始横截面积(mm2)；

σr0.2——规定残余伸长应力(N/mm2)。图1-4所示为规定残余伸长应力示意图。机械零件在工作时如受力过大，则因过量的塑性变形而失效。当零件上一页下一页返回1.2静载荷条件下材料的力学性能工作时所受的力低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，则不会产生过量的塑性变形。材料的屈服点或规定残余伸长应力越高，允许的工作应力也越高，则零件的截面尺寸及自身质量就可以减少。因此，材料的屈服点或规定残余伸长应力是机械设计的主要依据，也是评定材料优劣的重要指标。(2)抗拉强度。材料在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度。用符号σb表示，按下列公式计算：式中σb——抗拉强度(N/mm2)；

Fb——试样承受的最大载荷(N);S0——试样原始横截面积(mm2)。抗拉强度表示材料在拉伸载荷作用下的最大均匀变形的抗力。也是机械零件设计和选材的主要依据之一。上一页下一页返回1.2静载荷条件下材料的力学性能1.2.2塑性塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。塑性指标也是由拉伸试验测得的，常用材料拉伸时最大的相对塑性变形(伸长率和断面收缩率)来表示。试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率，用符号δ表示。其计算方法如下:式中δ——伸长率(％);L1——试样拉断后的标距(mm);L0——试样的原始标距(mm)。试样拉断后，缩颈处截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比为断面收缩率，用符号ψ表示。其计算方法如下:上一页下一页返回1.2静载荷条件下材料的力学性能式中ψ——断面收缩率(％);S0——试样的原始横截面积(mm2)；

S1——试样拉断处的最小横截面积(mm2)。材料的伸长率(δ)和断面收缩率(ψ)数值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的材料可以发生大量塑性变形而不破坏，便于通过塑性变形加工成复杂形状的零件。例如，工业纯铁的δ可达50%，ψ可达80%，可以拉成细丝、轧薄板等。而铸铁的δ和ψ几乎为零，所以不能进行塑性变形加工。塑性好的材料，在受力过大时，由于首先产生塑性变形而不致发生突然断裂，因此比较安全。1.2.3硬度材料抵抗局部变形(特别是塑性变形)、压痕或划痕的能力称为上一页下一页返回1.2静载荷条件下材料的力学性能硬度。通常，材料越硬，其耐磨性越好。同时通过硬度值可估计材料的近似σb值。硬度试验方法比较简单、迅速，可直接在原材料或零件表面测试，因此被广泛应用。常用的硬度测试方法是压入法，主要有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)、维氏硬度(HV)等。此外，还有划痕硬度试验法(如莫氏硬度)、回跳硬度试验法(如肖氏硬度)等，生产中常用的是压入硬度试验法。(1)布氏硬度。布氏硬度是用一定直径的淬硬钢球或硬质合金球做压头，以相应的实验载荷压入试样表面，经规定保持时间后，卸除实验载荷，测量试样表面压痕直径，如图1-5所示。布氏硬度值是实验载荷除以球面压痕表面积所得的值，用符号HBS(W)来表示，HBS表示压头为淬硬钢球，HBW表示压头为硬质合金球，计算公式如下:上一页下一页返回1.2静载荷条件下材料的力学性能式中F——试验力(N);D——球体直径(mm);d——压痕平均直径(mm)。从上式中可以看出，当F、D—定时，布氏硬度值仅与压痕平均直径d的大小有关。d越小，布氏硬度值越大，材料硬度越高；反之，说明材料越软。在实际应用中，布氏硬度一般不用计算，而是用专用的刻度放大镜量出压痕直径d，查表即可得到。布氏硬度用符号HB表示。使用淬硬钢球时用HBS表示，适合于测定布氏硬度值在450以下的材料；使用硬质合金球压头时用HBW表示，适合于测量布氏硬度值在450~650之间的材料。符号HBS或HBW之前的数字为硬度值，符号后面按以下顺序用数字表示试验条件。例如：180HBS10/1000/10表示用直径10mm的淬硬钢球压头上一页下一页返回1.2静载荷条件下材料的力学性能在9.8kN(1000kgx9.8N/kg)的试验载荷作用下，保持10s时测得的布氏硬度值为180。