第一章 金屬材料力學(xué)性能

1、第一章第一章 金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能第一節(jié)第一節(jié) 金屬材料的強(qiáng)度與塑性金屬材料的強(qiáng)度與塑性2 2、工藝性能、工藝性能在制造機(jī)械零件的過程中，材料在制造機(jī)械零件的過程中，材料適應(yīng)各種冷、熱加工和熱處理的性能。適應(yīng)各種冷、熱加工和熱處理的性能。1 1、使用性能、使用性能材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能力學(xué)性能力學(xué)性能物理性能物理性能化學(xué)性能化學(xué)性能鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、沖壓鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、沖壓性能、切削加工性能、熱處理工藝性能性能、切削加工性能、熱處理工藝性能3 3、材料的力學(xué)性能、材料的力學(xué)性能 指材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能，主要指

2、材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能，主要有有強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度和和疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度等。等。材料的性能材料的性能 作用在機(jī)件上的外力作用在機(jī)件上的外力載荷載荷FFF = F （MPa）外力 內(nèi)力應(yīng)力FF靜載荷靜載荷動載荷動載荷R= F /SSFSFR1. 1.應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)力：應(yīng)力：物體內(nèi)部任一截面單位面積上的相互作用力。同截物體內(nèi)部任一截面單位面積上的相互作用力。同截面垂直的稱為面垂直的稱為“正應(yīng)力正應(yīng)力”或或“法向應(yīng)力法向應(yīng)力”，同截面相，同截面相切的稱為切的稱為“剪應(yīng)力剪應(yīng)力”或或“切應(yīng)力切應(yīng)力”。常用術(shù)語常用術(shù)語0lUl0dFFUd拉伸前拉伸前拉伸后拉伸后應(yīng)變：

3、應(yīng)變：物體形狀尺寸所發(fā)物體形狀尺寸所發(fā)生的相對改變。生的相對改變。物體內(nèi)部某處的線段在變物體內(nèi)部某處的線段在變形后長度的改變值同線段形后長度的改變值同線段原長之比值稱為原長之比值稱為“線應(yīng)變線應(yīng)變”0ll2. 應(yīng)變應(yīng)變（1 1）彈性變形：）彈性變形： 材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后恢復(fù)其原來材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后恢復(fù)其原來形狀，這種形狀，這種隨外力消失而消失的變形隨外力消失而消失的變形，稱為，稱為彈性變形彈性變形。3. 3.兩種基本變形兩種基本變形FFF （2 2）塑性變形）塑性變形: : 材料在外力作用下材料在外力作用下產(chǎn)生永久的不可恢復(fù)的變形產(chǎn)生永久的不可恢復(fù)的變形

4、，稱為稱為塑性變形塑性變形。FFF拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)0lUl0dFFLUd拉伸前拉伸前拉伸后拉伸后kmm 極限載荷點(diǎn)Fpp 彈性極限點(diǎn)sS 屈服點(diǎn)K 斷裂點(diǎn)拉伸曲線l應(yīng)力應(yīng)變曲線0SF0llsFpFmFo材料的拉伸曲線材料的拉伸曲線1 1、opop段段：直線、彈性變形：直線、彈性變形2 2、psps段段：曲線、彈性變形：曲線、彈性變形+ +塑性變形塑性變形5 5、m m點(diǎn)點(diǎn)出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，即試樣局部出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，即試樣局部截面明顯縮小試樣承載能力降低，截面明顯縮小試樣承載能力降低，拉伸力達(dá)到最大值，而后降低，但拉伸力達(dá)到最大值，而后降低，但變形量增大，變形量增大，K K點(diǎn)時(shí)試樣發(fā)生斷裂。點(diǎn)時(shí)試樣發(fā)

