《機械工程材料與熱加工》第一章_金屬的力學性能

1、工程材料與熱加工基礎工程材料與熱加工基礎第一章 金屬的力學性能機械工程系金工教研室 第一章第一章 金屬的力學性能金屬的力學性能 教學目標教學目標: 了解材料的主要力學性能指標：屈服強度、了解材料的主要力學性能指標：屈服強度、抗拉強度、伸長率、斷面收縮率、硬度、沖擊韌抗拉強度、伸長率、斷面收縮率、硬度、沖擊韌性、疲勞強度、斷裂韌性等力學性能及其測試原性、疲勞強度、斷裂韌性等力學性能及其測試原理；理； 強調各種力學性能指標的生產實際意義；強調各種力學性能指標的生產實際意義； 了解工程材料的物理性能、化學性能及工藝了解工程材料的物理性能、化學性能及工藝性能。性能。金屬的力學性能金屬的力學性能定義定義

2、 : 金屬材料的力學性能是指金屬材料在不同金屬材料的力學性能是指金屬材料在不同環(huán)境（溫度、介質）下，承受各種外加載荷環(huán)境（溫度、介質）下，承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉、沖擊、交變應力（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉、沖擊、交變應力等）時所表現(xiàn)出的力學特征。等）時所表現(xiàn)出的力學特征。 指標指標 : 彈性彈性 、剛度、強度、塑性、剛度、強度、塑性 、 硬度、沖擊硬度、沖擊韌性韌性 、斷裂韌度和疲勞強度等。、斷裂韌度和疲勞強度等。材料的其他性能材料的其他性能 物理性能：物理性能：密度、熔點、導熱性、導電性、熱膨脹性、磁性等； 化學性能：化學性能：耐腐蝕性、抗氧化性、化學穩(wěn)定性等； 工藝性能：工藝

3、性能：鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性、熱處理工藝性等。 第一節(jié)第一節(jié) 強度和塑性強度和塑性 一、拉伸實驗與拉伸曲線一、拉伸實驗與拉伸曲線1.拉伸試樣拉伸試樣GB6397-86規(guī)定規(guī)定金屬拉伸試樣金屬拉伸試樣有：有：圓形、矩形、異型及全截面圓形、矩形、異型及全截面常用標準圓截面試樣。常用標準圓截面試樣。長試樣：長試樣：L0=10d0;短試樣：短試樣：L0=5d0拉伸試樣拉伸試樣第一節(jié)第一節(jié) 強度和塑性強度和塑性 2.拉伸過程拉伸過程拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試驗拉伸試驗機機 op段：比例彈性變形階段； pe段：非比例彈性變形階段； 平臺或鋸齒（s段）：屈服階段； sb段：

4、均勻塑性變形階段，是強化階段。 b點：形成了“縮頸”。 bk段：非均勻變形階段，承載下降，到k點斷裂。 斷裂總伸長為Of，其中塑形變形Og(試樣斷后測得的伸長)，彈性伸長gf。 l Fl bl ul Fbbk Fss o g fe Fep Fp3.拉伸曲線拉伸曲線4.應力與應變曲線應力與應變曲線 (1)應力應力 ：單位面積上試樣承受的載荷。這里用試樣承受的載荷除以試樣的原始橫截面積S 0表示: F 載荷載荷( N ) = ( M pa ) S 0 原始橫截面積原始橫截面積( mm2) (2)應變應變：單位長度的伸長量。這里用試樣的伸長量除以試樣的原始標距表示: l伸長量(mm ) = l 0原

