工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)第二章

1、第二章 金屬材料的主要性能n教學(xué)目的與要求：1.了解材料性能的分類。2.掌握性能參數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法。3.掌握金屬材料常用性能指標(biāo)的名稱、代表符號、單位、數(shù)值含義。n教學(xué)內(nèi)容：1.材料性能與應(yīng)用的關(guān)系。2.性能的分類。3.常用機(jī)械性能指標(biāo)的基本概念。4.常用機(jī)械性能參數(shù)的測試方法。5.拉伸、硬度、沖擊實(shí)驗(yàn)。重點(diǎn)： 常用機(jī)械性能指標(biāo)的名詞、代表符號、單位、數(shù)值含義。難點(diǎn)： 常用機(jī)械性能參數(shù)的測試原理。n2.1靜載下金屬材料的力學(xué)性能n2.2 動載和高溫下金屬材料的力學(xué)性能n2.3金屬材料的物理、化學(xué)和工藝性能第二章 金屬材料的主要性能2.1 靜載下金屬材料的力學(xué)性能1、金屬材料的力學(xué)性能：金屬材料受外

2、力作用時反映出的性能，是衡量金屬材料重要指標(biāo)。 2、金屬材料的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)有：拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、硬度、疲勞和沖擊等，通過這些實(shí)驗(yàn)可以測出相應(yīng)的力學(xué)性能指標(biāo)。3、力學(xué)性能指標(biāo)主要包括四大項(xiàng)：強(qiáng)度、塑性、硬度和韌性。2.1 靜載下金屬材料的力學(xué)性能一、拉伸實(shí)驗(yàn)（ GB6397-1986 ） 在拉伸試驗(yàn)機(jī)上，使試樣承受軸向拉力P并使試樣緩慢拉伸，直至試樣斷裂。2.1 靜載下金屬材料的力學(xué)性能L0標(biāo)點(diǎn)標(biāo)點(diǎn)d0標(biāo)距標(biāo)距L L0 0（1）材料類型：低碳鋼：塑性材料的典型代表灰鑄鐵：脆性材料的典型代表試 樣（2）標(biāo)準(zhǔn)試件：尺寸符合國標(biāo)的試件標(biāo)距：用于測試的等截面部分長度；棒狀試樣棒狀試樣標(biāo)距：標(biāo)

3、距：L0=10d0或或5d0拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象2.1 靜載下金屬材料的力學(xué)性能 P/F0為縱坐標(biāo)(拉應(yīng)力);L/L0為橫坐標(biāo)(拉應(yīng)變)，畫出應(yīng)力-應(yīng)變曲線。應(yīng)力與應(yīng)變的概念：應(yīng)力：試樣單位橫截面上的內(nèi)力應(yīng)變：試樣單位長度上的伸長量 = P/F0=4P/d02 N/mm2;MPa= (L1-L0)/L0= L/L0低碳鋼的拉伸圖sEPSb應(yīng)力0%應(yīng)變peBK PL2.1 靜載下金屬材料的力學(xué)性能OE段：彈性變形E點(diǎn)：對應(yīng)的應(yīng)力e為材料所能承受的、不產(chǎn)生永久變形的最大應(yīng)力，稱為彈性極限ES段：試樣開始產(chǎn)生塑性變形S點(diǎn)：試樣承受的載荷不增加仍產(chǎn)生塑性變形，圖上出現(xiàn)水平段，這種現(xiàn)象叫

4、屈服，S點(diǎn)稱為屈服點(diǎn)。S點(diǎn)：對應(yīng)的s為出現(xiàn)明顯塑性變形時候的應(yīng)力，稱為屈服極限SB段：塑性變形 B點(diǎn)：試樣截面出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象 K點(diǎn)：試樣被拉斷2.1 靜載下金屬材料的力學(xué)性能2.1 靜載下金屬材料的力學(xué)性能1）塑性指標(biāo) ：伸長率 、斷面收縮率 %100001LLL%100010FFF 或 越大，表示材料的塑性越好。一般把5的材料稱為塑性材料塑性材料，如鋼材、銅、鋁等；把5的材料稱為脆性材料脆性材料，如鑄鐵、混凝土、石料等應(yīng)用中：10試樣 L0=10d0 5 試樣 L0=5d0 金屬材料因具有一定的塑性才能進(jìn)行各種變形加工，并且零件在使用中偶然過載，將產(chǎn)生一定塑性變形，而不致突然斷裂，從而提高了零

