第1章-金属材料的力学性能.ppt

1、第一章 金属材料的力学性能 金属材料的力学性能：是指金属在不同环境因素(温度、介质)下，承受外加载荷作用时所表现的行为。这种行为通常表现为金属的变形和断裂。因此，金属材料的力学性能可以理解为金属抵抗外加载荷引起的变形和断裂的能力。 在机械制造业中，大多数机械零件或构件在不同的载荷与环境下工作。如果金属材料不具备足够的抵抗变形和断裂的能力就会使机件失去预定的效能而损坏，即产生“失效现象”。 常见的失效形式有：断裂、磨损、过量弹性变形和过量塑性变形等。 零件抵抗变形和断裂能力的大小，是用零件所用材料的力学性能指标来反映的。显然，掌握材料的力学性能不仅是设计零件、选用材料时的重要依据，而且也是按验收

2、技术标准来鉴定材料的依据，以及对产品的工艺进行质量控制的重要参数。 常用的力学性能有：强度、塑性、刚度、弹性、硬度、冲击韧度、断裂韧度和疲劳等。,第一节 强度、刚度、弹性及塑性 一、力伸长曲线与应力应变曲线 （一）力伸长曲线 曲线分三个阶段：1.弹性变形阶段：op、pe段 2.塑性变形阶段：es、sb段 3.断裂阶段：bk段,（二）应力应变曲线 二、刚度和弹性 （一）弹性模量 弹性模量E是指金属材料在弹性状态下的应力与应变的比值。 工程上将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。 （二）弹性极限 弹性极限e：是材料在不产生塑性变形时所能承受的最大应力值。,（三）弹性比功 弹性比功。又称弹性比能或应变能

3、，它表示材料发生弹性变形时可吸收能量的能力，在卸载时，又能完全释放能量而使材料恢复原状。 三、强度 强度是指金属材料在静载荷作用下，抵抗永久变形和断裂的性能。 （一）屈服点与屈服强度 屈服点s（屈服强度0.2）：是材料开始产生明显塑性变形时的最低应力值。,屈服强度0.2 :为试样标距部分产生0.2残余伸长时的应力值。 （二）抗拉强度 抗拉强度b: 是材料在破断前所承受的最大应力值。 四、塑性 塑性是指金属材料在静载荷作用下，产生塑性变形而不破坏的能力 。 （一）伸长率 伸长率是指试样拉断后标距增长量与原始标距的百分比。,（二）断面收缩率 试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。 和

4、越大，说明材料塑性就越好。金属材料有良好的塑性，则可以进行轧制、锻造、冲压等成形加工。,第二节 硬度 硬度: 指材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力，是衡量材料软硬程度的指标。 （一）布氏硬度 用直径为D的球体（硬质合金球或钢球），在规定试验力F的作用下压入被测金属的表面，保持规定时间后卸除载荷，测量试样表面压痕的直径d，用压痕单位面积的平均压力（F/S）作为测试金属的布氏硬度值。用符号HBW或HBS表示。,标注：240HBW、320HBW，符号前数值越大表示材料越硬。,布氏硬度试验法因压痕面积较大，能反映出较大范围内被测金属的平均硬度，故试验结果较精确。但因压痕较大，不宜测试成品或薄板

5、件。 应用：可用来测定未经淬火钢、铸铁、有色金属等。 （二）洛氏硬度 用一个顶角1200的金刚石圆锥体或一定直径的钢球或硬质合金球为压头，在规定试验力作用下压入被测试金属表面，由压头在金属表面所形成的压痕深度来确定其硬度值。,h愈大，被测试金属的硬度愈低；反之，则愈高。根据h值及常数N和S，用下式计算洛氏硬度： 洛氏硬度N h/S N给定标尺的数值，A、C标尺为100；B标尺为130。 S-给定标尺的单位，通常取0.002mm； h残余压痕深度mm。,符号HR，其中HRC应用最广，测量范围是2070，例如某零件硬度50HRC，表示用C标尺测定该零件表面的洛氏硬度值为50。,实际测量时，硬度值一

6、般均由硬度计的刻度盘上直接读出。 优点：是操作迅速简便，由于压痕较小，可在 成品表面或较薄的金属上进行试验。同时，采用不同标尺，可测出从极软到极硬材料的硬度。 缺点：是因压痕较小，对组织比较粗大且不均匀的材料，测得的硬度不够准确。故需测定三点，取其算术平均值。 一般用于测试淬火钢。,三、维氏硬度 用一个金刚石正四棱锥体压头，在规定试验力F作用下压入被测试金属表面，保持一定时间后卸除试验力，然后再测量压痕投影的两对角线的平均长度d，进而计算出压痕的表面积S，用F/S作为被测试金属的硬度值，符号HV。,标注：如640HV30/20表示在试验力为294.2N下，保持20S测得的维氏硬度值为640。

7、特点：载荷小，压入深度浅，可测试表面淬硬层及化学热处理的渗层等。 应用：渗碳层、陶瓷、钢、有色金属、薄板、金属薄片、电镀层、微小物体材料，热处理碳化层、脱碳层和淬火硬化层的硬度测量。,第三节 冲击韧度 金属材料在冲击载荷作用下，抵抗破坏的能力称为冲击韧性。 一、冲击试验方法与原理 摆锤式冲击试验,AK = mgH- mgh = mg（H - h）J Ak值高为韧性材料，值小为脆性材料。 二、冲击试验的应用 1.评定材料的低温变脆倾向 2.反映原材料的冶金质量和热加工产品质量,第四节 断裂韧度 零件设计的许用应力： 0.2/n 实际构件往往发生低应力断裂。原因是由于裂纹扩展造成 的。 在断裂力学

8、基础上建立起来的材料抵抗裂纹扩展的性能， 称为断裂韧度。 一、裂纹扩展的形式 二、应力场强度因子K 当材料中存在裂纹时，在裂纹尖端处必然存在应力集 中，从而形成应力场。由于裂纹扩展总是从裂纹尖端开 始的，故裂纹能否扩展与尖端应力场的大小有关。 KY,三、断裂韧度KC及其应用 断裂韧度KC:当K增大到某一邻界值时，就能使裂纹尖端的应力达到材料的断裂强度，使材料断裂。 这种裂纹扩展时的邻界状态所对应的应力场强度因子称为材料的断裂韧度。 判定含裂纹的材料在受力时裂纹是否扩展而导致断裂的条件： KY KC Yc 是设计中防止低应力脆断的重要依据。,第五节 疲 劳 一、疲劳现象 疲劳断裂：承受交变应力或重复应力的零件，在工作过程中，往往在工作应力低于其屈服强度的情况下发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。 不管是脆性材料还是韧性材料，疲劳断裂都是突然发生的，事先均无明显的塑性变形，很难觉察到，危险性大，甚至造成严重事故。据统计，大部分损坏的机械零件都属于疲劳破坏。 二、疲劳曲线与疲劳极限 疲劳曲线：交变应力与疲劳寿命（循环周次N）的关系曲线称为疲劳曲线。,1一般钢铁材料 2有色金属、高强度钢等 疲劳极限：材料在无限多次交变载荷作用下，而