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文檔簡(jiǎn)介
本章提要1、學(xué)習(xí)目的和要求通過(guò)本章學(xué)習(xí),了解工程材料的主要力學(xué)性能。2、課程內(nèi)容(1)材料的強(qiáng)度和塑性;(2)材料的硬度;(3)材料的沖擊韌度;(4)材料的疲勞強(qiáng)度;(5)材料的斷裂韌度。工程材料的性能使用性能、工藝性能
使用性能:材料在不同的條件下使用,如在載荷、溫度、介質(zhì)、電磁場(chǎng)等作用下將表現(xiàn)出不同的行為,即為材料的使用性能。
工藝性能:材料在加工過(guò)程中對(duì)所涉及的加工工藝所表面出來(lái)的適應(yīng)性。
工程材料的力學(xué)性能(機(jī)械性能)是指金屬在外力的作用下,抵抗變形和破壞的能力。工程材料的力學(xué)性能主要有強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性和疲勞強(qiáng)度等。強(qiáng)度與塑性硬度沖擊韌度疲勞強(qiáng)度靜載時(shí)材料的力學(xué)性能動(dòng)載時(shí)材料的力學(xué)性能第一節(jié)材料的強(qiáng)度與塑性第二節(jié)材料的硬度第三節(jié)材料的沖擊韌度第四節(jié)材料的疲勞強(qiáng)度第五節(jié)材料的斷裂韌度第一節(jié)材料的強(qiáng)度與塑性一、拉伸實(shí)驗(yàn)及拉伸曲線拉伸試驗(yàn)機(jī)
低碳鋼拉伸曲線拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象
ΔLF0
低碳鋼拉伸曲線
脆性材料拉伸曲線1——淬火、高溫回火后的高碳鋼:只有彈性形變、少量的均勻塑性形變;2——低合金結(jié)構(gòu)鋼:與低碳鋼類(lèi)似;3——黃銅:彈性形變、均勻塑性形變和不均勻集中塑性形變;
4——陶瓷、玻璃類(lèi)材料:只有彈性變形而沒(méi)有明顯的塑性形變;5——橡膠類(lèi)材料:彈性形變量很大,高達(dá)100%;
6——工程塑料:彈性形變、均勻塑性變形和不均勻集中塑性變形。二、拉伸曲線所確定的力學(xué)性能指標(biāo)及意義(一)強(qiáng)度指標(biāo)1.彈性模量E
表征材料在受力時(shí),抵抗彈性變形的能力。
E=σ/ε
2.比例極限σp
表征應(yīng)變保持線性關(guān)系的極限應(yīng)力值
σp=Fp/Ao
3.彈性極限σe
表征不產(chǎn)永久變形的最大抗力。
σe=Fe/Ao
二、拉伸曲線所確定的力學(xué)性能指標(biāo)及意義(一)強(qiáng)度指標(biāo)4.屈服強(qiáng)度s
表征材料發(fā)生微量塑性變形時(shí)的應(yīng)力值。
σs=Fs/Ao5.抗拉強(qiáng)度b
表征材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。
σb=Fb/Ao
二、拉伸曲線所確定的力學(xué)性能指標(biāo)及意義(一)強(qiáng)度指標(biāo)新老標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)度指標(biāo)的區(qū)別:(1)老標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)原有的微量塑性變形抗力指標(biāo)“比例極限”和“彈性極限”在新標(biāo)準(zhǔn)上已由“規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp”所取代。規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度是指試樣在加載過(guò)程中,塑性延伸率等于規(guī)定的引伸計(jì)標(biāo)距百分率時(shí)的應(yīng)力。對(duì)于沒(méi)有明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料,屈服強(qiáng)度σ0.2(老標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)),在新標(biāo)準(zhǔn)中已由“規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度Rr0.2”所取代。
