金属材料的力学性能课件.ppt

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1、金属材料及成形工艺基础,舒文鑫随州职院 汽车与机电工程学院,金属材料舒文鑫,第一篇 工程材料第二篇 材料成形工艺,目 录,第一篇 工程材料目 录,工程材料部分,工程材料部分,本篇内容,绪 论第1章 工程材料的性能第2章 金属材料的晶体结构与结晶第3章 钢的热处理第4章 钢铁材料第5章 非金属材料与粉末冶金材料第6章 非金属材料,本篇内容绪 论,绪 论,一、工程材料及成形工艺的地位与作用,1.工程材料的发展和分类2.成形工艺的应用,绪 论一、工程材料及成形工艺的地位与作用1.工程材料的发展和,（1）工程材料的发展, 石器 青铜器 铁器 钢铁、 铝合金 复合材料、钛镁金属、纳米材料,1.工程材料的

2、发展和分类,（1）工程材料的发展 石器1.工程材料的发展和分类, 石器和陶瓷时代, 石器和陶瓷时代, 青铜器, 青铜器,青铜兵器,青铜兵器, 铁器时代, 铁器时代, 钢铁、 铝合金时代, 钢铁、 铝合金时代, 钢铁、 铝合金时代, 钢铁、 铝合金时代, 复合材料、钛镁金属、纳米材料时代,中国第一颗人造卫星长征火箭大家族中国第一颗原子弹爆炸中国第一,镁合金方向盘骨架,镁合金汽缸盖,镁合金汽车轮毂,镁合金方向盘骨架镁合金汽缸盖镁合金汽车轮毂, 高分子材料, 高分子材料,工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主要要求力学性能的结构的材料。,金属材料非金属材料复合材料,高分子材料 （塑料、橡胶、胶粘剂

3、等）陶瓷材料 （陶瓷、玻璃、玻璃陶瓷等）,黑色金属 （ 钢、铁）有色金属：除钢铁之外的其他金属及其合金。（铜及其合金、铝及其合金）,工程材料,金属基复合材料陶瓷基复合材料高分子复合材料,（2）工程材料的分类,工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主要要求力学性能的结构,常见的金属材料,常见的金属材料,2. 成形工艺的应用,重要环节：热处理,？,2. 成形工艺的应用重要环节：？,二、本课程的性质和学习目的,性质：金属材料是一门研究常用工程材料坯件及机器零件成形工艺原理的综合性技术基础学科。,学习目的： 为后续课程的学习打基础。培养选择材料、选择零件结构、选择加工方法的能力。,要求了解和掌握 ：1

4、.常用工程材料的性能特点；2.各种成形方法的原理、特点及适用范围；3.各种零件的结构工艺性。,二、本课程的性质和学习目的 性质：金属材料是一门研究常用工程,掌握金属材料的强度和塑性的概念；掌握金属材料的疲劳强度的概念；掌握金属材料冲击韧性的概念；掌握材料硬度的概念和三种硬度表示方法；了解材料性能的表示方法。,教学目的和要求,第1章 工程材料的性能,掌握金属材料的强度和塑性的概念；教学目的和要求第1章 工,一、强度、塑性；二、疲劳强度；三、冲击韧性；四、硬度,教学内容摘要,一、强度、塑性；教学内容摘要,利用强度、硬度和塑性等指标综合评价材料。,教学重点、难点,教学难点,强度、硬度、塑性和韧性的概

5、念。,教学重点,利用强度、硬度和塑性等指标综合评价材料。教学重点、难点教学难,金属材料的基本知识,1.金属材料的类型：,金属材料的基本知识 1.金属材料的类型：,具有金属光泽。具有较好的延展性，容易加工成型。易导电、传热，是热和电的良导体。,2. 金属材料的特点：,具有金属光泽。2. 金属材料的特点：,3. 金属材料性能,使用性能,力学性能 (强度、硬度、塑性、韧性等)物理性能（指熔点、导热性、导电性、磁性等）化学性能 (抗氧化性、抗腐蚀性等)其它性能 (耐磨性、热硬性、消振性等),工艺性能加工成形的性能,3. 金属材料性能使用性能力学性能 (强度、硬度、塑性、韧性,静载荷是指外力的大小和方向

