机械工程材料(第2章)

第二章材料的性能与力学行为•2.1材料的静态力学性能•2.1.1材料的强度与塑性•2.1.2材料的硬度•2.2材料的动态力学性能•2.2.1材料的冲击韧度•2.2.2材料的多冲抗力•2.2.3材料的疲劳强度•2.2.4材料的断裂韧度•2.3材料的物理化学性能•2.3.1材料的物理性能•2.3.2材料的化学性能•2.4材料的工艺性能•2.5金属的塑性变形及强化材料的性能材料的性能一般分为使用性能和工艺性能。使用性能：①力学：静态---强度、硬度、塑性、耐磨性动态---冲击韧度、疲劳特性等②物理：密度、熔点、导热性、热断裂性、电、磁、光性③化学：耐腐蚀、抗氧化性④工艺性能：铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性材料的力学性能材料的力学性能是指材料在外力或能量以及环境因素（温度、介质等）作用下表现出的变形和破裂的特性。通常把外力或能量称为载荷或负荷。1、强度4、冲击韧性3、硬度2、塑性弹性极限(σe)比例极限(σp)屈服强度σs抗拉强度σb名义(条件)屈服强度σ0.2弹性5、断裂韧度6、疲劳特性7、耐磨性2.1材料的静态力学性能•力学载荷、热载荷、环境载荷、多种载荷的叠加•根据载荷性质可分为静载荷和动载荷。•静载荷：逐渐而缓慢地作用在工件上的力，一般作用在机械零件上的静载荷有：拉伸、压缩、剪切、扭转、弯曲等多种形式，并导致各种形式的变形。•材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。•外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。•外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。•材料的静态力学性能是指材料在静载荷作用下，抵抗变形或断裂的能力。•主要强度指标有：强度、塑性、硬度等2.1.1材料的强度与塑性•强度指标：反映材料对塑性变形和断裂抗力的指标。•加载方式不同，指标不同：抗拉强度，抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。•塑性指标：反映材料塑性变形能力的指标。（一）拉伸试验及曲线：拉伸试验是测定材料力学性能最常用的方法。沿试样轴向缓慢施加载荷，使其发生拉伸变形直至断裂。长试样：L0=10d0短试样：L0=5d01.拉伸试样（GB6397-86）拉伸试验机拉伸试样的颈缩现象绘制出载荷P与试样伸长量△L之间的关系曲线，并可测定应力（σ）与应变（ε）关系：εσ(1)应力σ：单位面积上试样承受的载荷。用试样承受的载荷(N)除以试样的原始横截面积S0(mm2)表示:σ=F/S0(MPa)(2)应变ε：单位长度的伸长量。用试样的伸长量Δl(mm)除以试样的原始标距l0(mm)表示:ε=Δl/l0(3)应力-应变曲线(σ-ε曲线):形状和拉伸曲线相同，单位不同σbσsσeεσ低碳钢(20钢)拉伸的应力-应变曲线(σ-ε曲线)op段：比例弹性变形阶段；pe段：非比例弹性变形阶段；平台或锯齿（es段）：屈服阶段；sb段：均匀塑性变形阶段，强化阶段。b点：形成了“缩颈”。bk段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点断裂。ΔlFFbbkFssogΔlbΔluΔlfeFepFp断裂总伸长为Of，其中塑形变形Og(试样断后测得的伸长)，弹性伸长gf。•研究表明,低碳钢在外加载荷作用下的变形过程,一般分为三个阶段：①弹性变形②塑性变形③断裂。指材料在外力作用下产生变形,外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去除后不能恢复的残余变形量称为塑性变形。五万吨水压机（1）弹性与刚度弹性：指材料在外力作用下不发生永久变形的能力。比例极限(σp):指A’处应力与应变之比。（Mpa)弹性极限(σe):指材料在外力作用下不产生永久变形的最大应力。（Mpa)弹性模量E(杨氏模量):指材料在弹性范围内,其应力与应变的比值。标志材料抵抗弹性变形的能力,用以表示材料的刚度指标.E值的大小,主要取决于材料的本性,反映了材料内部原子结合键的强弱。E值愈大,即刚度愈大,材料愈不容易产生弹性变形.E铁=196000,E塑料=200~4000影响因素：温度。