第一章 金属材料的力学性能

第一章金属材料的性能第一章金属材料的性能本章重点：材料的强度、硬度、塑性、韧性等力学性能的基本概念及应用。本章难点：低应力脆断和断裂韧度。学习目标：熟悉常用力学性能指标的测试方法，掌握材料力学性能的表示方法及其应用。引言：1、金属材料的性能使用性能：指材料在使用过程中所表现的性能，主要包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能：指在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能。包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。2、金属材料力学性能指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。第一节金属材料的力学性能一、拉伸试验及材料的强度与塑性左图为拉伸试验机下图为拉伸试验过程中试样的变形及断裂。一、材料的拉伸曲线1、oe段：直线、弹性变性2、es段：曲线、弹性变形+塑性变形3、ss’段：水平线（略有波动）明显的塑性变形屈服现象，用的力基本不变，试样连续伸长4、s’b曲线：弹性变形+均匀塑性变形5、b点：出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低，拉伸力达到最大值，试样即将断裂。一、强度的指标强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力。1、屈服点σs=Fs/S0符号：σs材料产生屈服现象时的最小应力Fs：试样屈服时所承受的拉伸力（N）S0：试样原始横截面积（mm）2、抗拉强度指试样拉断前所承受的最大拉应力。其物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力。σb=Fb/S0当材料的内应力σ＞σb时，材料将产生断裂。σb常用作脆性材料的选材和设计的依据。二、塑性指标塑性是材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。评定指标是断后伸长率和断面收缩率。1、断后伸长率指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。δ=(L1-L)/Lx100%L:标距（本实验L=100）L1:拉断后的试件标距。将断口密合在一起，用卡尺直接量出。2、断面收缩率指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。Ψ=(A0-A1)/A0x100%A0:试件原横截面积。A1:断裂后颈缩处的横截面积，用卡尺直接量出。δ2~5%属脆性材料，δ≈5~10%属韧性材料，δ10%属塑性材料其断口特征如图所示。三、硬度硬度是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力。1.布什硬度（HBW））（222dDDDFSFHBW表示方法：120HBW10/1000/30；后面的数字依次表示：（1）球体直径；（2）试验力；（3）试验力保持时间（10~15s不标注）。主要用于测定组织粗大且不均匀的金属材料的硬度，如铸钢、铸铁、供应态钢材等。硬度标尺：HRA、HRB、HRC。其中C标尺最常用。在批量的成品或半成品质量检验中广泛使用.2.洛氏硬度3.维氏硬度表示方法：如：640HV30/20测量精度高、范围广，但比较麻烦，主要用于研究工作。注：各硬度值之间大致有以下关系：布氏硬度值在200-600范围内，HBW≈10HRC；布氏硬度值小于450HBS，HBW≈HV四、冲击韧性材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。试样冲断时所消耗的冲击吸收功Ak为:Ak=mgH–mgh(J)冲击韧性值ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。AKak=(J/cm²)S0五、疲劳强度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。材料所受循环应力和其断裂前的应力循环次数的关系，即疲劳曲线如下图所示钢材的循环次数一般取N=107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有色金属的循环次数一般取N=108六、断裂韧性1、低应力脆断材料抵抗裂纹扩展断裂的能力叫断裂韧性。机械零件的传统强度设计为σ[σ]=σ0.2/n(n为安全系数),一般认为用此式设计的零件是安全的,不会产生塑性变形，更不会断裂。但是，有些高强钢制造的零件或大型焊接构件如桥梁、船舶等，有时会在工作应力远低于材料屈服强度甚至低于许用应力的条件下突然发生脆性断裂，这种工作应力远低于材料屈服强度的断裂叫低应力脆断。裂纹扩展的基本形式a)张开型b)滑开型c)撕开型2、断裂韧度应力场强度因子Ｋ1裂纹尖端产生应力集中形成应力场，衡量裂纹尖端附近应力场强弱程度的力学参量称为应力场强度因子，用KⅠ表示。其表达式为：aYK1式中：a为裂纹尺寸。断裂韧度KⅠC裂纹扩展时的临界应力场强度因子值称为材料的断裂韧度，用KⅠC表示，单位为MPa·m1/2。其为材料抵抗裂纹扩展断裂的能力大小的表现，为材料的固有属性，与材料的成分、组织、热处理以及加工工艺有关，与裂纹的大小、形状、外加应力等无关。3、断裂韧度的应用当KⅠ≥KⅠc时，裂纹就会扩展而导致低应力脆断。根据这个条件：（1)确定对材料所要求的断裂韧度K1c，作为选材的依据。（2)估算断裂时的临界裂纹长度ac,作为裂纹探伤的依据。（3)确定构件断裂时的临界应力σc。（4）判断构件的安全性。21）（YKaCcaYKCc1