6、不变或变化很缓慢的载荷；冲击载荷是指突然增加的载荷；疲劳载荷则是指大小和方向随时间作周期性变化的载荷。,根据载荷作用性质不同,静载荷,冲击载荷,疲劳载荷,是指材料在外加载荷作用下所表现出来的性能。,1.1 工程材料的力学性能,静载荷是指外力的大小和方向不变或变化很缓慢的载荷；根据载荷作,工件在不同载荷形式下产生的变形,工件在不同载荷形式下产生的变形,抗拉强度抗压强度抗弯强度抗剪强度,根据所加载荷形式的不同，强度表现为：,抗拉强度根据所加载荷形式的不同，强度表现为：,拉伸试验,（金属的抗拉强度和塑性都是通过拉伸试验测定）,GB/T228-2002,拉伸试验（金属的抗拉强度和塑性都是通过拉伸试验测

7、定）GB/T,拉伸试样 （低碳钢）,长试样：L0 =10d0,短试样：L0 =5d0,拉伸试样 （低碳钢）d0L0长试样：L0 =10d0 短,液压式万能电子材料试验机,拉伸试验机,液压式万能电子材料试验机 拉伸试验机,拉伸试验（应力应变）曲线,e 弹性极限点S 屈服点b 极限载荷点 （缩颈点）K 断裂点,e 弹性极限s 屈服点b 抗拉强度（强度极限）,: 单位面积上的拉力L:单位长度上的伸长量,拉伸试验（应力应变）曲线 e 弹性极限点e 弹,（1） 弹性变形阶段（oe段）（2） 塑性变形阶段（eb段、屈服阶段和强化阶段）（3） 断裂阶段（bk段）,拉伸过程变化的三个阶段,拉伸试样的颈缩现象,

8、（1） 弹性变形阶段（oe段）拉伸过程变化的三个阶段拉伸试样,弹性与塑性,弹性: 金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能回复其原来形状的性能，叫做弹性。弹性变形: 随着外力消失而消失的变形，叫做弹性变形。塑性变形: 在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形，叫做塑性变形。,弹性与塑性弹性: 金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后,脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）,脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。,s0.2bbe 低碳钢与铸,强度：用于表征金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力。,工程上常用的强度衡量指标,屈服点屈服强度抗拉强度,注意：一般多用抗拉强度作为判别金属强度

9、高低的指标。,1.1.1 强度,强度：用于表征金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力。,对具有明显屈服现象的材料用屈服点来表征材料对产生明显塑性变形的抗力。屈服点就是指材料产生屈服时的最小应力。如低碳钢。,对无明显屈服现象的金属材料常用其产生0.2%塑性应变所对应的应力值作为名义屈服点，称为名义(条件)屈服强度，用 0.2表示。如高碳钢、铜合金、铝合金等。,（MPa）,（MPa）,条件屈服强度:,1. 屈服点、屈服强度,屈服强度 是塑性材料选材和评定的依据。,屈服点:,对具有明显屈服现象的材料 对无明显屈服现象的金属材料F0.2,脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。,脆性材料在断裂前没有

10、明显的屈服现象。,2. 抗拉强度（强度极限）,是指试样在拉断前所承受的最大应力。即：,式中：,试样在拉断前所受到的最大载（N）；,试样原始横截面积（ ）。,抗拉强度,抗拉强度 是脆性材料选材的依据。,（MPa）,2. 抗拉强度（强度极限）是指试样在拉断前所承受的最大应力。,屈强比（ s / b ）： 0.60.85 屈强比高，材料利用率越高； 屈强比低，零件的可靠性越高 综合考虑材料利用率和安全性,注意： 塑性变形中: s b,屈强比（ s / b ）： 0.60.85注意：, s 、0.2、 b是机械零件和构件设计与选材的主要依据,工程设计中：塑性材料：选s 或0.2作为极限应力0： 工作应

11、力许用应力0/n 安全系数 n = 1.52脆性材料：常选b作为极限应力0： 工作应力许用应力0/n n 2,应 用, s 、0.2、 b是机械零件和构件设计与选材的主要,1. 1. 2 塑 性,塑性: 金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致引起破坏的性能。塑性的衡量（塑性指标）：伸长率 和断面收缩率 。 、越高，材料的塑性越好, 10% 属塑性材料,良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。,1. 1. 2 塑 性塑性: 金属材料在外力作用下，产生永,2. 伸长率（ ）是指试样拉断后的标距伸长量 L 1与原始标距 L 0之比。用 表示，即,1.断面收缩率（ ）是指试样拉断处横截面积A1的