550HBW5/750表示用直径5mm的硬质合金球压头在7.35kN(750kgx9.8N/kg)的试验载荷作用下，保持10~15s(可省略，不标注)时测得的布氏硬度值为550。布氏硬度试验时，压头球体的直径(D)、试验力(F)及试验力保持的时间(t)应根据被测材料的种类、硬度值的范围及的厚度进行选择，见表1-1。布氏硬度实验压痕面积较大，受测量不均匀度影响较小、，故测量结果较准确，适合于测量组织粗大且不均匀的金属材料的硬度，如铸铁、铸钢、非铁金属及其合金，各种退火、正火及调质的钢材。但是布氏硬度操作时间较长，对不同材料需要更换压头和试验力，压痕测量也较费时间。在进行高硬度材料试验时，由于球体本身的变形会使测量结果不准确。压痕较大，不宜于测量成品及薄件。上一页下一页返回1.2静载荷条件下材料的力学性能(2)洛氏硬度。洛氏硬度是在初始试验力(F0)及总试验力(F0+F1)先后作用下，将压头(金刚石圆锥体或钢球)压入试样表面，经规定保持时间后卸除主试验力(F1)，用保持初始试验力的条件下，测量的残余压痕深度增量来计算硬度，如图1-6所示。图中0-0位置为压头与试件表面未接触的位置；1-1位置为旋转洛氏硬度计手柄使试样台上升，试样表面接触压头后，开始施加初始实验载荷F0，压头经试件表面压入试样深度为h1；2-2位置为初始实验载荷F0和主实验载荷F1共同作用下，压头压入试样深度为h2；3-3位置为在卸除主实验载荷F1后，但保持初始实验载荷F0条件下，因试样弹性变形使压头恢复的位置，此时压头压入试样深度为h3。因此，压头在主实验载荷F1作用下，实际压入试样产生塑性变形的压痕深度为，e=h3-h1(残余压痕深度增量)。用e的大小来判断材料的硬度，e越大，硬度越低，反之则越高。为了用一台硬度计测定从软到硬不同材料的硬度，可采用不同的压头上一页下一页返回1.2静载荷条件下材料的力学性能和总试验力，组成15种洛氏硬度标尺，每一种标尺用一个字母在洛氏硬度符号HR后面加以注明。常用的洛氏硬度标尺是HRA、HRB、HRC三种。其中HRC应用最为广泛。三种洛氏硬度标尺的试验条件和适用范围见表1-2。洛氏硬度试验的优点是操作简单、迅速，能直接从刻度盘上读出硬度值；压痕较小，可以测定成品极薄的工件；测试的硬度值范围大，可测从很软到很硬的材料。其缺点是压痕较小，当材料的内部组织不均匀时，硬度数据波动较大，使测量值的代表性不足，通常需要在不同部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度。(3)维氏硬度。维氏硬度试验原理基本上和布氏硬度试验相同，其试验原理如图1-7所示。将相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石压头，以选定的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量压痕对角线的长度来计算硬度。即用正四棱锥形压痕单位表面积上承受的平均压力代表维氏硬度值，用符号HV表示。上一页下一页返回1.2静载荷条件下材料的力学性能计算公式如下：式中HV——维氏硬度值；

F——试验力(N);d——压痕两对角线长度算术平均值(mm)。在实际工作中，维氏硬度值同布氏硬度一样，不用计算，而是根据压痕对角线长度，从表直接出。维氏硬度试验所用的试验力可根据试件的大小、厚薄等条件进行选择，常用试验力在49.03~980.7N范围内变动。试验力保持的时间：黑色材料为10〜15s;有色材料为30s±2s。维氏硬度用符号HV表示，HV前面为硬度值，HV后面的数字按顺序表示试验条件。例如，640HV30表示用294.2N(30kgf)试验力，保持10〜15s(可省略不标)测定的维氏硬度值为640。上一页下一页返回1.2静载荷条件下材料的力学性能维氏硬度因试验时所加的试验力小，压入深度较浅，故可测量较薄的材料，也可测量表面渗碳、氮化层的硬度。而维氏硬度值具有连续性(10〜1000HV)，故可测定很软到很硬的各种材料的硬度，且准确性高。维氏硬度试验的缺点是试验时需要测量压痕对角线的长度，测试手续较繁；压痕小，对试件表面质量要求较高。上一页返回1.3动载荷下力学性能1.3.1冲击韧性许多机械零件在工作中，往往要受到冲击载荷的作用，如活塞销、锤杆、冲模和锻模等，制造这类零件所用的材料，其性能指标不能单纯用静载荷作用下的指标来衡量，而必须考虑材料抵抗冲击载荷的能力。