5、件使用的可靠性。2.1 靜載下金屬材料的力學(xué)性能2）剛性指標(biāo) ：彈性模量E 單位：GPa 剛度是指金屬材料受外力作用時，抵抗彈性變形的能力在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的比值稱為彈性模量，用符號E表示Ea. E越大，表示在一定的應(yīng)力作用下彈性變形越小，即剛度越大。b. E的大小主要決定于材料的原子結(jié)合力，即E是材料是固有屬性。c. 相同材料的零件，截面尺寸大的不易發(fā)生彈性變形。2.1 靜載下金屬材料的力學(xué)性能3）強(qiáng)性指標(biāo) ：屈服強(qiáng)度s 抗拉強(qiáng)度b單位：MPa(N/mm2)強(qiáng)度是指金屬材料在外力作用時，抵抗塑性變形和斷裂的能力屈服強(qiáng)度s：金屬材料發(fā)生屈服現(xiàn)象時的屈服極限。表征材料抵抗微量塑性變形的能力

6、?？估瓘?qiáng)度b：金屬材料拉斷前所能承受的最大應(yīng)力。00FPFPbbss 脆性材料拉伸曲線上沒有水平線段，難確定屈服點(diǎn)S，規(guī)定試樣產(chǎn)生0.2%殘余塑性變形時的應(yīng)力值,稱為該材料的條件屈服強(qiáng)度bs/屈強(qiáng)比，其值一般0.65-0.75。屈強(qiáng)比越小，工程構(gòu)件的可靠性越高。屈強(qiáng)比越大，材料強(qiáng)度利用率越高，但可靠性降低。2.1 靜載下金屬材料的力學(xué)性能二、硬度實(shí)驗(yàn)4）硬度指標(biāo) ：a)布氏硬度HB b)洛氏硬度HRC c)維氏硬度HV硬度是指金屬材料表面抵抗其他更硬物體壓入的能力，是衡量金屬材料軟硬程度的指標(biāo)。a)布氏硬度HB（Mpa） 3000kgf的壓力P，將直徑D的淬火鋼球壓入金屬表面，載荷保持10-6

7、0s后卸載，載荷/壓痕表面積=布氏硬度。2.1 靜載下金屬材料的力學(xué)性能特點(diǎn)：一般來說，布氏硬度值越小，材料越軟，其壓痕直徑越大；反之，布氏硬度值越大，材料越硬，其壓痕直徑越小。優(yōu)點(diǎn)：具有較高的測量精度，壓痕面積大，能在較大范圍內(nèi)反映材料的平均硬度，測得的硬度值也較準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)重復(fù)性強(qiáng)。 布氏硬度使材料表面壓痕大，不宜測成品或薄片的硬度，常測鑄鐵、有色金屬、低合金結(jié)構(gòu)鋼等坯料硬度。壓頭為淬火鋼球HBS用于硬度450的材料壓頭硬質(zhì)合金鋼HBW用于硬度450-650的材料布氏硬度計布氏硬度計布氏硬度壓痕布氏硬度壓痕2.1 靜載下金屬材料的力學(xué)性能b)洛氏硬度HRC測量方法：頂角120金剛石圓錐壓頭，

8、使一定壓力，壓入被測材料，據(jù)壓痕深度度量材料軟硬，壓痕越深，硬度越低。范圍20-67，每0.002mm的壓痕深度為一個硬度單位。其硬度值是一無名數(shù)，沒有單位。洛氏硬度測試原理圖洛氏硬度測試原理圖h1:到達(dá)彈性極限時壓入的深度h2:停止加壓后壓入的深度（彈性+塑性）h3=h2-h1：卸載后彈性變形恢復(fù)所壓入的深度洛氏硬度壓痕2.1 靜載下金屬材料的力學(xué)性能c)維氏硬度HV維氏硬度計維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度壓痕采用錐面夾角136金剛石四棱錐體壓頭,卸載后得一對角線長d的四方錐形壓痕,載荷/壓痕表面積=維氏硬度，單位MPa。2.1 靜載下金屬材料的力學(xué)性能優(yōu)點(diǎn)：1. 壓痕是正方形，輪廓清晰，對角線測