5、生斷裂。3 3、s ss s段段：水平線（略有波動）：水平線（略有波動）明顯的塑性變形屈服現(xiàn)象，作用明顯的塑性變形屈服現(xiàn)象，作用的力基本不變，試樣連續(xù)伸長。的力基本不變，試樣連續(xù)伸長。4 4、smsm曲線曲線：彈性變形：彈性變形+ +均勻塑性變均勻塑性變形形 s1 1強(qiáng)度強(qiáng)度材料在外力作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。材料在外力作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。（1 1） 彈性極限彈性極限（R Rp p）指金屬材料能保持彈性變形的最大應(yīng)力。指金屬材料能保持彈性變形的最大應(yīng)力。R Rp p =F =Fp p/S/S0 0 （MPaMPa）它表征了材料抵抗彈性變形的能力。（2 2） 屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)

6、度（RS）指材料在外力作用下，產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的最小應(yīng)力。指材料在外力作用下，產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的最小應(yīng)力。R RS S =Fs/S =Fs/S0 0 （MPaMPa）它表征了材料抵抗微量塑性變形的能力。當(dāng)材料單位面積上所受的應(yīng)力R Rp pRRRRRRs s時(shí)，材料將產(chǎn)生明顯的塑性變形。條件屈服強(qiáng)度: R0.2=F 0.2/S0 （MPa）屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 是塑性材料選材和評定的依據(jù)。是塑性材料選材和評定的依據(jù)。2 . 0s0.2%l0 2 . 0FmkFpsl 對于低塑性材料或脆性材料：對于低塑性材料或脆性材料： Rm =Fm/S0 （MPa）（3 3）抗拉強(qiáng)度）抗拉強(qiáng)度（Rm ）抗拉強(qiáng)度是材料

7、在拉斷前承受最大載荷時(shí)的應(yīng)力。抗拉強(qiáng)度是材料在拉斷前承受最大載荷時(shí)的應(yīng)力。 它表征了材料在拉伸條件下所能承受的最大應(yīng)力它表征了材料在拉伸條件下所能承受的最大應(yīng)力。抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 是脆性材料選材的依據(jù)。是脆性材料選材的依據(jù)。物理意義是在于它反映了最大均勻變形的抗力物理意義是在于它反映了最大均勻變形的抗力2. 2. 塑性塑性常用常用 A 和和 Z 作為衡量塑性的指標(biāo)。作為衡量塑性的指標(biāo)。伸長率：材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不引起破壞的能力。材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不引起破壞的能力。斷面收縮率:%10000lllAU%10000sssZUF0d0lulFLud良好的塑性是金屬材料進(jìn)行良

8、好的塑性是金屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。塑性加工的必要條件。第二節(jié)第二節(jié) 金屬材料的硬度金屬材料的硬度定義：材料抵抗表面局部變形的能力。特別是塑形變定義：材料抵抗表面局部變形的能力。特別是塑形變形、壓痕或劃痕的能力。形、壓痕或劃痕的能力。)(2102. 022dDDDFHBW布氏硬度計(jì)布氏硬度計(jì)1、布氏硬度、布氏硬度HB壓頭為一定直徑的硬質(zhì)合金球，符號壓頭為一定直徑的硬質(zhì)合金球，符號HBW表示表示例如例如：120HBW10/1000/30 表表示直徑為示直徑為10mm的硬質(zhì)合金球的硬質(zhì)合金球在在1000kgf載荷作用下保持載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為測得的布氏硬度值為120。 布氏

9、硬度壓痕布氏硬度壓痕標(biāo)注方法：標(biāo)注方法：硬度值硬度值+HBW+D+F+tn布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。n缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。的材料。n應(yīng)用：應(yīng)用：適于測量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼適于測量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼, 鑄鐵及有色金鑄鐵及有色金屬的硬度。屬的硬度。n材料的材料的 b與與HB之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系： 對于低碳鋼對于低碳鋼: b(MPa)3.6HB 對于高碳鋼：對于高碳鋼： b(MPa)3.4HB 對于鑄鐵對于鑄鐵： b(MPa)1HB或或 b(MPa) 0.6

