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文檔簡介

1、 浙江經(jīng)濟管理專修學(xué)院 主編:余明明 CAD部分:徐立川 動畫及插圖制作:蔡向東 主審:黃雨華金屬材料的性能是指用來表征材料在給定外界條件下的行為參量 力學(xué)性能 使用性能 物理性能 化學(xué)性能 工藝性能鑄造性壓力加工焊接性切削加工性熱處理性為了保證零件、工程構(gòu)件或工具的正常工作,材料所應(yīng)具備的性能。材料的力學(xué)性能: 材料在外力作用下所表現(xiàn)的一些性能(如強度、剛度、韌性、硬度、塑性)材料的力學(xué)性能,不僅是設(shè)計零件、選擇材料的重要依據(jù),而且也是驗收、鑒定材料性能的重要依據(jù)之一。對冶金產(chǎn)品的生產(chǎn)來說,金屬材料的力學(xué)性能還是改進工藝、控制產(chǎn)品質(zhì)量的重要參數(shù)之一。沖擊載荷交變載荷概念:力學(xué)性能內(nèi)力:材料內(nèi)

2、部原子之間都存在相互平衡的原子結(jié)合力的相互作用。應(yīng)力:單位截面上的內(nèi)力,用表示;變形:材料在外力作用下引起形狀和尺寸改變;彈性變形塑性變形金屬的強度指標是金屬抵抗永久變形和斷裂的能力。拉伸試驗是指用靜拉伸力對試樣進行軸向拉伸,測量拉伸力和相應(yīng)的伸長,并測其力學(xué)性能的試驗。拉伸時一般將拉伸試樣拉至斷裂。 1拉伸試樣通常采用圓柱形拉伸試樣,試樣尺寸按國家標準中金屬拉伸試驗試樣中的有關(guān)規(guī)定進行制作。拉伸試樣分為短試樣和長試樣兩種,一般工程上采用短試樣。d0為標準試樣的原始直徑,d1為試樣斷口處的直徑。L0為標準試樣的原始標距,L1為拉斷試樣對接后測出的標距長度。長試樣L0=10d0;短試樣L0=5d

3、0。2.試驗方法在進行拉伸試驗時,拉伸力F和試樣伸長量L之間的關(guān)系曲線,稱為力-伸長曲線。通常把拉伸力F作為縱坐標,伸長量L作為橫坐標,在圖中Fp是試樣保持完全彈性變形的最大拉伸力。當拉伸力繼續(xù)增加到Fs時,力伸長曲線在s點后出現(xiàn)一個平臺,即在拉伸力不再增加的情況下,試樣也會明顯伸長,這種現(xiàn)象稱為屈服現(xiàn)象。拉伸力Fs稱為屈服拉伸力。 當拉伸力超過屈服拉伸力后,試樣抵抗變形的能力將會增加,此現(xiàn)象為冷變形強化,即抗力增加現(xiàn)象。在力伸長曲線上表現(xiàn)為一段上升曲線,即隨著塑性的增大,試樣變形抗力也逐漸增大。當拉伸力達到Fb時,試樣的局部截面開始收縮,產(chǎn)生了縮頸現(xiàn)象。由于縮頸使試樣局部截面迅速縮小,單位面

4、積上的拉伸力增大,使變形更集中于縮頸區(qū),最后延續(xù)到k點時試樣被拉斷。Fb是試樣拉斷前能承受的最大拉伸力,稱為極限拉伸力。 從完整的拉伸試驗和力伸長曲線可以看出,試樣從開始拉伸到斷裂要經(jīng)過彈性變形、屈服階段、變形強化階段、縮頸與斷裂。一、強度指標一、強度指標金屬材料抵抗拉伸力的強度指標有:彈性極限e、屈服點s、規(guī)定殘余伸長應(yīng)力0.2、抗拉強度b等。 1屈服點和規(guī)定殘余伸長應(yīng)力屈服點是指試樣在拉伸試驗過程中力不增加(保持恒定)仍然能繼續(xù)伸長(變形)時的應(yīng)力。屈服點用符號s表示。單位為N/mm2或MPa。規(guī)定殘余伸長應(yīng)力是指試樣卸除拉伸力后,其標距部分的殘余伸長與原始標距之比達到規(guī)定的百分數(shù)時的應(yīng)力

