金属工艺学材料的力学性能教学课件PPT.ppt
第一章 金属的力学性能,2,第一节 强度和塑性,第二节 硬度,第三节 韧性与疲劳强度,返回,第一章 金属的力学性能,机械零件或其他结构件在使用过程中会受到各种外力的作用。金属材料在外力作用下所表现出来的性能称为力学性能，它是保证零件和构件正常工作应具备的主要性能。金属材料的力学性能主要包括强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。力学性能不仅是机械零件设计、选材、验收及鉴定的主要依据，也是对产品加工过程实行质量控制的重要参数，故学习金属材料的力学性能对今后使用各种金属材料具有重要的意义。,返回,第一节 强度和塑性,机械零件在正常使用过程中，有时会出现变形甚至断裂的情况，这是因为机械零件的强度较低或塑性较差。强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力，金属材料的强度越高，所能承受的载荷就越大。塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。为避免机械零件在使用过程中出现断裂或者变形的情况，在使用前首先要确定机械零件的强度和塑性是否能够满足使用要求。一、金属材料承受的载荷与应力1.金属材料承受的载荷金属材料在加工和使用过程中所受到的外力称为载荷。按外力的作用性质，载荷常分为如下三种。,下一页,返回,第一节 强度和塑性,(1)静载荷大小不变或变化很慢的载荷。(2)冲击载荷在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。(3)交变载荷大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。根据作用形式不同，载荷又可分为拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷等，如图1-1所示。2.内力与内应力,上一页,下一页,返回,第一节 强度和塑性,材料受外力作用时，为保持自身形状尺寸不变，在材料内部作用着与外力相对抗的力，称为内力。内力的大小与外力相等，方向则与外力相反，并与外力保持平衡。单位面积上的内力称为应力。金属材料受拉伸载荷或压缩载荷时，其横截面积上的应力可按下式计算:式中，应力，单位MPa;F外力，单位N;S横截面积，单位mm2。,上一页,下一页,返回,第一节 强度和塑性,二、拉伸试验与拉伸曲线1.拉伸试验方法生产实际中通常使用拉伸试验来测定机械零件的强度和塑性。拉伸试验是一种破坏性试验，所以，拉伸试验时，通常不直接采用机械零件做试验，而是用与制造机械零件的相同材料制成的标准试样进行试验。为了使测定出来的强度和塑性指标具有可比性，拉伸试样必须按照国家标准制作。拉伸试样一般有圆形和矩形两类，图1-2所示为圆形拉伸试样，圆形拉伸试样一般又分为长试样(L0=10d)和短试样(L0=5 d)两种。拉伸试验方法如下:1)将试样两端部位分别夹持在如图1-3所示拉伸试验机的上下夹头中。,上一页,下一页,返回,第一节 强度和塑性,2)对试样缓慢施加轴向拉伸力F，使试样沿其轴向伸长。如图1-4(a)所示。3)随着拉伸力F的缓慢增大，试样的有效伸长量L不断增加，直至试样断裂。如图1-4(b)所示。4)观察、记录实验结果，并对实验结果进行分析。2.拉伸曲线衡量强度的指标是在拉伸试验过程中测得拉伸曲线，再由拉伸曲线通过计算来获得的。在拉伸试验过程中，试验机自动以拉伸力F为纵坐标，以伸长量L为横坐标，画出一条拉力F与伸长量L的关系曲线，称为拉伸曲线。