3金属的力学性能

金属的力学性能一、相关概念1、力学性能：金属在外力作用下所表现出来的性能。2、载荷：金属材料在使用及加工中所受外力称为载荷。静载荷：大小不变或变化过程缓慢的载荷。冲击载荷：短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。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。3、变形：金属材料受到载荷作用而产生的几何形状和尺寸的变化。材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种可恢复的变形称为弹性变形。塑性变形：在外力的作用下产生变形，当施加的外力撤除或消失后该物体不能恢复原状的一种物理现象。4、应力金属受外力作用时，为保持其不变形，在材料内部作用着与外力相对抗的力，称为内力。单位面积上的内力叫应力。（单位：pa——N/m2）σ=F/SF——外力S——横截面积二、强度根据载荷作用方式不同：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度。以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。抗拉强度是通过拉伸试验测定的。1、拉伸试样d0是试样的直径，l0为标距长度。长试样l0=10d0短试样l0=5d0强度是金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力。2、力—伸长曲线纵坐标为F，单位N；横坐标表示伸长量△l，单位mm。图4-1低碳钢的拉伸曲线图⑴op—弹性变形阶段Fp为试样能恢复到原始形状和尺寸的最大拉伸力。⑵es—屈服阶段当载荷超过Fe再卸载时，试样的伸长只能部分地恢复，而保留一部分残余变形（塑性变形）。这种在载荷不增加或略有减小的情况下，试样还继续伸长的现象叫做屈服。Fs为屈服载荷。屈服后有明显的塑性变形。图4-1低碳钢的拉伸曲线图⑶sb—强化阶段此阶段试样的变形是均匀发生的。Fb为试样拉伸试验的最大载荷。⑷bk——缩颈阶段（局部塑性变形阶段）当载荷达到最大值Fb后，试样的直径发生局部收缩，称为缩颈。工程上金属材料，多数没有明显的屈服现象。铸铁不仅没有屈服现象，也没有缩颈。图4-1低碳钢的拉伸曲线图3、强度指标⑴屈服点在拉伸试验中，载荷不增加，试样仍能继续伸长时的应力称为屈服点(屈服强度）。σs=Fs/S0或σs—屈服点MPaFs—试样屈服载荷S0—试样原始横截面积屈服强度分为上屈服强度（ReH）和下屈服强度（ReL）。一般情况下，屈服强度指下屈服强度。ReL=0sFS对于无明显屈服现象的金属材料，可用规定残余伸长应力σ0.2表示σ0.2表示试样卸除载荷后，其标距部分地残余伸长率达到0.2%时的应力，也称为屈服强度。σ0.2=F0.2/S0σ0.2—规定残余伸长应力MPaF0.2—残余伸长率达到0.2%时的载荷S0—试样原始横截面积屈服点σs和规定残余伸长应力σ0.2都是衡量金属材料塑性变形抗力的指标。屈服点σs或规定残余伸长应力σ0.2是机械零件设计的主要依据，也是评定金属材料性能的重要指标。⑵抗拉强度试样拉断前所承受的最大拉应力。用σb（Rm）表示。σb（Rm）=Fb/S0σb—抗拉强度MPaFb—试样拉断前承受的最大载荷S0—试样原始横截面积零件在工作中所承受的应力，不允许超过抗拉强度，否则会断裂。σb也是机械零件设计和选材的重要依据。金属材料在静载荷作用下，产生永久变形而不破坏的能力称为塑性。三、塑性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。A或A11.3、δδ=(L1-L0)/L0x100%L1:拉断后的试件标距。L0:标距使用短拉伸试样测定的断后伸长率用符号A表示；使用长拉伸试样测定的断后伸长率用符号A11.3表示。同一种金属材料的断后伸长率A或A11.3数值是不相等的一般短拉伸试样的A值大于长拉伸试样的A11.3。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=(S0-S1)/S0x100%S0:试件原横截面积。S1:断裂后颈缩处的横截面积，δ、Ψ数值越大，材料的塑性越好。塑性好的金属，可通过塑性变形加工成复杂形状的零件。用符号Z或Ψ表示有一直径d0=10mm的低碳钢长试样，拉伸实验时测得FS=21kN，l1=138mm。该试样的伸长率等于。38%用一个原始标距长度为50mm的短试样做拉伸试验。拉断后试样标距长度为79mm。缩颈处的最小直径为4.9mm。已知试样的s=314MPa，b=530MPa。