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1、金屬材料的性能,材 料 的 性 能,使用性能,工藝性能,力學(xué)性能,物理性能,化學(xué)性能,鑄造性能,鍛壓性能,熱處理性能,焊接性能,力學(xué)性能,定義 : 是指金屬材料在外力的作用下所表現(xiàn)出來(lái)的抵抗能力。,力 學(xué) 性 能,強(qiáng)度,硬度,斷裂韌度,疲勞,主要指標(biāo)：,塑性,韌性,強(qiáng)度 塑性,拉伸試驗(yàn),拉伸試驗(yàn),拉伸試驗(yàn)機(jī),液壓式萬(wàn)能電子材料試驗(yàn)機(jī),* 拉伸試樣：,長(zhǎng)試樣：L0=10d0 短試樣：L0=5d0,力伸長(zhǎng)曲線,O,屈服,彈性變形,縮頸,斷裂,塑性變形,塑性變形:外力去除后不能消失的變形,彈性( elasticity ):金屬材料受外力作 用時(shí)產(chǎn)生變形,當(dāng)外力去掉后能恢復(fù) 到原來(lái)形狀及尺寸的性能。,

2、彈性變形( elastic deformation ): 隨載荷撤除而消失的變形。,拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象,力伸長(zhǎng)曲線,O,屈服,彈性變形,縮頸,斷裂,塑性變形,強(qiáng)度(strength): 材料在力的作用下抵抗 變形和破壞的能力。,種類: 抗拉強(qiáng)度、 抗壓強(qiáng)度、 抗彎強(qiáng) 度 、 抗剪強(qiáng)度 、 抗扭強(qiáng)度等。,(2)屈服強(qiáng)度( yield strength): 屈服點(diǎn) S,規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力： r0.2 =Fr0.2/S 0,(3)抗拉強(qiáng)度( tensile strength ): 試樣在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力。,力 學(xué) 性 能,強(qiáng)度,硬度,韌性,斷裂韌度,疲勞,主要指標(biāo)：,塑性,塑性(plastic

3、ity):是指材料在載荷作用下 產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。,(1)斷面收縮率(percentage reduction in area): 是指試樣拉斷處橫截面積S 1 的收縮量與原始橫截面積S0之比。,(2)斷后伸長(zhǎng)率(延伸率) specific elongation: 是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長(zhǎng)量L 1與 原始標(biāo)距L 0之比。, 10% 屬塑性材料,長(zhǎng)試樣：10 簡(jiǎn)寫(xiě)為短試樣：5,同一種材料的5 10,硬度( hardness ),1.定義： 是指材料抵抗其它更硬物體壓入其表面的能力。,2.硬度試驗(yàn)方法： （1）壓入法 （2）劃痕法 （3）回跳法,布氏硬度HB 洛氏硬度HR 維氏硬度HV

4、,壓入法,(一)布氏硬度HB(Brinell-hardness),觀看布氏硬度,1.壓頭：,淬火鋼球 HBS 硬質(zhì)合金鋼球 HBW,2.試驗(yàn)原理：,用一定直徑的壓頭（球體），以相應(yīng)試驗(yàn)力壓入待測(cè)表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載后，測(cè)量材料表面壓痕直徑，以此計(jì)算出硬度值。,F F HB= = S Dh,D h = 2,D d 2 2,2,2,布氏硬度值450的材料,選用淬火鋼球壓頭,例如：200HBS 350HBS,布氏硬度值450650的材料,選用硬質(zhì)合金球壓頭,例如：550HBW 600HBW,3.標(biāo)注：,符號(hào)HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間

5、。如:120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為120。,4. 特點(diǎn)：,優(yōu)點(diǎn)：,測(cè)量誤差小（因壓痕大），數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。,缺點(diǎn)：,壓痕面積較大，測(cè)量費(fèi)時(shí)。,應(yīng)用：,常用于測(cè)量較軟材料、灰鑄鐵、有色金屬、退火正火鋼材的硬度。,不適于測(cè)量成品零件或薄件的硬度。,(二)洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness ),觀看洛氏硬度,1.壓頭：,120金剛石圓錐體鋼球 鋼球,HRA HRC,HRB,2.試驗(yàn)原理：,用錐頂角為120的金剛石圓錐或直徑1.588mm的淬火鋼球，以相應(yīng)試驗(yàn)力壓入待測(cè)表面，保持規(guī)

6、定時(shí)間卸載后卸除主試驗(yàn)力，以測(cè)量的殘余壓痕深度增量來(lái)計(jì)算出硬度值。,h1,h2,h3,h,1-1 初載10kg h1,2-2 總載150kg h2,3-3 卸載140kg h3,最后測(cè)得： 殘余壓痕深度增量 h,HR=C-h/0.002,h=h3-h1,HR=h/0.002,洛氏硬度值的表示：,7085HRA 25100HRB 2070HRC,HRA、HRB、HRC分別測(cè)得的硬度，不可直接比較大小,例如： 50HRC40HRC ,3.特點(diǎn)：,優(yōu)點(diǎn)：,測(cè)量操作簡(jiǎn)單，方便快捷，壓痕小；測(cè)量范圍大，能測(cè)較薄工件。,缺點(diǎn)：,測(cè)量精度較低，可比性差，不同標(biāo)尺的硬度值不能比較。,是生產(chǎn)中應(yīng)用最廣 泛的硬度

