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文档简介
铝合金材料基础知识培训开发部/王海东2009年07月第四章塑性变形原理一、概述1、金属受力就变形,用应力考核力的大小(单位:N/m2放大106倍为MPa),变形过程中力的变化如下图示。这是最简单的“常温、静力、单向拉伸”情况下的关系。经弹性变形、塑性变形到断裂。
ΔLF0低碳钢脆性材料2、弹性变形的特点A、变形量很小,肉眼看不出,但量得出;B、变形量与力成直线正比例关系,σ=Eε,比例关系E叫弹性模量(MPa),反映原子间结合力的大小;C、取消外力,变形即告恢复,故交弹性变形,是体积的变形;D、晶体内部,原子间相对位置保持不变;3、塑性变形的特点A、外力要超过屈服强度才发生,但无明确的转折点,常以σ=0.2%时的应力σ0.2为屈服强度;B、取消外力后,体积恢复原大小,但外形不再恢复原状,所以叫塑性变形,受力后的总变形由体积变形和形状变形组成;C、根据不同条件,随变形量的增大,力可能增大,但增大量没有弹性阶段大,也不是直线关系,但也可能保持不变;D、晶体内部原子间相对位置发生变化,大量原子做定向迁移;
E、过程中,晶体内部中造成大量缺陷,导致力性、理化工艺性能改变;4、破裂的特点A、破裂过程是由晶体缺陷演化,扩大成裂纹,最终为全面破裂;B、有韧性断裂和脆性断裂之分。前者经历塑性变形后断裂;后者不经过或者经过较小的塑性变形后断裂,没有信号下突然断裂。不同在于断裂前投入能量的多少,少的为脆性断裂;C、断裂时的变形量为延伸率,用δ表示。断裂前经受最大的力为抗拉强度,用σb表示。另外还有弹性模量E,屈服强度σ0.2。这些是代表材料力学性能的指标---材料的好坏用它们比较。但要注意:这是“常温、静力、单向拉伸”时的数据,其它条件下数据会变化,对比材料性能时要保持条件一致;D、实践中的意义重大:机具在工作时(受力时)不能发生塑性变形,更不能破裂。工件变形,既要加大与屈服强度的力,又不能使其破裂;二、金属的力学性能1、强度定义:强度是指金属材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。强度指标一般可以通过金属拉伸试验来测定。把标准试样装夹在试验机上,然后对试样缓慢施加拉力,使之不断变形直到拉断为止。在此过程中,试验机能自动绘制出载荷F和试样变形量AL的关系曲线(拉伸曲线)。1.1拉伸曲线图为低碳钢的拉伸曲线,图中纵坐标表示载荷单位为N;横坐标表示绝对伸长量△L,单位为mm。从图中可以看出下面几个变形阶段:(1)Oe———弹性变形阶段(2)es———屈服阶段 (3)sb———强化阶段(4)bk———缩颈阶段 1.2强度指标材料受到外力作用会发生变形,同时在材料内部产生一个抵抗变形的力称为内力。单位面积上的内力称为应力,单位为Pa(帕),即N/m2工程上常用MPa(兆帕),1MPa=106pa,或1Pa=1N/m2,或1MPa=1N/mm2。(1)屈服点σs材料产生屈服时的最小应力,单位为MPa。
σs=Fs/AO式中,Fs是屈服时的最小载荷(N);A0是试样原始截面积。对于无明显屈服现象的金属材料(如高碳钢、铸铁),测量屈服点很困难,工程上经常采用残余伸长为0.2%原长时的应力σ0.2作为屈服强度指标,称为规定残余伸长应力。
σ0.2=F0.2/AO
(2)抗拉强度σb材料在拉断前所承受的最大应力,单位为MPa。抗拉强度表示材料抵抗均匀塑性变形的最大能力,也是设计机械零件和选材的主要依据。
σb=Fb/AO
式中,Fb是试样断裂前所承受的最大载荷(N)。ΔL0F0.20.2%L0F2、塑性定义:金属材料在载荷的作用下,产生塑性变形而不断裂的能力称为塑性。通过拉伸试验测得的常用塑性指标有:断后伸长率和断面收缩率。
