汽车材料（第3版）课件：金属材料的性能

汽车材料（第3版）

金属材料的性能材料的静态力学性能材料的动态力学性能材料的工艺性能第一节第二节第三节１、了解金属材料的性能、分类方法。２、掌握金属材料力学性能指标的概念、符号、物理意义。３、理解各种性能指标的实验原理。学习目标使用性能：指金属材料在使用过程中所表现出来的性能。工艺性能：指金属材料在各种加工过程中所表现出来的性能。静载荷：指大小不变或变动很慢的载荷。冲击载荷：指突然增加的载荷。例如锤子锤击钉子时的载荷。交变载荷：指大小、方向或大小和方向均随时间发生周期性变化的载荷，又称变动载荷。学习目标第一节材料的静态力学性能一、强度强度是指金属材料在静载荷的作用下，抵抗永久变形和破坏的能力。抵抗能力越大，强度越高；反之，则越低。根据载荷作用的形式和性质特点不同，载荷可分为:抗拉强度(σｂ)、抗压强度(σｂｃ)、抗弯强度(σｂｂ)、抗剪强度(τｂ)、抗扭强度(τｔ)等几种。图１-１为载荷作用的形式。图１-１载荷作用的形式第一节材料的静态力学性能一、强度

按«金属材料拉伸试验第１部分:室温试验方法»(ＧＢ/Ｔ２２８.１—２０１０)制作拉伸试样,如图１￣２所示.图１-2普通低碳钢的圆形拉伸试样式ａ)拉伸前ｂ)拉伸后第一节材料的静态力学性能一、强度

将一截面为圆形的低碳钢拉伸试样在拉伸试验机上缓慢地拉伸，使试样承受轴向拉力Ｆ，试样沿轴向伸长，直至试样断裂，并测得应力-应变曲线。如图１-３所示，图中，σ为应力，ε为应变。图１-３低碳钢和铸铁的σ-ε曲线ａ)低碳钢ｂ)铸铁第一节材料的静态力学性能(Mpa)式中:Ｆ———所加载荷ＮＡ０———试样原始截面积,ｍｍ２Ｌ０———试样的原始标距长度,ｍｍＬ———试样变形后的标距长度,ｍｍΔＬ———伸长量,ｍｍ图１￣３中明显地表现出下面几个变形阶段第一节材料的静态力学性能Ｏｅ:弹性变形阶段，试样的变形量与外加载荷成正比,载荷卸掉后,试样恢复到原来的尺寸。ｅｓ:屈服阶段，此时不仅有弹性变形，还发生了塑性变形，即载荷卸掉后，一部分形变恢复，还有一部分形变不能恢复。形变不能恢复的变形称为塑性变形。ｓｂ:强化阶段，为使试样继续变形，载荷必须不断增加，随着塑性变形增大，材料变形抗力也逐渐增加。ｂｄ:缩颈阶段，当载荷达到最大值时，试样的直径发生局部收缩，称为“缩颈”，此时变形所需的载荷逐渐降低。ｄ点:试样发生断裂，金属材料的强度指标根据其变形特点不同，分为下列几项。第一节材料的静态力学性能１.弹性极限σｅ弹性极限表示材料保持弹性变形，不产生永久变形的最大应力，是弹性零件的设计依据。设计车用弹性零件(如弹簧)时必须考虑弹性极限。式中:Ｆｅ———试样在不产生塑性变形时的最大载荷，ＮＡ０———试样的原始横截面积，ｍｍ２２.屈服极限(屈服强度)σｓ屈服极限(屈服强度)表示金属开始发生明显塑性变形的抗力，有些材料(如铸铁)没有明显的屈服现象。如图１￣３ｂ)所示，则用条件屈服极限来表示，即产生0.2%残余应变时的应力值σ０.２。第一节材料的静态力学性能式中:Ｆｓ———试样发生屈服变形时的载荷,ＮＡ０———试样原始横截面积,ｍｍ２３.强度极限(抗拉强度)σｂ强度极限(抗拉强度)表示金属受拉时所能承受的最大应力.式中:σｂ———强度极限,ＭＰａＦｂ———试样在断裂前所承受的最大载荷,ＮＡ０———试样的原始横截面积,ｍｍ２第一节材料的静态力学性能二、塑性１.伸长率在拉伸试验中,试样拉断后,标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率,用符号δ表示。式中:Ｌ１———试样拉断后的标距，ｍｍＬ０———试样的原始标距，ｍｍΔＬ———最大伸长量，ｍｍ第一节材料的静态力学性能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比称为断面收缩率，用符号ψ表示。式中:Ｓ１———试样拉断后缩颈处最小横截面积,ｍｍ２Ｓ０———试样的原始横断面积,ｍｍ２ΔＳ———试样缩颈处截面积的最大缩减量,ｍｍ２金属材料的伸长率(δ)和断面收缩率(ψ)数值越大,表示材料的塑性越好。第一节材料的静态力学性能三、硬度硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，它反映金属材料抵抗比它更硬物体压入其表面的能力。测定硬度的方法很多，主要有压入法、刻画法、回跳法等，在机械制造中主要采用压入法。压入法测试的硬度有:布氏硬度(ＨＢ)、洛氏硬度(ＨＲ)和维氏硬度(ＨＶ)等。１.布氏硬度图１-４为布氏硬度测试原理图。图１-４第一节材料的静态力学性能