10、(HB-40)2、洛氏硬度、洛氏硬度洛氏硬度用符號洛氏硬度用符號HR表示，表示，HR=k-(h1-h0)/0.002壓頭為錐角壓頭為錐角120的金剛石圓錐體或者直徑為的金剛石圓錐體或者直徑為1.5875mm的球（淬火鋼球或硬質(zhì)合金球）的球（淬火鋼球或硬質(zhì)合金球）標(biāo)注方法：符號標(biāo)注方法：符號HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。使用的標(biāo)尺。例如：例如：50HRC根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個(gè)標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為個(gè)標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為A、B、C。h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計(jì)洛氏硬度計(jì)lHRA用于測量高硬度材料

11、用于測量高硬度材料, 如如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。lHRB用于測量低硬度材料用于測量低硬度材料, 如如有色金屬和退火、正火鋼等。有色金屬和退火、正火鋼等。lHRC用于測量中等硬度材料，用于測量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。l洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡操作簡 便，壓痕小，適用范圍廣。便，壓痕小，適用范圍廣。l缺點(diǎn)缺點(diǎn)：測量結(jié)果分散度大。測量結(jié)果分散度大。鋼球壓頭與金鋼球壓頭與金剛石壓頭剛石壓頭洛氏硬度壓痕洛氏硬度壓痕3 3、維氏硬度、維氏硬度維氏硬度計(jì)維氏硬度計(jì)維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度壓痕維氏硬度壓痕維氏硬度和布氏硬度

12、的測定原理相似維氏硬度和布氏硬度的測定原理相似n壓頭是對面夾角為136的正四棱錐體金剛石，測出壓痕的對角線長度，再計(jì)算。2189. 0102. 0dFAFHVoKgf/mmKgf/mm2 2式中：式中： F F試驗(yàn)力，試驗(yàn)力，N NAoAo壓痕面積，壓痕面積，mmmm2 2dd壓痕對角線的算術(shù)平均值，壓痕對角線的算術(shù)平均值，mmmm。n維氏硬度用符號維氏硬度用符號HV表示表示，符號前的數(shù)字為硬度值，符號前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時(shí)間。后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時(shí)間。n維氏硬度保留了布氏硬度和維氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)。洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)。

13、 小負(fù)荷維氏硬度計(jì)小負(fù)荷維氏硬度計(jì)顯微維氏硬度計(jì)顯微維氏硬度計(jì)n維氏硬度值一般不標(biāo)單位，在符號維氏硬度值一般不標(biāo)單位，在符號HV前寫出前寫出硬度值。硬度值。n維氏硬度試驗(yàn)因試驗(yàn)力?。ǔＳ镁S氏硬度試驗(yàn)因試驗(yàn)力小（常用49.03N）壓）壓痕淺，輪廓清晰，數(shù)值準(zhǔn)確，試驗(yàn)力選擇范圍大痕淺，輪廓清晰，數(shù)值準(zhǔn)確，試驗(yàn)力選擇范圍大（49.03980.7N），所以可測量從很軟到很硬材），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(jìn)行比較。料的硬度，維氏硬度值之間能直接進(jìn)行比較。n維氏硬度常用來測試薄片材料、金屬鍍層及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(yàn)麻煩，不宜用于零

14、件表面硬化層的硬度，但試驗(yàn)麻煩，不宜用于成批生產(chǎn)的常規(guī)檢驗(yàn)。成批生產(chǎn)的常規(guī)檢驗(yàn)。第三節(jié)第三節(jié)金屬材料的韌性金屬材料的韌性韌性韌性是指金屬在斷裂前吸收變形能量的能力是指金屬在斷裂前吸收變形能量的能力, ,可可用來衡量金屬材料抵抗沖擊載荷能力。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(yàn)來測定。韌性的判據(jù)通過沖擊試驗(yàn)來測定。1 1擺錘式一次沖擊試驗(yàn)擺錘式一次沖擊試驗(yàn)沖擊吸收功沖擊吸收功: :試樣在沖擊試驗(yàn)力一次試樣在沖擊試驗(yàn)力一次作用下折斷時(shí)所吸收的能量作用下折斷時(shí)所吸收的能量( (K K) )。 KV(KU)=EKV(KU)=EP1P1-E-EP2P21H2H開缺口的目的：在缺口附近

