第六章金属材料的力学性能

《工程材料与热加工基础》第一章金属的力学性能机械工程系金工教研室第一章金属的力学性能•教学目标:•１．了解材料的主要力学性能指标：屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性等力学性能及其测试原理；•２．强调各种力学性能指标的生产实际意义；•３．了解工程材料的物理性能、化学性能及工艺性能。金属的力学性能定义:金属材料的力学性能是指金属材料在不同环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。指标:弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧性、断裂韧度和疲劳强度等。材料的其他性能•物理性能：密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等；•化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等；•工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性、热处理工艺性等。第一节强度和塑性•一、拉伸实验与拉伸曲线1.拉伸试样GB6397-86规定《金属拉伸试样》有：圆形、矩形、异型及全截面．常用标准圆截面试样。长试样：L0=10d0;短试样：L0=5d0拉伸试样第一节强度和塑性•2.拉伸过程拉伸试样的颈缩现象拉伸试验机•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（s段）：屈服阶段；•sb段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。•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。•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。ΔlFΔlbΔluΔlFbbkFssogfeFepFp3.拉伸曲线4.应力与应变曲线•(1)应力σ：单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积S0表示:•F载荷(N)•σ=——(Mpa)•S0原始横截面积(mm2)•(2)应变ε：单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原始标距表示:•Δl伸长量(mm)•ε=——•l0原始长度(mm)•(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退火低碳钢低、中回火钢淬火钢及铸铁中碳调质钢•5.不同材料的拉伸曲线二、强度和刚度0SF2.刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。弹性模量：弹性下应力与应变的比值,表示材料抵抗弹性变形的能力。即：E=σ/ε材料的E越大，刚度越大；E对组织不敏感；零件的刚度主要决定于E，也与形状、截面等有关。E=σ/ε1.弹性:金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。弹性变形:随载荷撤除而消失的变形。3.弹性极限:Fe弹性极限载荷(N)σe=(Mpa)S0试样原始横截面积(mm2)σee4.强度:材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。种类:抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。(1)屈服点与屈服强度:产生明显塑性变形的最低应力值.Fsσs=(MPa)S0试样屈服时的载荷(N)试样原始横截面积(mm2)σs屈服强度(塑性变形量为0.2%，微量塑性变形)F0.2σ0.2=(MPa)S0试样原始横截面(mm2)试样产生0.2%残余塑性变形时的载荷(N)σ0.2：试样产生残余塑性变形0.2%时的应力试样产生0.2%残余塑性变形屈服点σs、屈服强度σ0.2是零件设计的主要依据；也是评定金属强度的重要指标之一。(2)抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力。•它表示材料抵抗断裂的能力。•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。Fb试样断裂前的最大载荷(N)σb=(MPa)S0试样原始横截面积(mm2)σbσsσe三、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。•(1)断面收缩率:是指试样拉断处横截面积的收缩量ΔS与原始横截面积S0之比。•(2)伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量ΔL与原始标距L0之比。S0-S1ψ=——-—×100%S0l1-l0δ=——-—×100%l0δ2~5%属脆性材科δ≈5~10%属韧性材料δ10%属塑性材料•思考:同一材料δ5＞δ10？•Δl=Δlu＋Δｌb•δ=Δl/l0=Δlu/l0+Δlb/l0δδuδbσbσsσeεσEδ塑性指标不直接用于计算，但任何零件都需要一定塑性。防止过载断裂；塑性变形可以缓解应力集中、削减应力峰值。练习题一•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]x100%=42%•S0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2)•S1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2)•Ψ=[(S0-S1)/S0]x100%=24%练习题二•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＝(19x1000)/(3.14x52)=242＞230MPa•бb＝Fb／s０＝(34.5x1000)/(3.14x52)=439.5＞410MPa•δ5＝[Δl／l0]x100%＝[(63.1-50)/50]x100%=26.2%＞23%•ψ＝[ΔS／S0]x100%＝60.31%＞50%•材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格。第二节硬度布氏硬度HB洛氏硬度HR维氏硬度HV锉刀法•五.硬度(hardness):是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力•常用测量硬度的方法(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度计(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)适用范围:＜450HBS;＜650HBW;(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)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（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。(2)洛氏硬度HR(Rockwllhardness)h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计10HRC≈HBS(3)维氏硬度HV(diamondpenetratorhardness)适用范围:测量薄板类;HV≈HBS;(5)锉刀法:一组硬度差为5HRC的锉刀。例如:10HRC、15HRC、20HRC等。六.冲击韧性(notchtoughness):材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图试样冲断时所消耗的冲击功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)S0七.疲劳强度(fatiguestrength):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。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钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:σ-1=(0.45～0.55)σb1943年美国T-2油轮发生断裂八.比强度(specificstrength):材料的强度值与密度值之比。名称密度(g/cm3)强度(Mpa)比强度纯铝2.780～10030～37纯铁7.87180～28023～36纯钛4.5405～50090～111作业•１．熟悉拉伸曲线•２．掌握强度及塑性指标，了解这些指标在工程上的应用．•３．课后习题P21－１、４