,上一页,下一页,返回,第一节 强度和塑性,图1-5所示为低碳钢的拉伸曲线示意图。三、强度指标根据外力作用方式的不同，强度有多种指标，如抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等，常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。1.屈服强度与规定残余伸长应力金属材料产生屈服时的应力称为屈服强度，用符号s表示。其大小可由下式求得，单位是MPa。,上一页,下一页,返回,第一节 强度和塑性,对于没有明显屈服现象的脆性材料，可用规定残余延伸应力表示。屈服强度或规定残余延伸应力是材料开始产生微量塑性变形时的应力。对于大多数零件而言，过量的塑性变形就意味着零件的尺寸精度下降或与其他零件的相互配合精度受到影响，因而会造成零件失效。2.抗拉强度材料在断裂前所能承受的最大应力，称为抗拉强度或强度极限，用符号b表示。其值大小可由下式求得，单位是Mpa。,上一页,下一页,返回,第一节 强度和塑性,零件在工作中所承受的应力不允许超过抗拉强度，否则会产生断裂。可见抗拉强度指标也是机械零件设计时的重要依据之一，同时也是评定金属材料强度的重要指标。通常把屈服强度和抗拉强度的比值称为屈强比，其值越高，则强度的利用率越高。屈强比越小，则工程构件的可靠性越高，也就是万一超载也不致于马上断裂。但屈强比小，材料强度有效利用率也低，一般以0.75为宜。四、塑性指标塑性也是在拉伸试验中测定的，常用的塑性指标是断后伸长率和断面收缩率。1.断后伸长率,上一页,下一页,返回,第一节 强度和塑性,断后伸长率是指试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的比率，用符号表示。式中，l0试样的原始标距长度;l1试样拉断后的标距长度。材料的伸长率是随标距的增加而减小的，所以同一材料的短试样比长试样所测的伸长率大20%左右，对局部集中变形明显的材料，甚至达到50%。因此，用长、短两种试样测得的伸长率分别用10和5表示。2.断面收缩率断面收缩率是指试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积的比率，用符号表示。,上一页,下一页,返回,第一节 强度和塑性,伸长率和断面收缩率越大，表明材料的塑性越好，一般认为 5%的材料为脆性材料。材料具备一定的塑性才能进行各种成型加工，如冷冲压、锻造、轧制等。钢的塑性较好，能通过锻造成型。铸铁的伸长率几乎为零，塑性很差，所以不能进行塑性变形加工。另外，具有一定塑性的零件，偶尔过载时由于能发生一定量的塑性变形而不至于立即断裂，在一定程度上保证了零件的工作安全性，因此对于重要的结构零件要求必须具备一定的塑性。塑性并不是越大越好，一般来说，各种零件对塑性的要求有一定的限度。,上一页,返回,第二节 硬度,一、硬度概念硬度通常是指金属材料抵抗其他更硬物体压入其表面的能力，是金属抵抗其表面局部变形和破坏的能力，是衡量金属材料软硬的指标。一般材料越硬，其耐磨性就越好。机械制造业所用的刀具、模具和机械零件等，都应具备一定的硬度，才能保证其使用性能和寿命。金属材料的硬度是在硬度试验设备上测定的。硬度试验设备简单，操作迅速方便，可直接在零件或工具上进行试验而不破坏工件，并且还可根据测得的硬度值估计出材料的近似抗拉强度和耐磨性。此外，硬度与材料的冷成型性、切削加工性、可焊性等工艺性能之间也存在着一定联系，可作为制定加工工艺时的参考。,下一页,返回,第二节 硬度,因此，硬度试验在实际生产中是最常用的试验方法。