5、,用應(yīng)力符號并加角標表示。0.2表示規(guī)定殘余伸長率為0.2%時的應(yīng)力定為沒有明顯產(chǎn)生屈服現(xiàn)象材料的屈服點。 2抗拉強度抗拉強度是指試樣拉斷前承受的最大標稱拉應(yīng)力。用符號b表示,單位為N/mm2或MPa。bb是表征金屬材料由均勻塑性變形向局部集中塑性變形過渡的臨界值,也是表征材料在靜拉伸條件下最大承載能力。對于塑性金屬材料來說,拉伸試樣在承受最大拉應(yīng)力b之前,變形是均勻一致的。但超過b后,金屬材料開始出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象,即產(chǎn)生集中變形。83、疲勞強度試驗證明,當?shù)陀谀骋粩?shù)值時,材料可經(jīng)過無數(shù)次循環(huán)應(yīng)力作用而不斷裂,這一應(yīng)力稱為疲勞強度。在工程上,疲勞強度是指在一定的循環(huán)次數(shù)下不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。一般

6、規(guī)定,鋼鐵材料的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)取107 ,有色金屬取108 。提高零件疲勞壽命的方法:合理設(shè)計零件結(jié)構(gòu)、避免應(yīng)力集中、降低表面粗糙度值、進行表面滾壓、噴丸處理、表面熱處理等,可以提高工件的疲勞強度。剛度:材料在受力時抵抗彈性變形的能力。剛度的大小,通常用彈性模量E來評價。彈性模量越大,材料的剛度越大;虎克定律:=或=G,G為切變模量。應(yīng)變?yōu)閱挝婚L度的變形量,=l/l。彈性模量的大小主要決定于金屬鍵,與顯微組織的關(guān)系不大。合金化、熱處理、冷變形等對它的影響很小。在設(shè)計機械零件時,要求剛度大的零件,應(yīng)選用具有高彈性模量的材料。通常選用鋼鐵材料,如鏜床的鏜桿。彈簧用鈹青銅、磷青銅,具有高的彈性極限和低

7、的彈性模量。常用金屬的彈性模量見表達式1-1 塑性:金屬材料在載荷作用下斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。 金屬材料的塑性可以用拉伸試樣斷裂時的最大相對變形量來表示,如拉伸后的斷后伸長率和斷面收縮率。 1、斷后伸長率拉伸試樣在進行拉伸試驗時,在力的作用下產(chǎn)生塑性變形,原始試樣中的標距會不斷伸長。伸長率標距的伸長與原始標距的百分比稱為伸長率。斷后伸長率試樣拉斷后的標距伸長與原始標距的百分比稱為斷后伸長率,用符號表示。 =l1-l0/l0由于拉伸試樣分為長試樣和短試樣,因此,使用長試樣測定的斷后伸長率用符號10表示,通常寫成;使用短試樣測定的斷后伸長率用符號5表示。同一種材料的斷后伸長率10和5數(shù)值

8、是不相等的,一般短試樣5值大于長試樣10。2.斷面收縮率 斷面收縮率是指試樣拉斷后縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。斷面收縮率用符號表示。 =A0-A1/A0伸長率和收縮率也表明材料在靜載荷或緩慢增加的拉伸應(yīng)力下的韌性。具有高收縮率的材料可承受高的沖擊吸收功。塑性指標不能直接用于零件的設(shè)計計算,只能根據(jù)經(jīng)驗來選定。伸長率達5或斷面收縮率達10的材料,可滿足絕大多數(shù)零件的要求。但對各種具體形狀、尺寸和應(yīng)力集中系數(shù)的零件來說,對塑性的要求是有一定限度的,并不是越大越好,否則會限制材料強度使用水平的提高,不能發(fā)揮材料強度的潛力,造成產(chǎn)品粗大笨重、浪費材料和使用壽命不長。硬度是材料抵抗

9、局部變形,特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力它衡量材料軟硬的判據(jù)。 目前最常用的硬度試驗法是:布氏硬度(HBS或HBW)、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC等)和維氏硬度(HV)。13(一)、布氏硬度壓AFHBWHBS)(kgf/mm2式中A壓壓痕球形表面積,mm2 壓頭直徑,mm2 壓痕平均直徑,mm。)(22dDDD2102. 0)(FHBWHBSkgf/mm2 (試驗力F單位用kgf)14(一)、布氏硬度以球化退火的以球化退火的T8AT8A鋼為例,測量布氏硬度值。鋼為例,測量布氏硬度值。15(一)、布氏硬度布氏硬度的表示方法: 140HBS10100030 500HBW5750一般在零件圖或

10、工藝文件上標柱材料要求的布氏硬度值時,不規(guī)定試驗條件,只標出要求的硬度范圍和硬度符號,例如200230HBS。HBS用于測試硬度值小于450的材料;HBW用于測量硬度值在450650范圍的材料。布氏硬度主要用來測定鑄鐵、有色金屬、以及退火、正火和調(diào)質(zhì)處理的鋼材的硬度,如半成品和原材料。16(二)、洛氏硬度002. 0hKHR式中,K為常數(shù),壓頭是金剛石圓錐時,K0.2;壓頭為淬火鋼球時,K0.26。17(二)、洛氏硬度18(二)、洛氏硬度以淬火、低溫回火以淬火、低溫回火GCr15GCr15鋼為例,測量鋼為例,測量HRCHRC值值19(二)、洛氏硬度洛氏硬度無單位,需標明硬度標尺符號,在符號前面