5、始長度原始長度( mm) (3)應力應變曲線應力應變曲線（ - 曲線曲線）:形狀和拉伸曲線相同，單位不同bse退火低碳鋼低、中回火鋼淬火鋼及鑄鐵中碳調質鋼 5.不同材料的拉伸曲線不同材料的拉伸曲線二、強度和剛度二、強度和剛度0SF2.剛度：剛度：將材料抵抗彈性變形的能力稱為剛度。將材料抵抗彈性變形的能力稱為剛度。彈性模量：彈性下應力與應變的比值彈性模量：彈性下應力與應變的比值,表示材料抵表示材料抵抗彈性變形的能力。即：抗彈性變形的能力。即： E= / 材料的材料的E越大，剛度越大；越大，剛度越大； E對組織不敏感；對組織不敏感；零件的剛度主要決定于零件的剛度主要決定于E，也與形狀、截面等有，也

6、與形狀、截面等有關。關。E= / 1.彈性彈性:金屬材料受外力作用時產生變金屬材料受外力作用時產生變形形,當外力去掉后能恢復到原來形狀及當外力去掉后能恢復到原來形狀及尺寸的性能。尺寸的性能。彈性變形彈性變形: 隨載荷撤除而消失的變形。隨載荷撤除而消失的變形。 3.彈性極限彈性極限: Fe 彈性極限載荷彈性極限載荷( N ) e = ( M pa ) S0 試樣原始橫截面積試樣原始橫截面積( mm2)e e4.強度強度: 材料在載荷作用下抵抗永久變形和破壞的能力。材料在載荷作用下抵抗永久變形和破壞的能力。種類種類: 抗拉強度、抗拉強度、 抗壓強度、抗壓強度、 抗彎強抗彎強 度度 、 抗剪強度抗剪

7、強度 、 抗扭強度等?？古姸鹊?。 (1) 屈服點屈服點 與與屈服強度屈服強度: 產生明顯塑性變形的最低應力值產生明顯塑性變形的最低應力值. Fs s = ( M Pa ) S0試樣屈服時的載荷試樣屈服時的載荷( N )試樣試樣原始橫截面積原始橫截面積( mm2)s 屈服強度屈服強度( 塑性變形量為塑性變形量為0.2%，微量塑性變形，微量塑性變形) F0.2 0.2 = ( M Pa ) S 0 試樣原始橫截面試樣原始橫截面( mm2)試樣產生試樣產生0.2%殘余塑性變殘余塑性變 形時的載荷形時的載荷(N)0.2：試樣產生殘余塑性變形：試樣產生殘余塑性變形0.2%時的應力時的應力試樣產生試樣產

8、生0.2%殘余塑性變形殘余塑性變形 屈服點屈服點 s 、屈服強度、屈服強度0.2是零件設計的主要依據(jù)；是零件設計的主要依據(jù)；也是評定金屬強度的重要指標之一。也是評定金屬強度的重要指標之一。(2)抗拉強度：抗拉強度：試樣在斷裂前所能承受的最大應力。試樣在斷裂前所能承受的最大應力。它表示材料抵抗斷裂的能力。它表示材料抵抗斷裂的能力。是零件設計的重要依據(jù)；也是評定金屬強度是零件設計的重要依據(jù)；也是評定金屬強度的重要指標之一。的重要指標之一。 F b 試樣斷裂前的最大載荷試樣斷裂前的最大載荷(N) b = ( M Pa ) S 0 試樣原始橫截面積試樣原始橫截面積( mm2)bse三、塑性三、塑性:是

9、指材料在載荷作用下產生塑性變形而不被破壞的能力。是指材料在載荷作用下產生塑性變形而不被破壞的能力。 (1)斷面收縮率斷面收縮率: 是指試樣拉斷處橫截面積的收縮是指試樣拉斷處橫截面積的收縮量量 S與原始橫截面積與原始橫截面積S0之比。之比。(2)伸長率伸長率:是指試樣拉斷后的標距伸長量是指試樣拉斷后的標距伸長量 L 與原與原始標距始標距L 0之比。之比。 S0 - S 1 = - 100% S0 l 1 - l0 = - 100% l0 10% 屬塑性材料屬塑性材料 思考思考:同一材料同一材料5 10？ l=ll=lu ub b= l/ll/l0 0= =l lu u/l/l0 0 + + l