生产中常用的硬度测定方法有布氏硬度测试法和洛氏硬度测试法，有时还用维氏硬度测试法等。二、布氏硬度布氏硬度试验法是用直径为D的硬质合金球，在规定载荷F的作用下压入被测试金属的表面(如图1-6所示)，停留一定时间后卸除载荷，然后测量被测试金属表面上所形成的压痕直径d，由此计算压痕的表面积S，进而求出压痕在单位面积上所承受的平均压力值(F/S)，以此作为被测试金属的布氏硬度值。,上一页,下一页,返回,第二节 硬度,当载荷F与球体直径D一定时，硬度值只与压痕直径d的大小有关。1.布氏硬度试验条件的选择由于金属材料有软有硬，被测工件有薄有厚，尺寸有大有小，如果只采用一种标准的试验载荷F和压头直径D，就会出现对某些材料和工件不适应的现象。因此，国标规定了常用布氏硬度试验规范。在进行布氏硬度试验时，可根据被测试金属材料的种类、硬度范围和试样厚度，选用不同的压头直径D、施加载荷F和载荷保持时间，建立F和D的某种选配关系，以保证布氏硬度的可比性，如表1-1所示。如果工件有特殊要求时，应将测试条件在硬度值后面标出。,上一页,下一页,返回,第二节 硬度,2.布氏硬度特点与应用布氏硬度测试因压痕面积较大，能反映出较大范围内被测试金属的平均硬度，测量数据稳定;可测量组织粗大或组织不均匀材料(如铸铁)的硬度值;布氏硬度与抗拉强度之间存在一定的关系，可根据其值估计出材料的强度值。布氏硬度测试主要用于原材料或半成品的硬度测量，如测量铸铁、非铁金属(有色金属)、硬度较低的钢(如退火、正火、调质处理的钢)等。但不宜测量较高硬度的材料(材料的硬度值必须650 HBW，如果用钢球压头测量时，材料的硬度值必须450 HBS)，且因压痕较大，不宜测试成品或薄片金属的硬度。,上一页,下一页,返回,第二节 硬度,三、洛氏硬度1.洛氏硬度试验原理洛氏硬度试验法是目前工厂中应用最广泛的试验方法。它是用一个金刚石圆锥体或钢球作为压头，在初始载荷和主载荷先后作用下，压入被测试金属表面，经规定时间后卸除主试验力，由压头在金属表面所形成的压痕深度来确定其硬度值。图1-7所示为洛氏硬度试验原理。在初载荷作用下的压入深度h0，加初载荷的目的是使压头与试样表面紧密接触，避免由于试样表面不平整而影响试验结果的精确性。在总载荷(初载荷+主载荷)作用下的压入深度h1。,上一页,下一页,返回,第二节 硬度,主载荷卸载后的压入深度h。在实际测试时，可从硬度计的指示盘上直接读出洛氏硬度值的大小，用符号HR表示。用金刚石压头测试时读指示盘外圈上的数值，用钢球压头测试时读指示盘里圈上的数值，数值越大表示金属材料越硬。为了能用同一硬度计测定从软到硬材料的硬度，可采用不同的压头和载荷，组成不同的洛氏硬度标尺，其中最常用的是HRA,HRB,HRC三种标尺。表1-2所示为这三种标尺的试验条件和应用范围。2.洛氏硬度的特点洛氏硬度试验法操作迅速简便;由于压痕较小，可用于成品的检验;,上一页,下一页,返回,第二节 硬度,采用不同标尺，可测出从极软到极硬材料的硬度，为测试准确，应多点测量，取平均值。但由于压痕较小，对组织比较粗大且不均匀的材料，测得的硬度值不够准确。四、维氏硬度1.维氏硬度的试验原理维氏硬度的试验原理基本上和布氏硬度试验相同，但所用的压头形状和材料不同。它是用一个相对面夹角为136的金刚石正四棱锥体压头，以选定载荷F作用下压入被测试金属的表面，保持一定时间后卸除载荷(如图1-8所示)。,上一页,下一页,返回,第二节 硬度,然后再测量压痕的两对角线的平均长度d,进而计算出压痕的表面积S，最后求出压痕表面积上平均压力(F/S)，以此作为被测试金属的硬度，用符号HV表示。2.