材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为韧性。目前，常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料的韧性。(1)冲击试样。为了使试验结果可以互相比较，试样必须采用标准试样，冲击试样的类型很多，需根据国家标准GB229-1984和GB2106-1980有关标准的要求来选择。常用的试样有(10x10x5)mm3的V形缺口和U形缺口试样，其尺寸如图1-8及图1-9所示。(2)冲击试验的原理及方法。冲击试验是利用能量守恒原理：试样被冲断过程中吸收的能量等于摆锤冲击试样前后的势能差。冲击试验是这样进行的：将待测的材料加工成标准试样，然后放在下一页返回1.3动载荷下力学性能试验机的支座上，放置时，试样缺口应背向摆锤的冲击方向，如图1-10(a)所示。再将具有一定重力G的摆锤举至一定的高度H1[见图1-10(b)]，使其获得一定的势能(GH1)，然后使摆锤自由落下，将试样冲断。摆锤的剩余势能为GH2。试样破断所吸收的能量即是摆锤冲击试样所做的功，称为冲击吸收功，用符号Ak表示，单位为J。其计算公式如下：式中Ak——冲击吸收功(J);G——摆锤的重力(N);H1——摆锤举起的高度(m);H2——冲断试样后，摆锤回升的高度(m)。冲击吸收功(Ak)除以试样缺口处截面积(S0)，即可得到材料的冲击韧度，用符号ak表示，其计算公式如下：上一页下一页返回1.3动载荷下力学性能式中ak——冲击韧度(J/cm2)；

Ak——冲击吸收功(J);S0——试样缺口处截面积(cm2)。冲击韧度是冲击试样缺口处单位横截面积上的冲击吸收功，冲击韧度越大，表示材料的韧性越好。必须说明的是，使用不同类型的试样(U形缺口或V形缺口)进行试验时，其冲击吸收功应分别标为AkU或AkV，冲击韧度则标为akU或akV。小能量多次冲击试验。实践表明，承受冲击载荷的机械零件，很少因一次大能量冲击而遭破坏，绝大多数是在一次冲击不足以使零件破坏的小能量多次冲击作用下而破坏的，如凿岩机风镐上的活塞、冲模的冲头等。它们的破坏是由于多次冲击损伤的积累，导致裂纹的产生与扩展的结果，根本不同于一次冲击的破坏过程。对于这样的零件，用冲击韧度来设计显然是不符合实际的。上一页下一页返回1.3动载荷下力学性能实践表明，一次冲击韧度高的材料，小能量多次冲击抗力不一定高，如大功率柴油机曲轴是用孕育铸铁制成的，它的冲击韧度接近于零。而在长期使用中未发生断裂。因此，需要采用小能量多次冲击试验来检验这类材料的抗冲击性能。小能量多次冲击测试的原理如图1-11所示。试样在冲头多次冲击下断裂时，经受的冲击次数(N)，代表材料的抗冲击能力。实践证明，在小能量多次冲击条件下，其冲击抗力主要取决于材料的强度和塑性。1.3.2疲劳强度(1)疲劳概念。许多机械零件如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等在工作过程中各点的应力随时间做周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力(也称循环应力)。在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而上一页下一页返回1.3动载荷下力学性能产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为材料的。疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。据统计，在机械零件失效中大约有80%以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形而突然破断。所以，疲劳破坏经常造成重大事故。(2)疲劳破坏的特征。尽管疲劳载荷有各种不同的类型，但疲劳破坏有共同的特点：①疲劳断裂时并没有明显的宏观塑性变形，断裂前没有预兆，而是突然地破坏。②引起疲劳断裂的应力很低，常常低于材料的屈服点。③疲劳破坏的宏观断口由两部分组成，即疲劳裂纹的策源地及扩展区(光滑部分)和最后断裂区(毛糙部分)，如图1-12所示。机械零件之所以产生疲劳上一页下一页返回1.3动载荷下力学性能断裂，是由于材料表面或内部有缺陷(夹杂、划痕、尖角等)。