12、收缩量与原始横截面积A0之比。用下式表示，即：,2. 伸长率（ ） 1.断面收缩率（ ）,1. 1. 3 硬 度,硬度的含义,布氏硬度洛氏硬度维氏硬度,是指材料抵抗其它更硬物体压入其表面的能力。即表示金属材料抵抗局部变形的能力。,硬度的表示方法,常用的表示方法,压入法划痕法回跳法,1. 1. 3 硬 度硬度的含义布氏硬度是指材料抵抗其,用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后，测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值。,1. 布氏硬度,（1）布氏硬度测量原理,布氏硬度计,用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持,淬火钢球 HBS （硬度值450的材料

13、）硬质合金钢球 HBW （硬度值450650的材料）,（2）压头：,（3）表示方法,例如：350HBS 、 600HBW一般，数字+布氏硬度符号或后面依次注明压头直径、实验力以及保存时间。单位为MPa（通常不标明）,淬火钢球 HBS （硬度值450的材料）（2）压头： （,布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。缺点：压痕大，不宜测量成品零件或薄件的硬度，以及比压头还硬的材料。,布氏硬度适用于：常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火钢材的硬度。调质处理钢、原材料，毛坯。 当HBS450 时有效（HBW450-650),（4）布氏硬度特点,布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。布氏硬度适用

14、于：常用于,用锥顶角为120的金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后卸除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值。实际测量时，硬度值一般有硬度计的刻度盘上直接读出。,(1)洛氏硬度测量原理,2 . 洛氏硬度,洛氏硬度计,用锥顶角为120的金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球,(2) 洛氏硬度的分类及应用,(2) 洛氏硬度的分类及应用,HRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不可直接比较大小,表示为：硬度值+三种不同的标尺代号。（无单位）例如：2085HRA 20100HRB 2070HRC,（3）洛氏硬度表示方法,HR = (k-h)

15、/ 0.002 不写单位,HRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不可直接比较大小表示为,（4）洛氏硬度特点：,优点：,缺点 ：,测量操作简单，方便快捷，压痕小；测量范围大，能测较薄工件。,测量精度较低，可比性差，不同标尺的硬度值不能比较。,是生产中应用最广泛的硬度试验方法。可用于成品检验和薄件表面硬度检验。不适于测量组织不均匀材料。,（5）洛氏硬度应用：,（4）洛氏硬度特点：优点：缺点 ：测量操作简单，方便快捷，压,布氏硬度与洛氏硬度的比较,洛式硬度压痕很小，测量值有局部性，须测数点求平均值，适用成品和薄片，归于无损检测一类；布式硬度压痕较大，测量值准，不适用成品和薄片，一般不归于无损检测一类

16、。洛式硬度的硬度值是一无名数，没有单位。（因此习惯称洛式硬度为多少度是不正确的。） 布式硬度的硬度值有单位，且和抗拉强度有一定的近似关系。洛式硬度直接在表盘上显示、也可以数字显示，操作方便，快捷直观，适用于大量生产中。布式硬度需要用显微镜测量压痕直径，然后查表或计算，操作较繁琐。 在一定条件下，HB与HRC可以查表互换。其心算公式可大概记为：1HRC1/10HB。,布氏硬度与洛氏硬度的比较洛式硬度压痕很小，测量值有局部性，须,3 .维氏硬度（HV）,维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕3 .维氏硬度（HV）,维氏硬度（HV）测试计,小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计维氏硬度（HV）测试计,用压头

17、为锥面夹角为136的金刚石四棱锥体。以一定的试验力将压头压入试样表面，保持规定时间卸载后，在试样表面留下一个四方锥形的压痕，测量压痕两对角线长度，以此计算出硬度值。（2）表示方法 维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。例如：580HV/30/20,（1）维氏硬度测量原理,用压头为锥面夹角为136的金刚石四棱锥体。以一定的试验力将,优点：适用范围广，从极软到极硬材料都可测量;测量精度高，可比性强；能测较薄工件。,缺点：测量操作较麻烦，测量效率低。,（4）应用：广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度检验。不适于大批生产和测量组织不均匀材料。,

18、（3）特点：维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。,优点：适用范围广，从极软到极硬材料都可测量;测量精度高，可比,1.1.4 冲击韧性,1. 冲击韧性,是指金属材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。,摆锤式一次冲击试验,小能量多次冲击试验,冲击韧性的测定方法,1.1.4 冲击韧性 1. 冲击韧性是指金属材料在冲击载荷,摆锤式一次冲击试验,摆锤式冲击实验机,摆锤式一次冲击试验摆锤式冲击实验机,试验原理,试样被冲断过程中吸收的能量即冲击吸收功（Ak ）等于摆锤冲击试样前后的势能差。,( J ),试验原理试样被冲断过程中吸收的能量即冲击吸收功（Ak ）(,冲击韧度ak,就是试样缺口处单位截面

