第一章-金属的力学性能..ppt

1、第一章 金属材料的力学性能,金属材料的力学性能是进行航空金属零件结构设计和维修时必须考虑的一项重要因素。,引言：,1、金属材料的性能,使用性能：,指材料在使用过程中所表现的性能，主要包括力学性能、物理性能和化学性能。,工艺性能：,指在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能。,2、金属材料力学性能,包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。,指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度、断裂韧性和疲劳强度等。,金属材料力学性能概述 金属材料的力学性能指标表征金属抵抗各种损伤作用的能力的大小。它是判定金属力学性能的依据，评

2、定金属材料质量的判据，同时也是设计选材和进行强度计算的主要依据。金属材料的力学性能包括常温下的强度、塑性、韧性，例如屈服点或屈服强度S（0.2）、抗拉强度b、伸长率、断面收缩率、冲击韧性Ak等；以及特定条件下的力学性能，例如高温强度、低温冲击韧性、疲劳极限、断裂力学性能等。,金属力学性能试验是测定金属力学性能指标所进行的试验。包括： 拉伸试验、弯曲试验、剪切试验、冲击试验、硬度试验、蠕变试验、应力松驰试验、疲劳试验、断裂韧性试验、磨损试验等。,将试样放在拉伸实验机上缓慢加载拉伸，直至拉断试样，得到拉伸图，由拉伸图可知对低碳钢而言，拉伸过程分为以下几个阶段： （1）弹性变形阶段 （2）屈服变形阶

3、段 （3）变形强化阶段 （4）缩颈阶段 （5）断裂 不同材料在拉伸中经历的过程有所不同。,拉伸强度的测试方法-拉伸实验 根据GB6397-86 规定，拉伸实验试样可制成圆形、板形，分为长试样。,金属的性能指标,图1-2 低碳钢的拉伸曲线,一、 金属变形的三个阶段,1.弹性变形阶段(oa段),a.当应力 e时发生弹性变形。 b.特点：外力去除后完全恢复原状，应力、应变 成正比。 即: =E (E-弹性模量 , -应变) a点称为弹性极限 材料受力时抵抗弹性变形的能力成为刚度， 其指标即为弹性模量。,3、塑性变形阶段 (cd段),a. 当应力 s b 时发生显著但均匀的塑性变形。b. 特点：外力去

4、除后部分复原，保留一部分加工硬化。,2、屈服阶段 (abc段),金属开始显著的塑性变形，除去外力，试样 不能恢复原尺寸。,当 k 后，试样发生“颈缩”，再一分为二，发生断裂。,4、断裂阶段 (dk段),二、强度指标,1. 应力与应变,应力单位面积所承受的载荷。,应变单位长度的伸长量。,2. 弹性极限材料发生弹性变形的最大应力值。,3. 屈服极限材料发生塑性变形的最小应力值。,4抗拉强度材料抵抗塑性变形的最大应力值,材料抵抗变形和断裂的能力称为材料的强度。根据加载方式的不同，强度指标有很多种，如：屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等等，屈服和抗拉强度指标应用最为广泛。通过

5、拉伸试验可以测量以下的强度指标。,条件屈服强度,屈服强度 材料在拉伸过程中，当载荷达到某一值时，载荷不变而试样仍继续伸长的现象，称为屈服。材料开始发生屈服时所对应的应力，称为屈服点、屈服强度或屈服极限，用s表示。我国标准s规定取钢材的下屈服点值。 除退火或热轧的低碳钢和中碳钢等有屈服现象外，多数工程材料的屈服点不明显或没有屈服点，此时规定以产生0.2%残余伸长的应力作为屈服强度，用0.2表示。,抗拉强度,试样拉伸时，在拉断前所承受的最大载荷与试样原始截面之比，称为强度极限或抗拉强度，用b表示。 零件设计选材时，一般应以s或0.2为主要依据。但b的测定比较方便精确，因此也有直接用b作为设计依据的

6、，从安全方面考虑，用b作为设计依据采用较大的安全系数。由于脆性材料无屈服现象，则必须以b作为设计依据。,持久极限 持久极限又称为持久强度，是指材料在规定温度下，达到规定时间而不断裂的最大应力。常用b符号为带有一个或两个指数来表示。例如， b700/1000表示在试验温度为700时，持久时间为1000h的应力，即所谓高温持久极限。,1. 延伸率：断裂后材料的残余总变形量与原始长度之比。,2. 断面收缩率：断裂后材料的残余面积与原始面积之比,材料在外力作用下显现出的塑性变形能力称为材料的塑性 （即：材料受力破坏前承受最大塑性变形的能力）,三.塑性指标,思考： 通过以上所学内容，如何可以反映材料塑性