15、造成應(yīng)力集中，使塑性變開缺口的目的：在缺口附近造成應(yīng)力集中，使塑性變形局限在缺口附近，并保證在缺口處發(fā)生斷裂，以便形局限在缺口附近，并保證在缺口處發(fā)生斷裂，以便正確測定金屬材料承受沖擊載荷的能力。正確測定金屬材料承受沖擊載荷的能力。2.試樣類型：試樣類型：U形缺口試樣和形缺口試樣和V形缺口試樣兩種形缺口試樣兩種n材料的材料的 值愈值愈大大，韌性就愈好韌性就愈好；材料的；材料的 值愈值愈小小，材料材料的脆性愈大的脆性愈大n通常把通常把 值值小小的材料稱為的材料稱為脆性材料脆性材料n研究表明，材料的研究表明，材料的 值隨試驗(yàn)值隨試驗(yàn)溫度的降低而降低溫度的降低而降低。n加載速度越快，溫度越低，表面及

16、冶金質(zhì)量越差，加載速度越快，溫度越低，表面及冶金質(zhì)量越差， 的值越低。的值越低。金屬材料的吸收能量金屬材料的吸收能量KV(KU)可以直接從試驗(yàn)機(jī)上讀出可以直接從試驗(yàn)機(jī)上讀出3. 溫度對吸收能量的影響溫度對吸收能量的影響吸收能量吸收能量K K 與溫度有關(guān)。由下圖可知，與溫度有關(guān)。由下圖可知，K K 隨溫度降低而減少，隨溫度降低而減少，在某一溫度區(qū)域，在某一溫度區(qū)域，K K急劇變化，此溫度區(qū)域稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。急劇變化，此溫度區(qū)域稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，材料的低溫沖擊性能越好。韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，材料的低溫沖擊性能越好。TITANIC建造中的建造中的Titanic 號號TITANIC的沉

17、沒的沉沒與船體材料的質(zhì)量與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)直接有關(guān)Titanic 號鋼板號鋼板（左圖）（左圖）和和近代船用近代船用鋼板鋼板（右圖）（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果的沖擊試驗(yàn)結(jié)果Titanic近代船用鋼板近代船用鋼板思考題n為什么鋼制電力傳輸塔架、鐵橋、工程結(jié)構(gòu)為什么鋼制電力傳輸塔架、鐵橋、工程結(jié)構(gòu)件、海上鉆井設(shè)施等在風(fēng)雪交加的寒冷天氣件、海上鉆井設(shè)施等在風(fēng)雪交加的寒冷天氣中容易發(fā)生損壞？中容易發(fā)生損壞？第四節(jié)第四節(jié) 金屬材料的疲勞強(qiáng)度金屬材料的疲勞強(qiáng)度n工程上一些機(jī)件工作時(shí)受交變應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)力作用，即使工工程上一些機(jī)件工作時(shí)受交變應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)力作用，即使工作應(yīng)力低于材料的作應(yīng)力低于材料的Rel ，