拉伸试验时，材料的伸长率为________，断面收缩率为_____________。何时出现屈服现象____________；何时出现缩颈现象__________。2464941605四、硬度指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。是衡量材料软硬程度的指标。1、布氏硬度原理:用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量材料表面压痕直径，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。图4-2布氏硬度试验原理图布氏硬度用符号HBW表示。150HBW10/1000/30布氏硬度标注：150HBW——布氏硬度值10——用压头直径为10mm的硬质合金球1000——在1000kgf试验力的作用下30——保持30s时测得的布氏硬度值保持时间为10～15s的时间不标。测量范围：主要用于测定原材料的硬度，如铸铁、非铁金属、经退火或正火处理的金属材料及其半成品。布氏硬度试验的特点：⑴压痕大⑵能较大范围反映平均硬度⑶测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）⑷可测的硬度值不高⑸对表面损伤较大，不宜测定太小或太薄的试样或成品⑹测量费时，效率低2、洛氏硬度原理:用锥角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.5875mm的球（钢球或硬质合金球）作为压头，加上定载荷（载荷先后两次施加），使压头压入试样表面，根据压痕深度确定其硬度值，可从表盘上直接读出。图4-3洛氏硬度试验原理图洛氏硬度用HR表示标尺压头初试验力/N主试验力适用测试材料有效值HRA120°的金刚石圆锥体98.07kg490.3kg硬质合金、表面淬火钢20～88HRB直径为1.5875mm的球98.07kg882.6kg退火钢、非铁金属20～100HRC120°的金刚石圆锥体98.07kg1373kg一般淬火钢件20～7050HRC——表示用“C”标尺测定的洛氏硬度为50。测量范围用于测量淬火钢、硬质合金等材料洛氏硬度试验特点：⑴迅速简便，压痕小⑵可测成品，薄件⑶数据不够准确，应测三点取平均值⑷尤其适合测定经过淬火处理的零件⑸不应测组织不均匀材料，如铸铁。⑹可直接读出数值，它是目前应用最广的硬度试验方法3、维氏硬度原理:将相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石压头以选定的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量压痕对角线的长度来查表得出维氏硬度值。。图4-4维氏硬度试验原理图维氏硬度用符号HV表示640HV30维氏硬度的标注方法：640HV——维氏硬度值是64030——表示用30kgf试验力保持10～15s时测得的维氏硬度值测量范围:可测较薄的材料，也可测表面渗碳、渗氮层地硬度。维氏硬度试验特点:⑴所加的载荷较小，压入深度浅⑵可测量较薄材料和表面硬化层的硬度值⑶维氏硬度值具有连续性，可测定从极软到极硬的各种金属材料的硬度⑷准确性高⑸测量对角线的长度较繁，生产率不如洛氏硬度高，不宜用于成批生产零件的检验。五、冲击韧性金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。常用一次摆锤冲击弯曲试验测定金属材料的韧性。冲断试样时，在试样横截面的单位面积所消耗的功称为冲击韧度。常用αk表示，单位为J/cm2。图4-5冲击弯曲试验所用试样及试验结果1-机架2-试样3-刻度盘4-指针5-摆锤αk值越低，表示材料冲击韧性越差，受到冲击时越容易断裂αk值越大，材料冲击韧性越好，受到冲击时越不容易断裂。六、疲劳强度金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。一般情况下，钢铁材料（黑色金属）用107次，对非铁金属（有色金属和不锈钢）用108周次所能承受的最大应力不断裂表示疲劳强度，对称循环强度用σ-1表示。提高零件的疲劳极限的方法：改善零件的结构形状、降低零件表面粗糙度及各种表面强化的方法。疲劳断裂与静载荷断裂不同，不论是塑性材料还是脆性材料，疲劳断裂都是突然发生的，会造成很严重事故，具有很大的危险性。常用金属材料的力学性能指标力学性能性能指标符号名称单位强度σb抗拉强度MPa（N/mm2）σs屈服点塑性δ断后伸长率%ψ断面收缩率硬度HB布氏硬度HR洛氏硬度HC维氏硬度韧性αk冲击韧性J/cm2疲劳强度σ-1对称循环强度MPa