金属材料的力学性能

第一章金属材料的力学性能第一节强度与塑性第二节硬度第三节冲击韧度第四节疲劳第五节断裂韧度一、拉伸试验在万能材料实验机上做拉伸实验第一节强度与塑性国标GB/T228—2002标准拉伸试样1、拉伸试样2、力一伸长曲线低碳钢力-伸长曲线二、强度金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力称为强度。按外力作用的性质不同，分为：屈服强度s、抗拉强度b、抗压强度bc、抗剪强度τb等。1、屈服点与屈服强度金属材料开始产生屈服现象时的最低应力值称为屈服点，用符号σs表示。σs=Fs/Ao式中Fs—试样发生屈服时的载荷（N）;Ao—试样的原始横截面积（mm2）。工业上使用的某些金属材料，如高碳钢、铸铁等，在拉伸过程中，没有明显的屈服现象，无法确定其屈服点σs，按GB/T2228规定，可用屈服强度σ0.2来表示该材料开始产生塑性变形时的最低应力值。屈服强度为试样标距部分产生0.2%残余伸长时的应力值，即σ0.2=F0.2/Ao式中F0.2—试样标距产生的0.2%残余伸长时载荷（N）；Ao—试样的原始横截面积（mm2）。屈服强度的测定2、抗拉强度金属材料在断裂前所能承受的最大应力值称为抗拉强度，用符号σb表示。σb=Fb/Ao式中Fb—试样在断裂前所承受的载荷（N）；Ao—试样原始横截面积（mm2）。三、塑性金属材料的载荷作用下，断裂前材料发生不可逆久变形的能力称为塑性。通过拉伸试验可测定材料的塑性。常用的塑性指标有断后伸长率和断面收缩率ψ。=(L1-L0)/L0ψ=(F0-F1)/F0第二节硬度硬度是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。可用硬度试验机测定，常用的硬度指标有布氏硬度HBW、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度HV。一、布氏硬度布氏硬度试验示意图1、布氏硬度试验原理)d-D-D(DP(N)2102.0HB22式中P—试验力（N）；d—压痕平均直径（mm）；D—硬质合金球直径（mm）2、选择试验规范根据被测金属材料的种类和试样厚度、选用不同大小的球体直径D，施加的试验力F和试验力保持时间，按表1—1所列的布氏硬变试验规范正确选择。材料布氏硬度0.102F/D2备注钢及铸铁〈140≥1401030F单位：ND单位：mm铜及其合金〈3535～200〉13051030轻金属及其合金〈3535～80〉80251010铅、锡1布氏硬度试验规范3、试验的优缺点优点：试验时使用的压头直径较大，在试样表面上留下压痕也较大，所得值也较准确。缺点：对金属表面的损伤较大，不易测试太薄工件的硬度，也不适于测定成品件硬度。应用：布氏硬度试验常用来测定原材料、半成品和性能不均匀材料（如铸铁）的硬度。二、洛氏硬度1、洛氏硬度测量原理洛氏硬度HR=K-h/s式中，K为给定标尺的硬度数，S为给定标尺的单位，通常以0.002为一个硬度单位。洛氏硬度试验原理图2、常用洛氏硬度标尺及适用范围标尺硬度符号所用压头总试验力F/N适用范围①HR应用范围AHRA金刚石圆锥588.420—88碳化物、硬质合金、淬火工具钢、浅层表面硬化钢BHRBφ1.588mm钢球980.720—100软钢、铜合金、铝合金、可锻铸铁CHRC金刚石圆锥147120--70淬火钢、调质钢、深层表面硬化钢3、试验优缺点优点：操作简单迅速，效率高，直接从指示器上读出硬度值；压痕小，故可直接测量成品或较薄工件的硬度；对于HRA和HRC采用金刚石压头，可测量高硬度薄层和深层的材料。缺点：由于压痕小，测得的数值不够准确，通常要在试样不同部位测定四次以上，取其平均值为该材料的硬度值三、维氏硬度1、试验原理维氏硬度值用四棱锥压痕单位面积上所承受的平均压力表示，符号HV。HV=0.102×2F×Sin1360/2/d2=0.189F/d2式中F—作用在压头上试验力（N）；d—压痕两对角线长度的平均值（mm）。维氏硬度试验原理示意图2、常用试验力及其适用范围维氏硬度试验所用试验力视其试样大小、薄厚及其他条件，可在49.03—980.7N的范围内选择试验力。常用的试验力有49.03N、98.07N、196.1N、294.2N、490.3N、980.7N。