7、 試驗(yàn)方法。 可用于成品檢驗(yàn)和薄件表面硬度檢驗(yàn)。 不適于測(cè)量組織不均勻材料。,應(yīng)用：,(三)維氏硬度 HV ( diamond penetrator hardness ),維氏硬度計(jì),1.壓頭：,錐面夾角為136的金剛石 正四棱錐體,2.試驗(yàn)原理：,與布氏硬度試驗(yàn)原理基本相同。 只是壓頭改用了金剛石四棱錐體。,以一定的試驗(yàn)力將壓頭壓入試樣表面，保持規(guī)定時(shí)間卸載后，在試樣表面留下一個(gè)四方錐形的壓痕，測(cè)量壓痕兩對(duì)角線長(zhǎng)度，以此計(jì)算出硬度值。,2.試驗(yàn)原理：,用壓痕兩對(duì)角線的平均長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算。,H V=F/S,3.標(biāo)注：,與布氏硬度基本相同，在后面要標(biāo)注試驗(yàn)條件試驗(yàn)力和保持時(shí)間（1015S不標(biāo)）。,例

8、：580HV30表示用30kgf (294.2N)試驗(yàn)力保持1015S測(cè)定的維氏硬度值為580。,4.特點(diǎn)：,優(yōu)點(diǎn)：,適用范圍廣，從極軟到極硬材料都可測(cè)量;測(cè)量精度高，可比性強(qiáng)；能測(cè)較薄工件。,缺點(diǎn)：,測(cè)量操作較麻煩，測(cè)量效率低。,應(yīng)用：,廣泛用于科研單位和高校，以及薄件表面硬度檢驗(yàn)。,不適于大批生產(chǎn)和測(cè)量組織不均勻材料。,韌性(toughness ):,材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。,1.定義：,沖擊試驗(yàn)機(jī),沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖,2.金屬的夏比沖擊試驗(yàn):,試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功A k為:,A k = m g H m g h (J),g,沖擊韌度ak 就是試樣缺口處單位截面積上所消

9、耗的沖擊吸收功。,3.韌脆轉(zhuǎn)變溫度:,-40,-20,0,20,20,40,60,ak,T(c),T，ak急劇 韌性脆性,金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，材料的低溫沖擊韌性愈好。,斷裂韌度,1、低應(yīng)力脆斷 有些零件在工作應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于屈服點(diǎn)時(shí)就會(huì)發(fā)生脆性斷裂。這種現(xiàn)象稱為低應(yīng)力脆斷。,式中：Y_裂紋的幾何形狀因子; _外加應(yīng)力（N/mm2）； a_裂紋的半長(zhǎng)（mm）； K1_ 強(qiáng)度因子（MPam1/2或MNm-3/2）當(dāng)K1達(dá)到臨界值K1C時(shí)，零件內(nèi)裂紋將發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展而出現(xiàn)低應(yīng)力脆性斷裂，而K1K1C時(shí)，零件安全可靠。,2、應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子,當(dāng)K1達(dá)到臨界值K1C時(shí)，零件內(nèi)裂紋將發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展而出現(xiàn)低應(yīng)力脆

10、性斷裂，而K1K1C時(shí)，零件安全可靠。,3、斷裂韌度K1C,材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力斷裂韌度表示。,反應(yīng)材料有裂紋存在時(shí)，抵抗脆性斷裂的能力。 K1c可通過(guò)試驗(yàn)來(lái)測(cè)定，它是材料本身的特性，與材料成分、熱處理及加工工藝等有關(guān)。 為安全設(shè)計(jì)提供了一個(gè)重要的力學(xué)性能指標(biāo),常見(jiàn)工程材料的斷裂韌度K1C值（MNm-3/2）,根據(jù)K1=Ya K1C的臨界判據(jù)知： 為使零件不發(fā)生脆斷，設(shè)計(jì)者可以控制三個(gè)參數(shù)：材料的斷裂韌度K1C 、名義工作應(yīng)力和零件內(nèi)的裂紋長(zhǎng)度a，它們之間的定量關(guān)系能直接用于設(shè)計(jì)計(jì)算，可以解決以下三方面的工程實(shí)際問(wèn)題：,1）根據(jù)零件的實(shí)際工作應(yīng)力和其內(nèi)可能的裂紋尺寸a，確定材料應(yīng)有的斷裂韌度

11、K1C，為正確選材提供依據(jù)； 2）根據(jù)零件所使用的材料斷裂韌度K1C及已探傷出的零件內(nèi)存在的裂紋尺寸a，確定零件的臨界斷裂應(yīng)力C，為零件最大承載能力設(shè)計(jì)提供依據(jù)； 3）根據(jù)已知材料的斷裂韌度K1C和零件的實(shí)際工作應(yīng)力，估算斷裂時(shí)的臨界裂紋長(zhǎng)度aC，為零件的裂紋探傷提供依據(jù)。,1、疲勞現(xiàn)象,零件在循環(huán)應(yīng)力的作用，即使工作時(shí)承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)或規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力，在經(jīng)受一定的應(yīng)力循環(huán)后也會(huì)發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。,疲勞（ fatigue ）,2、疲勞極限-1: 表示金屬材料在無(wú)數(shù)次交變載荷作 用而不破壞的最大應(yīng)力。,疲勞曲線,鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 107,有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 108,3、提高疲勞極限途徑,改善零件的結(jié)構(gòu)形狀,降低表面粗糙度值,采取表面強(qiáng)化,1943年美國(guó)T-2油輪發(fā)生斷裂,物理性能,物理性能，不僅對(duì)工程材料的選用來(lái)說(shuō)，有著重要的意義；而且也會(huì)對(duì)材