随温度升高而逐渐降低,而一些处理方法(如热处理、冷加工、微合金化等)对它的影响很小。材料的刚度不等于机件的刚度机件的刚度与结构因素有关,如横截面积、截面形状.滞弹性与弹性滞后的概念•铍青铜有极高的弹性极限和低弹性模量）（MPatgE(2)强度:指材料在外力作用下抵抗塑性变形和破断的能力。①屈服强度σs：试样屈服时的最小应力,即B点对应的应力值，或称为屈服极限。所谓屈服是指应力不增加而应变却继续增加的现象。名义(条件)屈服强度σ0.2：当试样产生的残余塑性变形量为标距长度的0.2%时所对应的应力值。屈服强度是工程设计与选材的重要依据之一。如湘江三大桥的紧固螺栓各种机械零部件的设计，特别是结构零件②抗拉强度σb：材料在拉伸条件下,破裂前所受的最大应力。或称为强度极限,它表示材料抵抗断裂的能力。抗拉强度σb是零件设计的重要依据；也是评定金属强度的重要指标之一。对于那些变形要求不高的机件，无须靠σs来控制产品的变形量，常将σb作为设计与选材的依据。σ0.2:试样产生0.2%残余塑性变形时的应力应用：σs和σ0.2常作为零件选材和设计的依据。屈强比，越大，越能发挥材料潜力，减少自重。σ0.2σεε0.20.2%L0试样有长短两种：标注方法。长试样l=10d,其伸长率写为δ10;短试样l=5d,其伸长率写为δ5对于不同材料，δ值δ5值不能比较。（3）塑性：是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。也即材料断裂前发生永久变形的能力。塑性大小用拉伸断裂后伸长率δ与断面收缩率ψ表示。%100s%100001001sslll断后伸长率断面收缩率δ值ψ值越大,材料的塑性越好。Ψ值表示塑性更接近材料真实应变。材料应具有一定的塑性才能进行各种变形加工。(4)不同材料的拉伸曲线退火低碳钢低、中回火钢淬火钢及铸铁中碳调质钢不同材料的应力应变曲线（a）铜OσεOσε（c）天然橡胶Oσε（b）铸铁压缩拉伸Oσε（d）塑料14321-强而韧，尼龙，聚氯乙烯2-硬而脆，有机玻璃3-硬而强，纤维增强热固性塑料4-软而韧，伸长率大，有增塑剂的聚氯乙烯。练习题一•1.拉力试样的原标距长度为50mm，直径为10mm，经拉力试验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为71mm，颈缩区的最小直径为4.9mm，试求该材料的伸长率和断面收缩率的值？•解：•δ５=[（71-50）/50]×100%=42%•S0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2)•S1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2)•Ψ=[(S0-S1)/S0]×100%=24%•2.某工厂买回一批材料,要求:бs≥230MPa；бb≥410MPa；δ5≥23%；ψ≥50%．做短试样（ｌ0=5ｄ0；ｄ0=10mm）拉伸试验，结果如下：Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;问买回的材料合格吗？•解：根据试验结果计算如下：бs＝Fs／s０＝(19×1000)/(3.14×52)=242＞230MPaбb＝Fb／s０＝(34.5×1000)/(3.14×52)=439.5＞410MPaδ5＝[Δl／l0]×100%＝[(63.1-50)/50]×100%=26.2%＞23%ψ＝[ΔS／S0]×100%＝60.31%＞50%•材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格。2.1.2硬度：是衡量材料软硬程度的指标，反映材料表面抵抗微区塑性变形的能力•硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的,材料的强度越高,塑性变形抗力越高,硬度值也就越高。硬度分为：•①压入硬度。主要用于金属材料，测定方法是用一定的载荷将规定的压头压入被测材料，以材料表面局部塑性变形的大小比较被测材料的软硬。由于压头、载荷以及载荷持续时间的不同，压入硬度有多种，主要有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等几种。硬度值表示材料表面抵抗另一物体压入时所引起的塑性变形的能力。•②回跳硬度。