[材料科学]《机械工程材料与热加工》第一章 金属的力学性能ppt课件

1、 第一章第一章 金属的力学性能金属的力学性能机械工程系金工教研室 第一章第一章 金属的力学性能金属的力学性能 教学目的教学目的: 了解资料的主要力学性能目的：屈服强度、了解资料的主要力学性能目的：屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率、硬度、冲击韧抗拉强度、伸长率、断面收缩率、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性等力学性能及其测试原性、疲劳强度、断裂韧性等力学性能及其测试原理；理； 强调各种力学性能目的的消费实践意义；强调各种力学性能目的的消费实践意义； 了解工程资料的物理性能、化学性能及工艺了解工程资料的物理性能、化学性能及工艺性能。性能。金属的力学性能金属的力学性能定义定义 : 金属资料的力

2、学性能是指金属资料金属资料的力学性能是指金属资料在不同环境温度、介质下，接受各在不同环境温度、介质下，接受各种外加载荷拉伸、紧缩、弯曲、改动、种外加载荷拉伸、紧缩、弯曲、改动、冲击、交变应力等时所表现出的力学冲击、交变应力等时所表现出的力学特征。特征。 目的目的 : 弹性弹性 、刚度、强度、塑性、刚度、强度、塑性 、 硬度、硬度、冲击韧性冲击韧性 、断裂韧度和疲劳强度等。、断裂韧度和疲劳强度等。资料的其他性能资料的其他性能 物理性能：物理性能： 密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等；磁性等； 化学性能：化学性能： 耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等；

3、耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等； 工艺性能：工艺性能： 铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性、热处置工艺性等。工性、热处置工艺性等。 第一节第一节 强度和塑性强度和塑性 一、拉伸实验与拉伸曲线一、拉伸实验与拉伸曲线 1.拉伸试样拉伸试样 GB6397-86规定规定有：有： 圆形、矩形、异型及全截面圆形、矩形、异型及全截面 常用规范圆截面试样。常用规范圆截面试样。 长试样：长试样：L0=10d0; 短试样：短试样：L0=5d0拉伸试样拉伸试样第一节第一节 强度和塑性强度和塑性 2.拉伸过程拉伸过程拉伸试样的颈缩景象拉伸试样的颈缩景象拉伸实验拉伸实验机机

4、op段：比例弹性变形阶段； pe段：非比例弹性变形阶段；平台或锯齿s段：屈服阶段； sb段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。 b点：构成了“缩颈。 bk段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点断裂。断裂总伸长为Of，其中塑形变形Og(试样断后测得的伸长)，弹性伸长gf。 l Fl bl ul Fbbk Fss o g fe Fep Fp3.拉伸曲线拉伸曲线4.应力与应变曲线应力与应变曲线 (1)应力应力 ：单位面积上试样接受的载荷。这里用试样：单位面积上试样接受的载荷。这里用试样接受的载荷除以试样的原始横截面积接受的载荷除以试样的原始横截面积S 0表示表示: F 载荷载荷( N ) = ( M pa

5、 ) S 0 原始横截面积原始横截面积( mm2) (2)应变应变：单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量：单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原始标距表示除以试样的原始标距表示: l伸长量伸长量(mm ) = l 0原始长度原始长度( mm) (3)应力应变曲线应力应变曲线 - 曲线曲线: 外形和拉伸曲线一样，单位不同外形和拉伸曲线一样，单位不同bse退火低碳钢低、中回火钢淬火钢及铸铁中碳调质钢 5.不同资料的拉伸曲线不同资料的拉伸曲线二、强度和刚度二、强度和刚度0SF2.刚度：将资料抵抗弹性变形的才干称为刚度。刚度：将资料抵抗弹性变形的才干称为刚度。弹性模量：弹性下应力与应变的比值

6、弹性模量：弹性下应力与应变的比值,表示资料抵表示资料抵抗弹性变形的才干。即：抗弹性变形的才干。即： E= / 资料的资料的E越大，刚度越大；越大，刚度越大； E对组织不敏感；对组织不敏感；零件的刚度主要决议于零件的刚度主要决议于E，也与外形、截面等有，也与外形、截面等有关。关。E= / 1.弹性弹性:金属资料受外力作用时产生变金属资料受外力作用时产生变形形,当外力去掉后能恢复到原来外形及当外力去掉后能恢复到原来外形及尺寸的性能。尺寸的性能。弹性变形弹性变形: 随载荷撤除而消逝的变形。随载荷撤除而消逝的变形。 3.弹性极限弹性极限: Fe 弹性极限载荷弹性极限载荷( N ) e = ( M pa

7、 ) S0 试样原始横截面积试样原始横截面积( mm2)e e4.强度强度: 资料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的才干。资料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的才干。种类种类: 抗拉强度、抗拉强度、 抗压强度、抗压强度、 抗弯强抗弯强 度度 、 抗剪强度抗剪强度 、 抗扭强度等。抗扭强度等。 (1) 屈服点屈服点 与屈服强度与屈服强度: 产生明显塑性变形的最低应力值产生明显塑性变形的最低应力值. Fs s = ( M Pa ) S0试样屈服时的载荷试样屈服时的载荷( N )试样原始横截面积试样原始横截面积( mm2)s 屈服强度屈服强度( 塑性变形量为塑性变形量为0.2%，微量塑性变形，微量塑性变