18、但經(jīng)過一定循環(huán)周次后仍會發(fā)生斷，但經(jīng)過一定循環(huán)周次后仍會發(fā)生斷裂，這樣的斷裂現(xiàn)象稱之為疲勞。裂，這樣的斷裂現(xiàn)象稱之為疲勞。 n據(jù)統(tǒng)計(jì)，約據(jù)統(tǒng)計(jì)，約80%的機(jī)件失效為疲勞破壞。的機(jī)件失效為疲勞破壞。一、疲勞現(xiàn)象一、疲勞現(xiàn)象循環(huán)應(yīng)力：應(yīng)力的大小和方向隨時(shí)間作周期性的變化。循環(huán)應(yīng)力：應(yīng)力的大小和方向隨時(shí)間作周期性的變化。試一試試一試n如果沒有鉗子，讓你用手掰斷一根直徑如果沒有鉗子，讓你用手掰斷一根直徑5mm的鐵絲，你如何做？的鐵絲，你如何做？微裂源微裂源擴(kuò)展區(qū)擴(kuò)展區(qū)瞬斷區(qū)瞬斷區(qū)1N0N鋼：鋼：有色金屬：有色金屬：N0 循環(huán)基數(shù)循環(huán)基數(shù)影響疲勞強(qiáng)度的因素影響疲勞強(qiáng)度的因素:內(nèi)部缺陷、表面劃痕、殘留應(yīng)力

19、等內(nèi)部缺陷、表面劃痕、殘留應(yīng)力等v金屬材料在循環(huán)應(yīng)力作用下經(jīng)受無限多次循環(huán)而不斷裂的金屬材料在循環(huán)應(yīng)力作用下經(jīng)受無限多次循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力稱為金屬材料的最大應(yīng)力稱為金屬材料的疲勞強(qiáng)度，疲勞強(qiáng)度，即循環(huán)次數(shù)值即循環(huán)次數(shù)值N無窮大無窮大時(shí)所對應(yīng)的最大應(yīng)力值。時(shí)所對應(yīng)的最大應(yīng)力值。二、疲勞強(qiáng)度二、疲勞強(qiáng)度 有的大型轉(zhuǎn)動零件、高壓容器、橋梁等，常在其工件應(yīng)力有的大型轉(zhuǎn)動零件、高壓容器、橋梁等，常在其工件應(yīng)力遠(yuǎn)低于遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度的情況下突然發(fā)生斷裂的情況下突然發(fā)生斷裂低應(yīng)力脆性斷裂。低應(yīng)力脆性斷裂。1943年美國年美國T-2油輪發(fā)生斷裂油輪發(fā)生斷裂北極星導(dǎo)彈北極星導(dǎo)彈 斷裂韌度（斷裂韌性）斷

20、裂韌度（斷裂韌性） n產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是機(jī)件內(nèi)部存在著微裂紋產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是機(jī)件內(nèi)部存在著微裂紋和其它缺陷以及它們的擴(kuò)展。和其它缺陷以及它們的擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展的基本形式裂紋擴(kuò)展的基本形式2/1)(ccan材料中存在裂紋時(shí)，在裂紋尖端就會產(chǎn)生應(yīng)力材料中存在裂紋時(shí)，在裂紋尖端就會產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而形成裂紋尖端應(yīng)力場。集中，從而形成裂紋尖端應(yīng)力場。應(yīng)力強(qiáng)度因子：應(yīng)力強(qiáng)度因子：描述裂紋尖端附近應(yīng)力場強(qiáng)度的指標(biāo)。描述裂紋尖端附近應(yīng)力場強(qiáng)度的指標(biāo)。aYKI Y Y為與裂紋形狀、加載方為與裂紋形狀、加載方式和試樣幾何尺寸有式和試樣幾何尺寸有關(guān)的無量綱系數(shù)關(guān)的無量綱系數(shù)CCICaYK C為斷裂應(yīng)力為斷裂應(yīng)力，aC為臨界裂紋半長為臨界裂紋半長nK K K KICIC，材料必發(fā)生裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展而脆斷。材料必發(fā)生裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展而脆斷。nK K K KICIC，材料中裂紋不擴(kuò)展或擴(kuò)展緩慢。材料中裂紋不擴(kuò)展或擴(kuò)展緩慢。K KICIC可通過試驗(yàn)來測定，它與材料成分、熱處理及加工工藝等有關(guān)可通過試驗(yàn)來測定，它與材料成分、熱處理及加工工藝等有關(guān)n隨應(yīng)力的增大，隨應(yīng)力的增大，K KI I不斷增大，當(dāng)不斷增大，當(dāng)K KI I增