用一定直径的球体(钢球或硬质合金球)在一定载荷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,计算硬度值,布氏硬度值用球面压痕单位表面积上所承受的平均压力来表示,用符号ＨＢＳ(当用钢球压头时)或ＨＢＷ(当用硬质合金球时)来表示。１.布氏硬度式中:Ｆ———载荷，ＮＤ———球体直径，ｍｍｄ———压痕平均直径，ｍｍ第一节材料的静态力学性能２.洛氏硬度图１-５为洛氏硬度测试原理图图１-５洛氏硬度测试原理图第一节材料的静态力学性能

将金刚石压头(或钢球压头)，在先后施加两个载荷(预载荷Ｐ０和总载荷)的作用下压入金属表面，总载荷Ｆ为预载荷Ｆ０和主载荷Ｆ１之和。卸去主载荷Ｆ１后，测量其残余压入深度ｈ来计算洛氏硬度值，残余压入深度ｈ越大，表示材料硬度越低，实际测量时硬度可直接从洛氏硬度计表盘上读得，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有ＨＲＡ、ＨＲＢ、ＨＲＣ三种(表１-１)。如洛氏硬度记为６２ＨＲＣ，表示用金刚石圆锥压头，总载荷为１４７０Ｎ测得的洛氏硬度值。第二节材料的动态力学性能一、冲击韧度１.摆锤式一次冲击弯曲试验将具有规定形状和尺寸的试样放在冲击试验机的支座上,使之处于简支梁的状态，然后使处于一定高度的摆锤自由落下,将试样冲断，冲击试验的实质是通过能量转换过程,测定试样在冲击载荷的作用下折断时所吸收的功Ａｋ,冲击试样形状和尺寸如图１￣６所示。在冲击试验机上(图１￣７),测得试样冲击吸收功,用符号Ａｋ表示，Ａｋ即为表征材料冲击韧度的指标,单位为Ｊ，用冲击吸收功除以试样缺口处截面积Ｓ０,即得到材料的冲击韧度ａｋ。式中:ａｋ———冲击韧度,Ｊ/ｍ２Ａｋ———冲击吸收功,ＪＳ０———试样缺口处截面积,ｍ２第二节材料的动态力学性能ａ)Ｕ形缺口冲击试样ｂ)Ｖ形缺口冲试样

Ａｋ值越大，或ａｋ值越大，则材料的韧度越好。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，韧度与材料组织有密切关系。第二节材料的动态力学性能２.小能量多次冲击前述的冲击韧度ａｋ是大能量一次冲断试样测得的性能,但在零部件实际工作时,则很少受到这样大能量的冲击破坏,实际情况是零部件承受小能量冲击后经重复冲击才导致材料内部微裂纹的产生和扩展而断裂,采用一次性摆锤冲击弯曲试验来衡量材料的抗冲击能力是不合理的,而应进行小能量多次冲击试验,以测得材料对多次冲击的抗力,如图１-８所示。图1-7冲击试验图1-8小能量多次冲击试验原理示意图第二节材料的动态力学性能二、断裂韧度机械零件(或构件)的传统强度设计都是用材料的屈服强度σ０.２确定其许用应力。即:式中:σ———工作应力[σ]———许用应力ｎ———安全系数