维氏硬度试验适用范围宽，尤其适用测定金属镀层、薄片金属及化学热处理的表面层（渗碳层、渗氮层等）硬度，其结果精确可靠。3、试验优缺点优点：与布氏、洛氏硬度试验比较，维氏硬度试验不存在试验力与压头直径有一定比例关系的约束；也不存在压头变形问题，压痕轮廓清晰，采用对角线长度计量，精确可靠，硬度值误差较小。缺点：其硬度值需要先测量对角线长度，然后经计算或查表确定，故效率不如洛氏硬度试验高。第三节、冲击韧度一、冲击试验方法与原理一次冲击弯曲试验通常在摆锤式冲击试验机上进行。冲击试样冲击试样有夏比V型缺口试样和夏比U型缺口试样两种:试验时，将试样放在试验机两支座上，。把质量为m的摆锤抬到高H，使摆锤具有位能为mHg。摆锤落下冲断试样后升至h高度,具有位能为mhg，故摆锤冲断试样推动的位能为mHg—mhg，这就是试样变形和断裂所消耗的功称为冲击吸收功AK，即AK=mg(H-h)用试样的断口处截面积SN（cm2）去除AK（J）即得到冲击韧度，用Ak表示，单位为J/cm2.aK=AK/SN冲击韧度的测试二、冲击试验的实际意义1、韧脆转变温度材料在低于某温度时，AK值急剧下降，使试样的断口由韧性断口过渡为脆性断口。因此，这个温度范围称为韧脆转变温度范围。韧脆转变温度的高低是金属材料质量指标之一，韧脆转变温度愈低，材料的低温冲击性能就愈好，对于在寒冷地区和低温下工作的机械和工程结构。如运输机械、桥梁、输送管道尤为重要。韧脆转变温度示意图2、衡量原材料的冶金质量和热加工产品质量冲击吸收功对原材料内部结构、缺陷等具有较大敏感性，很容易揭示出材料中某些物理现象，如晶粒粗化、冷脆、回火脆性及夹渣、气泡、偏析等。目前常用冲击试验来检验冶炼、热处理及各种热加工工艺和产品的质量。第四节、疲劳一、疲劳概念虽然零件所承受的交变应力数值小于材料的屈服强度，但在长时间运转后也会发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。对称循环交变应力据统计，机械零件断裂中有80%是由于疲劳引起。二、疲劳曲线与疲劳极限试验证明，金属材料所受最大交变应力σmax愈大，则断裂前所受的循环周次N（定义为疲劳寿命）愈少，这种交变应力σmax与疲劳寿命N的关系曲线称疲劳曲线或S—N曲线工程上规定，材料经受相当循环周次不发生断裂的最大应力称为疲劳极限，以符号σ-1表示。疲劳曲线-1Nn21N1N2NnNc钢铁材料：107次非铁合金：108次部分工程材料的疲劳极限σ-1（MPa）三、提高材料疲劳极限的途径1、设计方面尽量使用零件避免交角、缺口和截面突变，以避免应力集中及其所引起的疲劳裂纹。2、材料方面通常应使晶粒细化，减少材料内部存在的夹杂物和由于热加工不当引起的缺陷。如疏松、气孔和表面氧化等。3、机械加工方面要降低零件表面粗糙度值。4、零件表面强化方面可采用化学热处理、表面淬火、喷丸处理和表面涂层等，使零件表面造成压应力，以抵消或降低表面拉应力引起疲劳裂纹的可能性。第五节断裂韧度金属材料抵抗裂纹扩展的能力指标就称为断裂韧度。一、裂纹扩展的基本形式根据外加应力的类型及其与裂纹扩展面的取向关系，裂纹扩展的基本方式有三种：（a）张开型（b）滑开型（c）撕开型二、应力场强度因子对于如右图所示情况，KI可表示为：KI=Yσa1/2式中：Y__裂纹的几何形状因子;σ__外加应力（N/mm2）；a__裂纹的半长（mm）；KI__强度因子（MPa·m1/2或MN·m-3/2）它综合反映了外加应力和裂纹位置、长度对裂纹尖端应力场强度的影响，故称之为应立场强度因子。具有张开型裂纹的试样三、断裂韧度KI及其应用由公式K1=Yσ可知，如果Y为定值，则K1随σ，a值增加而增大，当K1达到了他的临界值K1C，K1C称为临界强度因子，他取决于材料抵抗裂纹扩展的能力，因而也称为材料断裂韧度。不同材料，其K1C值不同，当零件的内裂纹尖端的应力强度因子K1超过所用材料的断裂韧度K1C时，零件就发生脆性断裂。材料的断裂韧度K1C值，可用于高强度钢、超高强度钢或大尺寸零件设计计算。（1）当已探测零件中的裂纹形状和尺寸，可根据材料的K1C值计算判定零件工作是否安全。（2）根据材料内部宏观裂纹尺寸a，计算零件不产生脆断所能承受的最大应力σc。（3）根据材料所承受载荷的大小，计算不产生脆断所允许的内部宏观裂纹的临界尺寸a。