11、寫出硬度值,如60HRC、80HRA、90HRB。洛氏硬度各標尺之間沒有對應(yīng)關(guān)系,不能直接比較硬度值的高低。洛氏硬度試驗操作簡單、迅速、壓痕小,主要用于測試熱處理后硬度較高的成品零件及較薄的工件,對于組織和硬度不均勻的材料,硬度值波動較大,準確性不如布氏硬度值。20(三)、維氏硬度2189. 0102. 0dFAFHVoKgf/mm2式中 F試驗力,N Ao壓痕面積,mm2 d壓痕對角線的算術(shù)平均值,mm。21(三)、維氏硬度以淬火、低溫回火以淬火、低溫回火T8AT8A鋼為例,測量鋼為例,測量HVHV值值22(三)、維氏硬度維氏硬度值一般不標單位,在符號HV前寫出硬度值。維氏硬度試驗因試驗力小

12、(常用49.03N),壓痕淺,輪廓清晰,數(shù)值準確,試驗力選擇范圍大(49.03980.7N),所以可測量從很軟到很硬材料的硬度,維氏硬度值之間能直接進行比較。維氏硬度常用來測試薄片材料、金屬鍍層及零件表面硬化層的硬度,但試驗麻煩,不宜用于成批生產(chǎn)的常規(guī)檢驗。特別說明:各種硬度試驗法測得的硬度值不能進行直接比較,必須通過硬度換算表換算成一種硬度值后,方能比較硬度高低。23五、韌性指標(一)、沖擊韌度韌性是指金屬在斷裂前吸收變形能量的能力,可用來衡量金屬材料抵抗沖擊載荷能力。韌性的判據(jù)通過沖擊試驗來測定。1擺錘式一次沖擊試驗沖擊吸收功:試樣在沖擊試驗力一次作用下折斷時所吸收的功(Ak)。Ak=mg

13、h-mgh1241擺錘式一次沖擊試驗沖擊吸收功:試樣在沖擊試驗力一次作用下折斷時所吸收的功(Ak)。Ak=mgh-mgh1沖擊韌度:沖擊試樣缺口底部單位橫截面積上的沖擊吸收功(a k)。NkkSAa Ak越大,材料的韌性越好。251擺錘式一次沖擊試驗40Cr40Cr鋼沖擊吸收功測定試驗鋼沖擊吸收功測定試驗27沖擊吸收功 Ak 與溫度有關(guān)。由左圖可知,Ak 隨溫度降低而減少,在某一溫度區(qū)域,Ak急劇變化,此溫度區(qū)域稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。脆轉(zhuǎn)變溫度越低,材料的低溫沖擊性能越好。(二)、斷裂韌度 KIC根據(jù)斷裂力學(xué)對裂紋尖端應(yīng)力場的分析,裂紋前端附近應(yīng)力場的強弱主要取決于一個力學(xué)參數(shù),即應(yīng)力強度因子KI

14、,單位為MNm-3/2KI=YY與裂紋形狀、加載方式及試樣尺寸有關(guān)的量,是個無量綱的系數(shù); 外加拉應(yīng)力a 裂紋長度的一半斷裂韌度是用來反映材料抵抗失穩(wěn)擴展,即抵抗脆性斷裂能力的性能指標。當KIKIC時,則材料發(fā)生失穩(wěn)脆斷。一、金屬材料的物理性能是指在重力、電磁場、熱力(溫度)等物理因素作用下,材料所表現(xiàn)的性能或固有屬性。主要包括密度、熔點、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性、磁性等。1、密度同一溫度下單位體積物質(zhì)的質(zhì)量。(g/cm3或kg/m3)一般將密度小于5103kg/m3的金屬稱為輕金屬,密度大于5103kg/m3的金屬稱為重金屬。2、熔點材料在緩慢加熱時由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)并有一定潛熱吸收或放出時的轉(zhuǎn)變溫度。純金屬都有固定的熔點。合金的熔點決定于它的化學(xué)成分,如鋼和生鐵雖然都是鐵和碳的合金,但由于其碳的質(zhì)量分數(shù)不同,其熔點也不同。熔點高的金屬稱為難熔金屬(如鎢、鉬、釩等),可以用來制造耐高溫零件。熔點低的金屬稱為易熔金屬(如錫、鉛等),可以用來制造保險絲(鉛、錫、鉍、鎘的合金)和防火安全閥等零件。3、導(dǎo)電性材料傳導(dǎo)電流的能力。以電導(dǎo)率

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