一般认为，零件(或构件)在许用应力下工作是安全可靠的，既不会发生塑性变形，更不会发生断裂。第二节材料的动态力学性能１.裂纹扩展的基本形式当外力作用于含有裂纹的材料时,根据应力与裂纹扩展面的取向不同,裂纹扩展可分为张开型(Ⅰ型)、滑开型(Ⅱ型)和撕开型(Ⅲ型)三种基本形式,如图１￣９所示。

在实践中，三种裂纹扩展形式中以张开型(Ⅰ型)最危险，最容易引起脆性断裂。图1-９裂纹扩展的基本形式第二节材料的动态力学性能２.应力场强度因子ＫⅠ当材料中存在裂纹时,在裂纹尖端处必然存在应力集中,从而形成了应力场,由于裂纹扩展总是从裂纹尖端开始向前推进的,故裂纹能否扩展与裂纹尖端处的应力场大小有直接关系,衡量裂纹尖端附近应力场强弱程度的力学参量称为应力场强度因子ＫⅠ,脚标Ⅰ表示Ⅰ型裂纹的应力场强度因子,ＫⅠ越大,则应力场的应力值也越大。三、疲劳强度疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一，据统计，在机械零件断裂中，有８０％以上是由于疲劳引起的。第二节材料的动态力学性能疲劳破坏不同于静强度破坏,静强度破坏是整体断裂,而疲劳破坏往往首先在零件表面,有时也可能在零件内部某一局部区域产生裂纹,继之裂纹扩展直至断裂,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,即:引起疲劳断裂的应力很低,常常低于材料的屈服强度,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,疲劳破坏的宏观断口可明显地分成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１-１０所示。图１-１０疲劳断裂宏观断口示意图第二节材料的动态力学性能１.金属疲劳的概念轴、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作周期性的变化,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)。

材料承受的交变应力(σ)与材料断裂前承受交变应力的循环次数(Ｎ)之间的关系可用疲劳曲线来表示,如图１-１１ａ)所示,对称循环交变应力如图１-１１ｂ)所示,疲劳强度用σ－１表示。

实际上,金属材料不可能做无限次交变载荷试验。对于黑色金属,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，有色金属、不锈钢取１０８周次。第二节材料的动态力学性能图１-１１疲劳曲线和对称循环交变应力图ａ)疲劳曲线ｂ)对称循环交变应力２.提高疲劳极限的途径第二节材料的动态力学性能(１)在进行设计时尽量避免尖角、缺口和截面突变,以免应力集中及由此引起疲劳裂纹。降低零件表面粗糙度值,提高表面加工质量,尽量减少能成为疲劳源的表面缺陷(氧化、脱碳、裂纹、夹杂和刀痕、划伤等)和各表面损伤等。(２)采用各种表面强化处理,如化学热处理、表面淬火、喷丸、滚压等以形成表面残余压力,提高疲劳抗力。(３)改善零部件的结构形状、工作条件、表面加工质量、材料的材质以及内部组织的各类缺陷和残余应力等,同时采用表面淬火、喷丸处理等表面强化方法能显著地提高金属材料的疲劳极限。第三节材料的工艺性能一、铸造性能金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性能，用流动性、收缩和偏析来衡量。１.流动性熔融金属的流动能力称为流动性。２.收缩铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象称为收缩。３.偏析金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。偏析大会使铸件各部分的力学性能产生很大的差异，降低铸件的质量。第三节材料的工艺性能二、锻造性能金属材料用锻压加工方法成形的适应能力称锻造性，锻造性能主要取决于金属材料的塑性和变形抗力。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。三、焊接性能金属材料对焊接加工的适应性称为焊接性，也就是在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。四、压力加工性压力加工是使材料产生塑性变形的加工方法，变形量小可用冷加工，变形量大要用热加工，在冷或热状态的压力作用下，材料产生塑性变形的能力称为压力加工性能。第三节材料的工艺性能金属材料的冷加工性能一般还用冷弯试验衡量，如图1-１２所示。

图１-１２冷弯性能示意图ａ)预压ｂ)Ｖ形成形ｃ)Ｕ形成形ｄ)折叠Ｌ-试样长度