主要用于金属材料，测定方法是使一特制的小锤从一定高度自由下落冲击被测材料的试样，通过测定小锤的回跳高度(试样在冲击过程中储存继而释放应变能的多少)确定材料的硬度。主要有肖氏硬度、里氏硬度,硬度值代表金属弹性变形功能的大小。•③划痕硬度。主要用于比较不同矿物的软硬程度，方法是选一根一端硬一端软的棒，将被测材料沿棒划过，根据出现划痕的位置确定被测材料的软硬。定性地说，硬物体划出的划痕长，软物体划出的划痕短。•刻划法测量硬度，硬度值表示金属抵抗表面局部破裂的能力。•早在1822年，FriedrichMohs提出摩氏硬度计。按照他们的软硬程度分为十级：1）滑石2）石膏3）方解石4）萤石5）磷灰石6）正长石7）石英8）黄玉9）刚玉10）金刚石•简单记忆方法：滑石方、萤磷长、石英、黄玉、刚、金刚。•各级之间硬度的差异不是均等的，等级之间只表示硬度的相对大小。•（1）布氏硬度•（2）洛氏硬度•（3）维氏硬度•（4）肖氏硬度(HS)•（5）莫氏硬度2.应用3.优缺点4.实验（录像）1.原理1.布氏硬度（HB）：由瑞典工程师J.B.Brinell于1900年提出。一般省略单位，HBS一般简写为HB,适宜测量较软的金属，不宜测试成品a、选用淬火钢球时，HBS＜450150HBS10/1000/30b、选用硬质合金球时,HBW(450~650)500HBW5/750国标规定:球体直径D有五种,而P/D2有七种)22(2dDDDPAPHB凹（N/mm2)适用范围:＜450HBS;＜650HBW;1.原理压痕大，测量准确，但不能测量成品件。布氏硬度计符号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、载荷及载荷保持时间.如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf约9.807kN载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。•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。适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。•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对于铸铁：b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈0.6(HB-40)HB钢黄铜球墨铸铁2.洛氏硬度（HRC）：•该测试方法是由美国的两个洛克威尔（S.P.Rockwell)和（H.M.Rockwell)1911年提出。以压痕的深度h来计算硬度值。HRC∝1/hHR=k-(h1-h0)/0.002h1-h0•洛氏硬度计洛氏硬度测试示意图洛氏硬度压头总载荷（kgf)测量范围应用HRA120°金刚石圆锥体6070HRA高硬度材料硬质合金\零件表面硬化层(表淬层和渗碳层)等HRBØ1.588钢球10025~100HRB低硬度材料铜合金等有色金属和退火、正火钢等软钢HRC120°金刚石圆锥体15020~67HRC中等硬度材料调质钢、淬火钢等零件洛氏硬度与布氏硬度的换算关系：HRC≈0.1HB应用范围:根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。适宜测量较硬的金属（成品）常用洛氏硬度标度的试验范围•优点：操作简便、迅速，效率高，压痕小，可直接测量成品件及高硬度的材料。适用范围广。•缺点：压痕小,测量结果分散度大,测量不准确,需多次测量。钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕试验返回上一页下一页回主页加初载荷加主载荷卸除主载荷读硬度值采用一相对面为136°的金刚石正四棱锥体压头，在规定载荷P作用下压入被测材料表面，保持一定时间后卸除载荷，然后再再测量压痕投影的两对角线的平均长度d，如图1-10所示，并计算出压痕的面积S，最后求出压痕表面积上平均压（P/S），以此作为被测金属的维氏硬度值（HV）：2028544.168sin2dPdPSPHV适用于各种软硬金属，尤其是表面硬化层，如化学热处理渗层、电镀层等，此法压痕清晰、测试精度高（3）维氏硬度：由英国史密斯（R.LSmith)和桑德兰德（G.E.Sandland）于1925年提出的。维氏硬度试验原理维氏硬度计