7、的好坏？ 材料塑性的好坏对工程有何影响？请举例说明。,图-几种类型的应力-应变曲线 （a）硬化程度较高材料的-曲线 （c）强化能力较强材料的-曲线 （b）脆性材料的-曲线 （d）塑性变形能力大的材料之-曲线,四、硬度指标,引言：,1、定义：指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。它是衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试验方法有关。,2、硬度的测试方法 （1）布氏硬度 （2）洛氏硬度 （3）维氏硬度 （4）肖氏硬度,布氏硬度计,洛氏硬度计,维氏硬度计,1、布氏硬度试验（布氏硬度计）,原理:用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试

8、验力，测量材料表面压痕直径，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。,2、布氏硬度值 用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示。 如：120HBS 500HBW,4、测量范围 用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等.,布氏硬度,3、优缺点 （1）测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）（2）可测的硬度值不高（3）不测试成品与薄件（4）测量费时，效率低,布氏硬度HB 压头：直径分别为 10、5、2.5、2、1mm ,有淬火钢球和硬质合金球两类。 大小：用单位压痕面积上所承受的平均压力大小来表示。 数值小于450 ，用HBS表示，压球为普通淬火球； 数值在450 650 ，用HBW表示

9、，压球为硬质合金球； 数值大于650，不用该方法测定硬度。 特点：压坑大，误差小；不宜检测成品、小件、薄件；主要用于毛坯、原料硬度检测；需计算。,图- 布氏硬度测试原理,1、洛氏硬度试验（洛氏硬度计）,原理: 用金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试样表面，经规定时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验。,2、洛氏硬度值 用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读出。如：50HRC,4、测量范围 用于测量淬火钢、硬质合金等材料.,洛氏硬度,3、优缺点 （1）试验简单、方便、迅速（2）压痕小，可测成品，薄件（3）数据不够准确，应测三点取平均值（4）不应测组织不

10、均匀材料，如铸铁。,洛氏硬度HR 压头：1.588mm的淬火钢球或顶角为120的金刚石锥。 加载方式 ：(1)加初载10Kg; (2) 再加主载，有50、90、140Kg 大小： 用压痕深度表示。 计算方法：HR=（K-h）/0.002 K常数， h两次加载压痕深度差， 0.002 mm为一个硬度单位，硬度值在硬度计上直接读出。,图1-4 洛氏硬度测试原理,种类：见表。 特点：压坑小，可测量成品、薄件，操作方便迅速，但测量误差大，应取多点，取平均值。 不同的HR无可比性，只能换成同一的HR方可比较。,表1-1 常用洛氏硬度标度,1、维氏硬度试验,原理:用夹角为136的金刚石四棱锥体压头，使用很

11、小试验力F（49.03-980.07N）压入试样表面，测出压痕对角线长度d。,2、维氏硬度值 用压痕对角线长度表示。如：640HV。,4、测量范围 常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。,维氏硬度,3、优缺点 （1）测量准确，应用范围广（硬度从极软到极硬）（2）可测成品与薄件（3）试样表面要求高，费工。,五、韧性,1.冲击韧性 材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力称为冲击韧性。 2.断裂韧性 材料内部在冶炼、轧制、热处理等各种制造过程中不可避免的会产生某种微裂纹，在使用过程中，由于应力集中、疲劳、腐蚀等原因，裂纹会进一步扩展，当裂纹尺寸达到临界尺寸时就会发生低应力脆断事故。 a.张开性裂纹

12、 b.滑开型裂纹 c.撕开型裂纹 材料抵抗内部裂纹失稳扩展 的能力，称为断裂韧性。,按照裂纹 的力学特征,弯曲冲击试验,韧性越好的材料，断裂时吸收的能量就越大，摆锤到达的高度就越小,冲击韧度 金属材料在使用过程中除要求有足够的强度和塑性外，还要求有足够的韧性。材料的韧性与加载速率、应力状态及温度等有很大关系。试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的功称为冲击吸收功。冲击试样缺口底部单位横截面上的冲击吸收功称为冲击韧度。冲击韧度是评定金属材料在动载荷下承受冲击抗力的机械性能指标，用ak表示，单位为J/cm2。,断裂韧度 断裂韧性是反映材料抵抗裂纹临界扩展的一种能力。它是材料固有的力学性能参数。大