维氏硬度试验法的特点维氏硬度试验法的优点是试验时所加载荷小、压入深度浅，故适用于测试零件表面淬硬层及化学热处理的表面层(如渗碳层、渗氮层等)的硬度;同时维氏硬度是一个连续一致的标尺，试验时可任意选择载荷，而不影响其硬度值的大小，因此可测定较薄的、从极软到极硬的各种金属材料的硬度值，并可直接比较它们的硬度大小;维氏硬度试验法的缺点是其硬度值的测定较麻烦，并且压痕小，所以对试件的表面质量要求较高。,上一页,返回,第三节 韧性与瘾劳强度,一、韧性1.韧性试验金属材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力称为冲击韧性，简称韧性。为了评定金属材料的冲击韧性，需在规定条件下对其进行冲击试验，以测定其衡量指标，其中应用最普遍的是一次冲击弯曲试验，也称为一次摆锤冲击试验。图1-9所示为冲击试验机和一次摆锤冲击试验过程示意图。2.冲击吸收功试验时，将标准冲击试样放置在摆锤冲击试验机的支座上，把具有重量G的摆锤提高到距试样高度为H的位置，如图1-9所示。,下一页,返回,第三节 韧性与瘾劳强度,此时摆锤势能为GH，然后使其下落，将试样冲断，冲断试样后摆锤又上升到距原试样的高度为h处，摆锤剩余势能为Gh。故冲断试样所消耗掉的功为GH-Gh，称为冲击吸收功AK。即冲击吸收功AK值越高，表示材料的冲击韧性越好。对于像冲头、空气锤锤杆等承受冲击的零件，需具有一定的韧性才能满足其使用性能要求。但也不能要求过高，因为冲击吸收功AK升高，往往其硬度值和强度值会降低，耐磨性能和承载能力下降，零件的使用寿命也会降低。,上一页,下一页,返回,第三节 韧性与瘾劳强度,二、疲劳强度1.疲劳现象实际生产中有许多机器零件，如轴、齿轮、弹簧、叶片等都是在交变载荷下工作的。承受交变载荷的金属零件，在工作应力低于其屈服强度时，经过较长时间的工作也会发生突然断裂，这种现象称为金属的疲劳。金属疲劳断裂是在事先无明显塑性变形的情况下突然发生的，故具有很大的危险性，往往引发重大事故。所以在设计零件选材时，要考虑金属材料对疲劳断裂的抗力。,上一页,下一页,返回,第三节 韧性与瘾劳强度,疲劳断裂一般产生在零件应力集中部位或材料本身强度较低的部位，如原有微裂纹、软点、脱碳、夹杂或刀痕等，这些地方的局部应力大于屈服强度s，形成裂纹的核心，进而在交变应力或重复应力的反复作用下产生疲劳裂纹，并随着应力循环周次的增加，疲劳裂纹不断扩展，使零件的有效承载面逐渐减小，最后当减小到不能承受外加载荷时，零件即发生突然断裂。2.疲劳曲线与疲劳强度,上一页,下一页,返回,第三节 韧性与瘾劳强度,疲劳曲线是材料固有的动态力学特性之一，该曲线通常是对某种材料加工成的标准试件施加循环特性r=-1的对称变应力，并以循环的最大应力max表征材料疲劳强度，通过实验，记录出在不同max下引起试件疲劳破坏所经历的应力循环次数N，即得到如图1-10所示疲劳曲线，通常称其为-N曲线。金属材料在无数次交变载荷的作用下而不发生断裂的最大应力，称为疲劳强度，用-1表示。疲劳强度是通过试验得到的，如图1-10所示的疲劳曲线示意图(疲劳曲线是指交变应力与循环次数的关系曲线)表明，金属承受的交变应力越小，则断裂前的应力循环次数N越多;反之，则N越少。,上一页,返回,图1-1载荷的作用形式,返回,图1-2圆形拉伸试样,返回,图1-3拉伸试验机,返回,图1-4拉伸试验过程示意图,返回,图1-5低碳钢拉伸曲线示意图,返回,图1-6布氏硬度实验原理示意图,返回,表1-1布氏硬度试验规范,返回,图1-7洛氏硬度试验原理示意图,返回,表1-2 常用洛氏硬度标尺的试验条件和应用范围,返回,图1-8维氏硬度试验原理示意图,返回,图1-9 一次摆锤冲击试验过程示意图,返回,图1-10疲劳曲线,返回,谢谢观赏,