断后伸长率δ试样拉断后的标距伸长量和原始标距之比:
δ=(L1—L0)/L0×100%式中,L1试样原始标距长度。L0试样拉断后的标距长度。
断面收缩率ψ试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积之比:
ψ==(A0—A1)/AO×100%式中,Ao是试样的原始横截面积;A1是试样断口处的横截面积。2.1塑性与晶体组织有关,因为破裂是由缺陷变裂纹,再扩大到破裂的过程。所以脆性断裂与金属组织中的低熔点物质、硬脆粗大粒子、网络状的晶间物质有关;而韧性断裂与抗拉强度有关。所以并不是合金比纯金属的塑性差,而是要看他们的内部组织;2.2塑性变形三要素A、变形温度:温度不同,组织和强度不同,使塑性变化。有高温脆性区、中温脆性区和低温脆性区。所以要找合适的加工温度,以避开脆性区;(注:铝合金一般不存在中低温脆性区)B、变形速度:慢一些有利于缺陷修复,对塑性有好处,韧性高的金属裂纹长大慢,变形速度可以高;C、变形量:越大,积累的缺陷越多,当然不利。2.3塑性与应力状态的关系:拉应力是不利的,压应力有利,三向压应力更有利,所以拉伸易裂的金属挤压就好一些;2.4塑性大小一般用δ%考核,但这是单向拉伸时的数据,所以做针对性更强的测试更好;3、硬度定义:硬度是指材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力。常用来测定硬度的方法有布氏硬度试验法和洛氏硬度试验法。3.1布氏硬度试验法如图所示采用直径为D的淬火钢球或硬质合金球,在规定载荷F的作用下,压入被测金属表面,保持一定时间后卸除载荷,测定压痕直径,求出压痕球形的表面积,压痕单位表面积上所承受的平均压力(F/A)即为布氏硬度值,压头为淬火钢球时用HBS表示,压头为硬质合金球用时HBW表示。例如120HBS,450HBW。布氏硬度=
FA凹=2FπD[D-(D²-d²)½]
应用测量比较软的材料。测量范围HBS<450、HBW<650的金属材料。优缺点:压痕大,测量准确,但不能测量成品件。3.2洛氏硬度试验法采用顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球作为压头。如图所示。试验时先施加初载荷,使压头与试样表面接触良好,保证测量准确,再施加主载荷,保持到规定的时间后再卸除主载荷,依据压痕的深度来确定材料的硬度值。20~671500N120°金刚石圆锥体HRC25~1001000N1.588mm钢球HRB70~85600N120°金刚石圆锥体HRA应用范围:常用洛氏硬度标度的试验范围优点:操作简便、迅速,效率高,可直接测量成品件及高硬度的材料。缺点:压痕小,测量不准确,需多次测量。4、冲击韧度
对于承受冲击载荷的材料,如汽车发动机中的活塞,不仅要求具有高的强度和一定的塑性,还必须具备足够的冲击韧度。金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧度。冲击韧度的测定方法,如图所示。是将被测材料制成标准缺口试样,在冲击试验机上由置于一定高度的重锤自由落下而一次冲断。冲断试样所消耗的能量称为冲击功,其数值为重锤冲断试样的势能差。冲击韧度值aKV就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功,这个值越大,则韧性越好,受冲击时,越不容易断裂。5、疲劳强度在汽车上的许多零件中,比如各种轴、齿轮、弹簧、连杆等,要受到大小和方向呈周期性变化的载荷作用。这种交变载荷虽然小于材料的强度极限,甚至小于其弹性极限,但经多次循环后,在没有明显的外观变形时也会发生断裂,这种
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