13、量的试验表明，它一方面取决于材料的成分、组织和结构等内在因素，另一方面又受到加载速率、温度和试样厚度（即应力状态）等外在条件的影响。 相对材料的其他力学性能来说，材料的断裂韧度是一个比较敏感的力学性能指标，它对于材料研究、应用、制造工艺的选择以及零部件的失效分析有重要的意义。 评价材料断裂韧度最常用的指标是临界应力强度因子KIC和裂纹张开位移COD。,六、疲劳强度,许多零件，例如：直升飞机的旋翼、发动机的轴和叶片、各种齿轮、弹簧等等，在工作中受到反复改变大小或同时改变大小和方向的“交变载荷”。 疲劳断裂特征 零件在交变载荷作用下，虽然其应力比材料的抗拉强度小，甚至比屈服强度还小，但是在长期使用

14、的某一时刻也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳断裂。,疲劳源,疲劳扩展区,2.疲劳强度的测定及其影响因素 疲劳试验-当应力降至某一数值时，曲线变成水平直线，即表示材料若承受低于该水平线所对应的应力时，便可以经受无限次循环载荷也不发生疲劳断裂。 试样承受无限次应力循环仍不断裂时的最大应力作为材料的疲劳强度,影响零件疲劳寿命的因素很多，因此，提高构件疲劳强度的措施也是多方面的。 构件的疲劳破坏的特点： 1.总是从构件中应力最大部分产生疲劳裂纹开始； 2.构件中应力最大部位都在构件横截面的最外边缘，或在有应力集中的地方。 防止发生疲劳断裂的方法措施： 1.合理设计构件形状，避免在构件上开出方形或带尖角

15、的孔槽； 2.避免外形急剧改变，使改变有一个缓和的过渡，降低应力集中系数； 3.降低构件表面的粗糙度，或减小表面加工时刀具切削伤痕所造成的应力集中影响。 在运输、装配，特别是在飞机检测过程中，应尽量避免在构件表面造成伤痕，以减小应力集中的可能性。,基本概念掌握要点： 1 拉伸颈缩材料的应力应变曲线，拉伸时出现物理屈服和颈缩，拉伸时有塑性变形但不出现颈缩，拉伸时没有塑性变形。 2 比例极限：试样应力和应变成正比的关系时所能承受的最大应力，他是应力应变曲线上开始偏离直线的点。 3 弹性极限：他是由弹性变形过渡到塑性变形的临界应力，即产生弹性变形而又不产生塑性变形时所能承受的最大应力. 4 屈服强度

16、：金属开始产生塑性变形的最小应力。有屈服点，存在屈服平台。意义是描述材料塑性变形时的抗力大小。 5 抗拉强度：试样断裂前所能承受的最大拉应力，是均匀塑性变形与非均匀塑性变形的分界点。 6 真实断裂强度：拉伸断裂时的载荷处以端口处的真实截面积所得的应力值是真实断裂强度。 7 延伸率：试样断裂时标注长度的相对伸长值，由均匀延伸性和集中延伸率组成。 8 断面收缩率：试样断裂时断口横截面积的相对缩小率，有均匀断面收缩率和集中断面收索率组成。,9 比较布氏，洛氏，韦氏硬度的异同点: 不同点:1布氏硬度计用的是淬火钢和硬质合金的球形压头；2洛氏硬度计用的是金刚石圆锥形压头；3韦氏硬度计用的是金刚石四棱锥压

17、头；4布氏硬度计是单位压痕面积上的载荷，测定的是压痕球冠的直径；5洛氏硬度计是单位压痕上的深度上的载荷，测定的是压痕的深度；6韦氏硬度计是单位压痕面积上的载荷，测定的是菱形两条对角线长；7布氏硬度计可测不太硬的材料：操作繁琐，测定结果稳定，波动小;硬度值与强度等成定量关系，有换算公式；8洛氏硬度计测量压痕小，近似无损；易于批量操作；应用范围小；数据分散，可靠性差；表面洛氏硬度可用测量极爆的工件或表面覆盖材料的硬度；9韦氏硬度d测量比较准确；不宜用于批量操作；可测量显微硬度；通过对测量压头的替换实现从软到硬材料的测量 相同点：1都是采用压入法，都存在压痕；2压头的硬度都比被测工件的硬度高 弹性变形：原子之间的距离发生相对的变化，从