二、拉伸曲線所確定的力學(xué)性能指標(biāo)及意義(一)強(qiáng)度指標(biāo)新老標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)度指標(biāo)的區(qū)別:(2)新標(biāo)準(zhǔn)中統(tǒng)一用“強(qiáng)度”一詞來(lái)取代原來(lái)經(jīng)常使用的“點(diǎn)”、“應(yīng)力”、“強(qiáng)度”等術(shù)語(yǔ)。例如用“屈服強(qiáng)度”取代“屈服點(diǎn)”,并且進(jìn)一步細(xì)分為“上屈服強(qiáng)度ReX”和“下屈服強(qiáng)度ReL”。(3)新標(biāo)準(zhǔn)中統(tǒng)一用符號(hào)“R”來(lái)表示強(qiáng)度,取代原來(lái)使用多處的“σ”(應(yīng)力仍然用符號(hào)“σ”)表示。例如用“抗拉強(qiáng)度Rm”取代“抗拉強(qiáng)度”二、拉伸曲線所確定的力學(xué)性能指標(biāo)及意義(一)強(qiáng)度指標(biāo)新老標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)度指標(biāo)的區(qū)別:(3)新標(biāo)準(zhǔn)中取消了”屈服力Fs“、“上屈服力Fsu”和下屈服力FsL“的符號(hào),但考慮到在實(shí)際工作中仍需測(cè)試”上屈服力”和“下屈服力”,所以可分別用“FeH”和“FeL”表示。
(4)新版本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)“伸長(zhǎng)”和“延伸”作了區(qū)別?!吧扉L(zhǎng)率”為原始標(biāo)距的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距(L0)之比的百分率?!把由炻省睘橐煊?jì)標(biāo)距所表示的延伸百分率。
(5)新舊標(biāo)準(zhǔn)中個(gè)別性能指標(biāo)的單位有所變化。新標(biāo)準(zhǔn)中,力的單位為N,強(qiáng)度的單位為N/mm2(MPa),替代了舊標(biāo)準(zhǔn)中kgf和kgf/mm2的表斷后伸長(zhǎng)率(A):斷后標(biāo)距的殘余伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距之比的百分率。斷裂總伸長(zhǎng)率(At):斷裂時(shí)刻原始標(biāo)距的總伸長(zhǎng)(彈性伸長(zhǎng)加塑性伸長(zhǎng))與原始標(biāo)距之比的百分率最大力伸長(zhǎng)率(Agt):最大力時(shí)原始標(biāo)距的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距之比的百分率。最大力非比例伸長(zhǎng)率(Ag)二、拉伸曲線所確定的力學(xué)性能指標(biāo)及意義二、拉伸曲線所確定的力學(xué)性能指標(biāo)及意義
斷后收縮率(Z):斷裂后試樣橫截面積的最大縮減量與原始橫截面各之比的百分率。第二節(jié)材料的硬度
材料抵抗其他硬物壓入其表面的能力稱(chēng)為硬度,它是衡量材料軟硬程序的力學(xué)性能指標(biāo)??捎糜捕仍囼?yàn)機(jī)測(cè)定,常用的硬度指標(biāo)有布氏硬度HBW、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC等)和維氏硬度HV第二節(jié)材料的硬度一、布氏硬度HBW(一)試驗(yàn)原理布氏硬度試驗(yàn)規(guī)范38第二節(jié)材料的硬度一、布氏硬度HBW(二)應(yīng)用范圍布氏硬度主要用于組織不均勻的鍛鋼和鑄鐵的硬度測(cè)試,鍛鋼和灰鑄鐵的布氏硬度與拉伸試驗(yàn)有著較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。布氏硬度試驗(yàn)還可用于有色金屬和軟鋼,采用小直徑球壓頭可以測(cè)量小尺寸和較薄材料。布氏硬度計(jì)多用于原材料和半成品的檢測(cè),由于壓痕較大,一般不用于成品檢測(cè)。
表示方式:600HBW1/30/20
350HBW5/750
第二節(jié)材料的硬度一、布氏硬度HBW補(bǔ)充說(shuō)明:(1)硬度超過(guò)HB650的材料,不能做布氏硬度試驗(yàn),這是因?yàn)樗捎玫膲侯^,會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的彈性變形,甚至永久變形,影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,這時(shí)應(yīng)改用洛氏和維氏硬度試驗(yàn)。(2)每個(gè)試樣至少試驗(yàn)3次。試驗(yàn)時(shí)應(yīng)保證兩相鄰壓痕中心的距離不小于壓痕平均直徑的4倍,對(duì)于較軟的金屬則不得小于6倍。壓痕中心距試樣邊緣的距離不得小于壓痕直徑的2.5倍,對(duì)于軟金屬則不得小于3倍
第二節(jié)材料的硬度二、洛氏硬度HR(一)實(shí)驗(yàn)原理洛氏硬度計(jì)第二節(jié)材料的硬度二、洛氏硬度HR(二)應(yīng)用范圍(共15個(gè)標(biāo)尺)示例:60HRBW標(biāo)尺硬度符號(hào)所用壓頭總試驗(yàn)力F/N適用范圍①HR應(yīng)用范圍AHRA金剛石圓錐
