第一章 金属材料的力学性能 - PowerPoint PPT Presentation

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  1. 第一章 金属材料的力学性能 第一节 刚度、强度、塑性 第二节 冲击韧性 第三节 疲劳强度 第四节 硬度

  2. 第一节 刚度、强度、塑性 刚度、强度和塑性是根据拉伸试验测定出来的。 一、拉伸试验与拉伸曲线 1、拉伸试样 试验前在试棒上打出标距 按国标规定标准拉伸试样可分为: 1) 板形试样:原材料为板材或带材 2) 圆形试样:长试样L0=10d0, 短试样L0=5d0 其中:L0为试样标距,d0为试样直径

  3. 2、拉伸过程将试样装在拉力试验机夹头上,缓慢加载,通过自动记录装置得到试样所受载荷F和伸长量△L的关系曲线称为拉伸曲线;2、拉伸过程将试样装在拉力试验机夹头上,缓慢加载,通过自动记录装置得到试样所受载荷F和伸长量△L的关系曲线称为拉伸曲线;

  4. 拉伸试样的颈缩现象 HT-2402-100KN电脑伺服控制材料实验机

  5. 3、拉伸曲线

  6. 弹性变形 塑性变形

  7. (1)应力σ :单位面积上试样承受的载荷。 F:载荷( N ) —— S 0:原始横截面积( mm2) (2)应变ε:单位长度的伸长量。 F σ= ( M pa ) S 0 Δl:伸长量(mm ) —— ε= Δl l 0 l 0:原始长度( mm) 4、应力与应变曲线 (3)应力-应变曲线( σ- ε曲线): 形状和拉伸曲线相同,单位不同。

  8. 45钢 铝青铜 35钢 硬铝 纯铜 5、不同材料的拉伸曲线

  9. 屈服强度 e 抗拉强度 σ σ 伸长率 断面收缩率 ε 二、通过拉伸试验测得的性能指标 塑性 刚度、强度 1)刚度 表征金属材料抵抗弹性变形的能力。 弹性模量E:表示引起单位变形时所需要的应力。即材料的E越大,产生的弹性变形越小,刚度越大。 E值主要取决于材料的本性; 提高刚度的方法是增加横截面积或改变截面形状。 σ= E ε

  10. 举例:通过改变横截面积来提高材料的刚度

  11. F(σ) b s e p k Fs Fe Fb Fp o Δl (ε) 低碳钢的力-伸长曲线 2)强度 金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形和破坏的能力。 a.屈服点、屈服强度:表征金属材料对产生明 显塑性变形的抗力。 屈服现象:S点 屈服点是指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力,用σS表示。 σS =FS/S0 (N/mm2 =Mpa)

  12. 对于没有明显屈服现象发生的金属材料,产生规定残余伸长率为0.2%时的应力值作为该材料的屈服强度,以σ0.2表示。对于没有明显屈服现象发生的金属材料,产生规定残余伸长率为0.2%时的应力值作为该材料的屈服强度,以σ0.2表示。 σb σs σe σ0.2= F0.2 / S0 b.抗拉强度: 试样在断裂前所能承受的最大应力。 σb = Fb/S0 选用原则:若不允许发生过量的塑性变形,以屈服强度σS 、σ0.2为依据;若零件在使用时只要求不发生破坏,以抗拉强度σb来设计。

  13. 3)塑性: 是指材料在载荷作用下产生不可逆 永久变形而不被破坏的能力。 (1)断面收缩率: 是指试样拉断处横截面积的收缩 量ΔS与原始横截面积S0之比。 (2)断后伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量ΔL与原始标距L 0之比。

  14. 说明: • ①直径d0 相同时,l0,。只有当l0/d0 为常数时,塑性值才有可比性。 当l0=10d0 时,伸长率用表示; 当l0=5d0 时,伸长率用5 表示。显然5>  • ②用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。 • ③> 时,无颈缩,为脆性材料表征 < 时,有颈缩,为塑性材料表征

  15. 冲击试验机 冲击试样和冲击试验示意图 第二节 冲击韧性 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。 通常用冲击韧性指标aK来度量。