19、积上所消耗的冲击吸收功。,(J/cm),标准冲击试样有两种，一种是形缺口试样，另一种是形缺口试样。它们的冲击韧度值分别以a KU和a KV。,材料的ak值愈大，韧性就愈好； 材料的ak值愈小，材料的脆性愈大。 通常把ak值小的材料称为脆性材料 研究表明，材料的ak值随试验温度的降低而降低。,冲击韧度ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸收功。a,2. 断裂韧性,低应力脆断 工程零（构）件有时在应力低于许用应力的情况下也会发生突然断裂，称为低应力脆断。 低应力脆断的原因 由于实际应用的材料中常常存在一些裂纹和本身缺陷，如夹杂物、气孔等或加工和使用过程中产生的缺陷，裂纹在应力的作用下失稳而扩

20、展，最终导致零（构）件断裂。,2. 断裂韧性 低应力脆断,1.1.5 疲劳强度, 疲劳破坏,零件、工具等即使在低于材料屈服强度的交变载荷作用下，经过一定的循环次数后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳断裂。表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。,1.1.5 疲劳强度 疲劳破坏 零件、工具等即, 疲劳破坏,材料在对称载荷下的应力变化规律。, 疲劳破坏材料在对称载荷下的应力变化规律。, 疲劳强度,材料交变应力和断裂前应力循环次数之间的关系。,有色金属的循环次数一般取 N = 108,钢材的循环次数一般取 N = 107,钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系: -1 = (0.450.

21、55) b,疲劳曲线, 疲劳强度材料交变应力和断裂前应力循环次数之间的关系。有色, 产生疲劳破坏的原因,材料有杂质、表面划伤等缺陷,应力集中,微裂纹,裂纹扩展,破 坏, 产生疲劳破坏的原因 材料有杂质、表面划伤等缺陷应力集中, 提高疲劳强度措施,材料方面 保证冶炼质量，减少夹杂物和热加工产生的气孔和疏松等缺陷。设计方面 尽量使零件避免尖角、缺口和截面突变，以避免应力集中及其所引起的疲劳裂纹。工艺方面 降低零件表面粗糙度，并避免表面划痕、碰伤，防止这些地方出现形成疲劳裂纹；采用表面强化方法，如化学热处理、表面淬火、喷丸处理和表面涂层等，降低材料表面形成裂纹的可能性。, 提高疲劳强度措施 材料方面

22、,1.2 工程材料的物理性能和化学性能,1.材料的物理性能：,比重、密度、熔点、导电性、导热性、磁性、热膨胀系数。,2.材料的化学性能：,耐酸性、耐碱性、抗氧化性。,1.2 工程材料的物理性能和化学性能1.材料的物理性能：比重,1.3 工程材料的工艺性能,材料的工艺性能：是指用不同的加工手段所表现出来的难以程度。,铸造性能（流动性、收缩、偏析等） 锻压性能 切削加工性 焊接性 热处理性能,1.3 工程材料的工艺性能材料的工艺性能：是指用不同的加工手,小 结：,1.强度、塑性的拉深实验测试；三种不同硬度的测试方法。,2.强度、塑性、韧性、硬度以及疲劳强度的含义、特点、表示方法、及衡量指标。,3.

23、力学性能的实际应用，提高疲劳强度的措施。,本单元了解了材料的类型和性能。重点学习了材料的力学性能的指标：强度、塑性、韧性、硬度以及疲劳强度。,小 结：1.强度、塑性的拉深实验测试；三种不同硬度的测试方法,研究的意义：,性能决定了材料的用途。性能决定了材料和零部件生产方法。性能的变化规律为改变材料性能达到人们需求提供途径。,材料性能总结,研究的意义：性能决定了材料的用途。材料性能总结,课后作业题,1.什么是金属材料力学的性能？它与什么因素有关？2.材料的性能包括哪两个方面？说明下列符号所表示的意义： e、 s、 0.2、 b、 -1 、 、ak、 HB、HRC、HV；3. 什么是强度？塑性？硬度？韧性？,课后作业题1.什么是金属材料力学的性能？它与什么因素有关？,谢谢大家！,谢谢大家！,