8、形) F0.2 0.2 = ( M Pa ) S 0 试样原始横截面试样原始横截面( mm2)试样产生试样产生0.2%剩余塑性变剩余塑性变 形时的载荷形时的载荷(N)0.2：试样产生剩余塑性变形：试样产生剩余塑性变形0.2%时的应力时的应力试样产生试样产生0.2%剩余塑性变形剩余塑性变形 屈服点屈服点 s 、屈服强度、屈服强度0.2是零件设计的主要根是零件设计的主要根据；也是评定金属强度的重要目的之一。据；也是评定金属强度的重要目的之一。(2)抗拉强度：试样在断裂前所能接受的最大应力。抗拉强度：试样在断裂前所能接受的最大应力。它表示资料抵抗断裂的才干。它表示资料抵抗断裂的才干。是零件设计的重要

9、根据；也是评定金属强度的是零件设计的重要根据；也是评定金属强度的重要目的之一。重要目的之一。 F b 试样断裂前的最大载荷试样断裂前的最大载荷(N) b = ( M Pa ) S 0 试样原始横截面积试样原始横截面积( mm2)bse三、塑性三、塑性:是指资料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏是指资料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的才干。的才干。 (1)断面收缩率断面收缩率: 是指试样拉断处横截面积的收缩是指试样拉断处横截面积的收缩量量 S与原始横截面积与原始横截面积S0之比。之比。(2)伸长率伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量是指试样拉断后的标距伸长量 L 与原与原始标距始标距L 0之比

10、。之比。 S0 - S 1 = - 100% S0 l 1 - l0 = - 100% l0 10% 属塑性资料属塑性资料 思索思索:同一资料同一资料5 10？ l=lub = l/l0=lu/l0 + lb/l0ubbseE塑性目的不直接用于计算，但任何零件都需求一定塑性。塑性目的不直接用于计算，但任何零件都需求一定塑性。防止过载断裂；塑性变形可以缓解应力集中、削减应力峰值。防止过载断裂；塑性变形可以缓解应力集中、削减应力峰值。练习题一练习题一 拉力试样的原标距长度为50mm，直径为10mm，经拉力实验后，将已断裂的试样对接起来丈量，假设最后的标距长度为71mm，颈缩区的最小直径为4.9mm

11、，试求该资料的伸长率和断面收缩率的值？ 解： =71-50/50 x100%=42% S0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2) S1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2) =(S0-S1)/S0 x100%=24%练习题二练习题二某工厂买回一批资料要求：s230MPa；b410MPa；523%；50%做短试样0=50；0=10mm拉伸实验，结果如下：Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;问买回的资料合格吗？解： 根据实验结果计算如下：sFss(19x1000)/(3.14x52 )=242 230MPa b Fb s(34.5x1000

12、)/(3.14x52 )=439.5 410MPa 5 l l 0 x100% (63.1-50)/50 x100%=26.2% 23% S S 0 x100% 60.31% 50%资料的各项目的均合格，因此买回的资料合格。第二节第二节 硬硬 度度布氏硬度布氏硬度HB 洛氏硬度洛氏硬度HR 维氏硬度维氏硬度HV锉刀法锉刀法五五.硬度硬度( hardness ):是指是指资料抵抗其他硬物体压资料抵抗其他硬物体压入其外表的才干入其外表的才干常用丈量硬度的方法常用丈量硬度的方法(1)布氏硬度布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )布氏硬度计布氏硬度计 (1)布氏硬度布氏硬度 HB (

13、 Brinell-hardness )适用范围适用范围:v 450HBS;v 650HBW;(1)布氏硬度布氏硬度 HB ( Brinell-hardness ) 符号符号HBSHBS或或HBWHBW之前的数字表示硬度值，之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷坚持时间。载荷及载荷坚持时间。如如:120HBS10/1000/30:120HBS10/1000/30表示直径为表示直径为10mm10mm的钢的钢球在球在1000kgf1000kgf9.807kN9.807kN载荷作用下坚持载荷作用下坚持30s30s测得的布氏硬度值为测

14、得的布氏硬度值为120120。(2)洛氏硬度洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness )h1-h0洛氏硬度测试表示图洛氏硬度测试表示图洛氏硬度计洛氏硬度计10HRCHBS(3)维氏硬度维氏硬度 HV ( diamond penetrator hardness )适用范围适用范围: 丈量薄板类丈量薄板类 ; HVHBS ;(5) 锉刀法锉刀法: 一组硬度差为一组硬度差为5HRC的锉刀。的锉刀。例如例如:10HRC、15HRC、20HRC等。等。六六.冲击韧性冲击韧性( notch toughness ): 资料在冲击载荷作用下抵抗破坏资料在冲击载荷作用下抵抗破坏的才干。的才干。冲击实

15、验机冲击实验机冲击试样和冲击实验表示图冲击试样和冲击实验表示图试样冲断时所耗费的冲击功试样冲断时所耗费的冲击功A k为为: A k = m g H m g h (J) 冲击韧性值冲击韧性值a k 就是试样缺口处单位就是试样缺口处单位截面积上所耗费的冲击功。截面积上所耗费的冲击功。 AK a k = (J/cm) S0七七.疲劳强度疲劳强度( fatigue strength ): 表示资料经无数次交变载荷作表示资料经无数次交变载荷作 用而不致引起断裂的最大应力值。用而不致引起断裂的最大应力值。钢材的循环次数普通取钢材的循环次数普通取 N = 107有色金属的循环次数普通取有色金属的循环次数普通取 N = 108钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系钢材的疲劳强度与抗拉