  16. 冲击试验示意

  17. U 冲击韧性: AK a k = ——— (J/cm²) S0 试样冲断时所消耗的冲击吸收功A kU为: A kU= m g(H –h) (J) • 冲击韧性值a k就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。 • 冲击吸收功的大小与试验的温度有关。材料的韧脆转变温度越低,说明低温冲击性能越好。 • 冲击吸收功的大小并不能真正反映材料的韧脆程度,因为其中有一部分功损失。

  18. 建造中的Titanic 号 TITANIC TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关

  19. Titanic 近代船用钢板 Titanic 号钢板(左图)和近代船用钢板(右图)的冲击试验结果

  20. 第三节 疲劳强度 fatigue strength 原因:疲劳裂纹产生 扩展 瞬时断裂的。 1、疲劳断裂 特点: ①断裂前无明显的塑性变形,断裂突然发生; ②断裂时应力很低,大多低于σs 2、疲劳强度:材料经无数次交变载荷作用而不断裂的最大应力值,用σ-1表示,单位为MPa.

  21. 疲劳试验原理示意图 循环次数N 疲劳曲线 钢铁材料:N=107次 有色金属:N=108次 3、提高疲劳极限的途径: 1)在零件结构设计中尽量避免尖角,缺口和截面 突变,以免产生应力集中而由此产生疲劳裂纹; 2) 提高零件表面加工质量,减少疲劳源; 3) 采用各种表面强化处理,如表面淬火、喷丸等。

  22. 用一定载荷P,将直径为D的球体压入被测材料的表面,保持一定时间后卸去载荷,根据压痕面积S确定硬度大小。用一定载荷P,将直径为D的球体压入被测材料的表面,保持一定时间后卸去载荷,根据压痕面积S确定硬度大小。 第四节 硬 度 硬度:是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力。 常用压入法; 三种:布氏、洛氏、维氏硬度 (1)布氏硬度HB 1.测量原理

  23. 2.测量过程 注意:d必须在0.24~0.6D之间。

  24. 3.测定条件 • 压头为淬火钢球时, 以HBS表示,可测< 450的材料; • 压头为硬质合金时, 以HBW表示,可测<650的材料。 • 压头直径有10、5、2.5、2、1mm五种。 4.表示方法 符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值,符号后 面的数字按顺序分别表示球体直径mm、载荷Kgf( N )及载荷保持时间S。 如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf(9.807kN)载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。

  25. 5.优缺点 • 布氏硬度的优点:测量误差小,数据稳定。 • 缺点:压痕大,不能用于太薄件、成品件及比压 头还硬的材料。 • 适于测量灰铸铁、非铁合金及较软钢材的硬度。 • 另外:材料的b与HB之间的经验关系: 对于低碳钢:b(MPa)≈3.6HB 对于高碳钢:b(MPa)≈3.4HB 对于灰铸铁:b(MPa)≈1HB 或 b(MPa)≈0.6(HB-40)

  26. (2)洛氏硬度 HR 测量步骤:洛氏硬度HR是将标准压头用规定压力压入被测材料表面,根据压痕深度h来确定硬度值。值越小,材料越硬。

  27. K 0.2 0.26 0.2 分类:根据压头的材料及压头所加的负荷不同又可分为HRA、HRB、HRC三种: 表示方法:55HRC表示C标度测定的洛氏硬度值为55,无单位。 特点:操作简便,可直接读出硬度值,压痕小, 可用于成品件的测量,但测值重复性差。 HRC测定淬火钢的硬度,应用最广。

  28. F HV=0.1891 = 0.1891 F d2 A (3)维氏硬度 HV 测量步骤: 用一定载荷F(N),将顶角为136o的金刚石四棱锥压入被测材料的表面,保持一定时间后卸去载荷,求出平均压痕对角线的长度,确定硬度大小。 表示方法:640HV30/20,表示在30kgf作用下保持20 s,维氏硬度值为640。 特点:可测较薄的硬化层以及很软、很硬的材料。

  29. 布氏硬度计 洛氏硬度计 维氏硬度计

  30. 硬度的测定