588.420—88硬、薄試件,如硬質(zhì)合金、表面淬火層和滲碳層。BHRBφ1.5875mm球
980.720—100輕金屬,未淬火鋼,如有色金屬和退火、正火鋼等。CHRC金剛石圓錐147120--70較硬,淬硬鋼制品;如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。硬質(zhì)合金淬火鋼球第二節(jié)材料的硬度三、維氏硬度HV(一)實(shí)驗(yàn)原理維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度計(jì)第二節(jié)材料的硬度三、維氏硬度HV(二)應(yīng)用范圍
維氏硬度試驗(yàn)主要用于材料研究和科學(xué)試驗(yàn)方面,小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)主要用于測(cè)試小型精密零件的硬度,表面硬化層硬度和有效硬化層深度,鍍層的表面硬度,薄片材料和細(xì)線材的硬度,刀刃附近的硬度,牙科材料的硬度等。顯微維氏硬氏試驗(yàn)主要用于金屬學(xué)和金相學(xué)研究,用于測(cè)定金屬組織中各組成相的硬度,研究難熔化合物脆性等。顯微維氏硬度試驗(yàn)還用于極小或極薄零件的測(cè)試,零件厚度可薄至3μm。表示方式:640HV30/20關(guān)于硬度實(shí)驗(yàn)的幾點(diǎn)說(shuō)明1、在靜態(tài)力測(cè)定硬度的方法中,維氏實(shí)驗(yàn)方法是最精確的一種,這種方法測(cè)量硬度的范圍較寬,可以測(cè)定目前所有使用的絕大部分金屬材料的硬度2、各種不同方法測(cè)的硬度值之間可通過(guò)查表的方法進(jìn)行互換,不可直接比較3、金屬材料的硬度是由塑性變形抗力決定的,所以硬度值和強(qiáng)度值之間有某種近似的對(duì)應(yīng)關(guān)系,所以零件度紙上通常只標(biāo)注硬度要求第三節(jié)材料的沖擊韌度
第三節(jié)材料的沖擊韌度
材料的韌度是指材料在塑性變形和斷裂的全過(guò)程中吸收能量的能力,是材料塑性和強(qiáng)度的綜合表現(xiàn)。材料的沖擊韌度是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。指標(biāo)為沖擊韌性值ak
。常用一次擺錘沖擊試驗(yàn)方法測(cè)定。沖擊韌度指標(biāo)的實(shí)際意義在于揭示材料的變脆傾向。
αK=A/FA=(GH1-GH2)×9.8J/cm2其中:αK
(J/cm2)
H(m)
A(m2)
G(kg)缺口型式:αKU
αKV
第三節(jié)材料的沖擊韌度
(一)實(shí)驗(yàn)原理
第三節(jié)材料的沖擊韌度
(一)實(shí)驗(yàn)原理
第四節(jié)材料的疲勞強(qiáng)度許多機(jī)械零件,如軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等,在工作過(guò)程中各點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間作周期性的變化,這種隨時(shí)間作周期性變化的應(yīng)力稱(chēng)為交變應(yīng)力(也稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力)。第四節(jié)材料的疲勞強(qiáng)度(一)實(shí)驗(yàn)原理
疲勞強(qiáng)度是指金屬材料在無(wú)限多次交變載荷作用下而不破壞的最大應(yīng)力。實(shí)際上,金屬材料并不可能作無(wú)限多次交變載荷試驗(yàn)。一般試驗(yàn)時(shí)規(guī)定,鋼在經(jīng)受107次、非鐵(有色)金屬材料經(jīng)受108次交變載荷作用時(shí)不產(chǎn)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力稱(chēng)為疲勞強(qiáng)度。當(dāng)施加的交變應(yīng)力是對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力時(shí),所得的疲勞強(qiáng)度用σ–1表示。
部分工程材料的疲勞極限σ-1(MPa)零件工作條件主要失效方式主要力學(xué)性能指標(biāo)緊固螺栓拉應(yīng)力,剪切應(yīng)力過(guò)量塑性變形,斷裂彈簧交變彎曲或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力,沖擊過(guò)量變形,疲勞本章練習(xí)1、分析下列零件的主要力學(xué)性能指標(biāo)本章練習(xí)2、在設(shè)計(jì)機(jī)械時(shí)多用哪兩種強(qiáng)度指標(biāo)?為什么?3、下列各
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