这些地方的局部应力大于屈服点，从而产生局部塑性变形而导致开裂。这些微裂缝随应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至最后载的截面大大减小，以致不能承受所加载荷而突然断裂。(3)疲劳曲线和疲劳极限。疲劳曲线是交变应力与循环次数的关系曲线，如图1-13所示。曲线表明，材料承受的最大交变应力越大，则断裂时应力循环次数(N)越少；反之，则N越大。从图1-13可以看出，当应力低于一定值时，试样可以经受无限周期循环而不破坏，此应力值称为材料的疲劳极限，用σrr表示，r表示应力循环不对称系数。对于对称循环(见图1-14)r=-1，故疲劳极限用σ-1表示。实际上，材料不可能做无限次交变载荷试验。对于黑色材料，一般规定应力循环107周次而不断裂的最大应力称为疲劳极限。有色材料、不镑钢等取108周次。上一页下一页返回1.3动载荷下力学性能1.3.3断裂韧度前面几节讨论的力学性能，都是假定材料是均气、连续、各向同性的。以这些假设为依据的设计方法称为常规设计方法。根据常规方法分析认为是安全的设计，有时会发生意外断裂事故。研究这种在高强度金属材料中发生的低应力脆性断裂，发现前述假设是不成立的。实际上，材料的组织远非是均匀、各向同性的，组织中有微裂纹，还会有夹杂、气孔等宏观缺陷，这些缺陷可看成是材料中的裂纹。当材料受外力作用时，这些裂纹的尖端附近便出现应力集中，形成一个裂纹尖端的应力场。根据断裂力学对裂纹尖端应力场的分析，裂纹前端附近应力场的强弱主要取决于一个力学参数，即应力强度因子K1，单位为MN•m-3/2。上一页下一页返回1.3动载荷下力学性能式中Y——与裂纹形状、加载方法及式样尺寸有关的量，是个无量纲的系数；

σ——外加拉应力(MPa);α——裂纹长度的一半(m)。对某一个有裂纹的试样(或机件)，在拉伸外力作用下，Y值是一定的。当外加拉力逐渐增大，或裂纹逐渐扩展时，裂纹尖端的应力强度因子KI也随之增大；当KI增大到某一临界值时，试样(或机件)中的裂纹会产生突然失稳扩展，导致断裂。这个应力强度因子的临界值称为材料的断裂韧度，用KI表示。断裂韧度是用来反映材料抵抗裂纹失稳扩展，即抵抗脆性断裂能力的性能指标。当KI<KIC时，裂纹扩展很慢或不扩展；当KI≥KIC时，则上一页下一页返回1.3动载荷下力学性能材料发生失稳脆断。这是一项重要的判据，可用来分析和计算一些实际问题。例如，若已知材料的断裂韧度和裂纹尺寸，便可以计算裂纹扩展以致断裂的临界应力，即机件的承载能力；或者已知材料的断裂韧度和工作应力，就能确定材料中允许存在的最大裂纹尺寸。断裂韧度测定是把试验材料制成一定形状和尺寸的试样，在试样上预制出能反映材料实际情况的疲劳裂纹，然后施加载荷。试验中用仪器自动记录并绘出外力和裂纹扩展的关系曲线，经过计算和分析，确定断裂韧度。能够反映材料抵抗裂纹失稳扩展的性能指标及其试验测定方法有多种，具体试验测定方法及要求见GB4161-1984，《金属材料平面应变断裂韧度KIC试验方法》、GB2358-1994《金属材料裂纹尖端张开位移试验方法》(CTOD)、GB2038-1991《利用JR阻力曲线确定金属材料延性断裂韧度的试验方法》(JIC)等。断裂韧度是材料固有的力学性能指标，是强度和韧性的综合体现。它上一页下一页返回1.3动载荷下力学性能与裂纹的大小、形状、外加应力等无关，主要取决于材料的成分、内部组织和结构。1.3.4高温下材料的力学性能高压蒸汽锅炉、汽轮机、内燃机、航空航天发动机、炼油设备等机器设备中的一些构件是长期在较高温度下运行的。对这类构件仅考虑常温下的力学性能是不行的。一方面是因为温度对材料力学性能指标影响较大。随着温度升高，强度、刚度、硬度要下降，塑性要增加。另一方面是在较高温度下，载荷的持续时间对力学性能也有影响，会产生明显的蠕变。金属的蠕变是指在长时间的恒温、恒应力作用下即使应力小于该温度下的屈服点也会缓慢地产生塑性变形的现象。因此，对材料在高温下的力学性能的评定还需要建立另外的一些力学性能指标。主要有蠕变极限和持久强度。上一页下一页返回1.3动载荷下力学性能蠕变极限是指在高温下载荷长期作用时，材料对蠕变的抵抗能力。蠕变极限通常有两种表示形式：一种是在给定的温度下，使试样产生规定的蠕变速度的应力值。以符号(MN/m2)表示。其中，T为试样所处的温度(℃);为蠕变的速度(％/h)，如