10、lb b/l/l0 0ubbseE塑性指標不直接用于計算，但任何零件都需要一定塑性。塑性指標不直接用于計算，但任何零件都需要一定塑性。防止過載斷裂；塑性變形可以緩解應力集中、削減應力峰值。防止過載斷裂；塑性變形可以緩解應力集中、削減應力峰值。練習題一練習題一 拉力試樣的原標距長度為50mm，直徑為10mm，經拉力試驗后，將已斷裂的試樣對接起來測量，若最后的標距長度為71mm，頸縮區(qū)的最小直徑為4.9mm，試求該材料的伸長率和斷面收縮率的值？ 解： =（71-50）/50 x100%=42% S0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2) S1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2

11、) =(S0-S1)/S0 x100%=24%練習題二練習題二某工廠買回一批材料（要求：s230MPa；b410MPa；523%；50%）做短試樣（0=50；0=10mm）拉伸試驗，結果如下：Fs=19KN，F(xiàn)b=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;問買回的材料合格嗎？解： 根據(jù)試驗結果計算如下：sFss(19x1000)/(3.14x52 )=242 230MPa b Fb s(34.5x1000)/(3.14x52 )=439.5 410MPa 5 l l 0 x100% (63.1-50)/50 x100%=26.2% 23% S S 0 x100% 60.31% 50%

12、材料的各項指標均合格，因此買回的材料合格。第二節(jié)第二節(jié) 硬硬 度度布氏硬度布氏硬度HB 洛氏硬度洛氏硬度HR 維氏硬度維氏硬度HV銼刀法銼刀法五五.硬度硬度( hardness ):是指是指材料抵抗其他硬物體壓材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力入其表面的能力常用測量硬度的方法常用測量硬度的方法(1)布氏硬度布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )布氏硬度計布氏硬度計 (1)布氏硬度布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )適用范圍適用范圍:v 450HBS;v 650HBW;(1)布氏硬度布氏硬度 HB ( Brinell-hardness ) 符號符號HBS或或

13、HBW之前的數(shù)字表示硬度之前的數(shù)字表示硬度值，符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體值，符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。直徑、載荷及載荷保持時間。如如: :120HBS10/1000/30表示表示直徑為直徑為10mm的的鋼球鋼球在在1000kgf（9.807kN）載荷載荷作用下作用下保保持持30s測得的測得的布氏硬度值為布氏硬度值為120。(2)洛氏硬度洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness )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洛氏硬度計10HRCHBS(3)維氏硬度維氏硬度 HV ( diamond penetrator hardnes

14、s )適用范圍適用范圍: 測量薄板類測量薄板類 ; HVHBS ;(5) 銼刀法銼刀法: 一組硬度差為一組硬度差為5HRC的銼刀。的銼刀。例如例如:10HRC、15HRC、20HRC等。等。六六.沖擊韌性沖擊韌性( notch toughness ): 材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。的能力。沖擊試驗機沖擊試驗機沖擊試樣和沖擊試驗示意圖沖擊試樣和沖擊試驗示意圖試樣沖斷時所消耗的試樣沖斷時所消耗的沖擊功沖擊功A k為為: A k = m g H m g h (J) 沖擊韌性值沖擊韌性值a k 就是試樣缺口處單位就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。截面積上所消耗的沖擊功。 AK a k = (J/cm) S0七七.疲勞強度疲勞強度( fatigue strength ): 表示材料經無數(shù)次交變載荷作表示材料經無數(shù)次交變載荷作 用而不致引起斷裂的最大應力值。用而不致引起斷裂的最大應力值。鋼材的循環(huán)次數(shù)鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取一般取 N = 107有色金屬的循環(huán)次數(shù)有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取一般取 N = 108鋼材的鋼材的疲勞強度疲勞強度與與抗拉強度抗拉強度之間的關系之間的關系: -1 = (0.45 (0.450.55)0.55) b19