9、量準(zhǔn)確，因此維氏硬度試驗(yàn)是常用硬度試驗(yàn)方法中精度最高的，同時重復(fù)性也很好，這一點(diǎn)比布氏硬度計優(yōu)越。 2. 測量范圍寬廣，可以測量目前工業(yè)上所用到的幾乎全部金屬材料，從很軟的材料（幾個HV）到很硬的材料（3000HV）都可測量。 3. 維氏硬度計試驗(yàn)的試驗(yàn)力可以小到10gF，壓痕非常小，特別適合測試薄小材料。 缺點(diǎn)：試驗(yàn)效率低，要求較高的試驗(yàn)技術(shù)，對于試樣表面的光潔度要求較高，通常需要制作專門的試樣，操作麻煩費(fèi)時，通常只在實(shí)驗(yàn)室中使用。 （洛氏硬度計操作方便簡單，非專業(yè)人員也可使用，一般工廠使用洛氏硬度計）幾種硬度之間的相互換算關(guān)系：幾種硬度之間的相互換算關(guān)系：1HBS10HRC, 1HBS1H

10、V2.2 動載和高溫下金屬材料的力學(xué)性能許多機(jī)械零件在動載下工作，動載主要兩種形式:1)載荷以較高速度施加到零件上,形成沖擊，如沖頭；2)載荷大小和方向呈周期性變化，形成交變載荷，如齒輪。三、沖擊實(shí)驗(yàn)（GB 229-84）5）沖擊韌性 ： 沖擊韌性ak沖擊韌性是指金屬材料在沖擊載荷作用下，抵抗斷裂的能力 k=G(H1-H2)*9.8/F (J/m)式中：k沖擊韌度值； G 實(shí)驗(yàn)機(jī)擺錘質(zhì)量； H1擺錘原始高度； H2沖斷試樣后擺錘的終止擺動高度； F試樣斷口處的橫截面積。 k越大，沖擊韌性越大沖擊韌性的大小與材料成分、環(huán)境溫度、缺口形狀、試樣大小等有關(guān)。TITANIC的沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有

11、關(guān)Titanic近代船用鋼板沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比建造中的Titanic2.2 動載和高溫下金屬材料的力學(xué)性能6）疲勞強(qiáng)度 ： 疲勞強(qiáng)度/極限 -1交變應(yīng)力：是指應(yīng)力的大小、方向或者大小和方向同時隨時間做周期性變化的應(yīng)力，又稱循環(huán)應(yīng)力疲勞斷裂：在機(jī)械零件中有許多零件，如連桿、齒輪、彈簧、曲軸等，是在交變應(yīng)力的作用下工作的。當(dāng)交變應(yīng)力的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度時，零件就發(fā)生了斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。據(jù)統(tǒng)計，約有80%的機(jī)件失效都可歸咎于疲勞破壞疲勞斷裂的特點(diǎn) : 交變載荷； 應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度； 脆性材料和韌性材料都會發(fā)生疲勞斷裂都是突然發(fā)生，沒有明顯的塑性變形，屬于低應(yīng)力脆斷。2.2

12、 動載和高溫下金屬材料的力學(xué)性能疲勞曲線疲勞曲線max低于某值時，曲線與橫坐標(biāo)平行，表示N可以達(dá)到無窮大，而試樣仍不斷裂，該交變應(yīng)力值為疲勞強(qiáng)度或疲勞極限，用-1表示，一般規(guī)定鋼材的N=107，有色金屬為N=108。疲勞強(qiáng)度是指材料在無限次交變應(yīng)力作用下仍不發(fā)生疲勞斷裂的最大應(yīng)力通過改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進(jìn)行表面強(qiáng)化等方法可提高材料疲勞抗力。疲勞斷裂的原因：應(yīng)力集中（微裂紋、材料內(nèi)部雜質(zhì)、刀痕、尺寸突然變化等） 金屬材料的機(jī)械性能在高溫下會發(fā)生改變。隨溫度升高，彈性模量E、屈服強(qiáng)度、硬度下降，塑性提高，并產(chǎn)生蠕變。 蠕變：指金屬材料在高溫長時間應(yīng)力作用下，即使所加應(yīng)力小于該溫度下的屈服強(qiáng)度，也會逐漸產(chǎn)生明顯塑性變形至斷裂。 2.2 動載和高溫下金屬材料的力學(xué)性能7）蠕變 2.3金屬材料的物理、化學(xué)和工藝性能物理性能物理性能 密度密度 熔點(diǎn)熔點(diǎn) 熱膨脹性熱膨脹性 導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性 導(dǎo)電性導(dǎo)電性 磁性磁性1）材料的物理性能飛機(jī)零件常選密度小的鋁、鎂、鈦合金來制造。設(shè)計電器考慮金屬材料導(dǎo)電性。設(shè)計日用品-材料熱成型性。2.3金屬材料的物理、化學(xué)和工藝性能2）材料的化學(xué)性能化學(xué)性能化學(xué)性能 耐酸性耐酸性 耐堿性耐堿