第一节-金属材料的力学性能.

•应用于各种工程领域中的材料，如在机械工业中，建筑及桥梁中，等等，——统称为工程材料。•其中用来制造各种机电产品的材料，——称为机械工程材料，主要包括：1）金属材料：钢，铸铁，铜及铜合金，等等。2）非金属材料：塑料，橡胶，工业陶瓷，等等。3）复合材料：由两种或两种以上性质不同的材料复合而成的多相材料。•金属材料是制造机器的最主要材料。1、金属材料按含金属元素数量的多少分为：1）纯金属(一种金属).2）合金（以一种金属为基+其他金属或非金属）第一章金属材料及热处理基础知识2、金属材料按是否含Fe元素分为：1）黑色金属：铁族材料，指Fe及以Fe为基的合金。①钢：碳钢，合金钢，特殊性能钢等。②铸铁：灰铸铁，球墨铸铁，可锻铸铁，蠕墨铸铁等。2）有色金属：非铁族材料，指黑色金属以外的所有金属及合金。①铜及铜合金。②铝及铝合金，等等。3）粉末金材料•在机械制造中应用的金属以黑色金属为主，占90%以上。那么，为什么金属材料或者黑色金属材料是用来制造机器的最主要材料？这是因为：其具有优良的机械性能（力学性能）、工艺性能，并具较好的物理性能及化学稳定性。那么，什么是金属材料的机械性能（力学性能）？什么是金属材料的工艺性能？什么是金属材料的物理性能及化学性能？第1节金属材料的力学性能力学性能：材料在外力（静载荷、动载荷、交变载荷）作用下，所表现出的性能。包括强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等,是选择、使用金属材料的重要依据。一、静载时材料的力学性能（一）静载拉伸试验1.拉伸试样（GB6397-86）长试样：L0=10d0,短试样：L0=5d0拉伸过程2.拉伸过程：1）op/pe段：直线(弹性变性)2）es段：曲线(弹性变形+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。3）ss’段：水平线（略有波动），塑性变形,作用的力基本不变，试样连续伸长。4）s’b曲线：弹性变形+塑性变形拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线：弹性变形阶段塑性变形阶段颈缩现象至断裂拉伸试样的颈缩现象低碳钢拉伸过程变化的三个阶段：ΔLF0另，脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。（二）弹性与塑性•弹性金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能回复其原来形状的性能，叫做弹性。•弹性变形随着外力消失而消失的变形，叫做弹性变形。•塑性金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致引起破坏的性能叫做塑性。•塑性变形在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形，叫做塑性变形。（1）弹性变形：材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来形状，这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形。FFF（2）塑性变形:材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形，称为塑性变形。FFF很显然，金属材料具有不同的弹性和塑性，那么，金属材料的弹性和塑性如何衡量？1、弹性的衡量：弹性模量E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其原来形状的性能，也就是，力和变形同时存在、同时消失。应力σ:单位面积上的拉力4P/πd2应变ε:单位长度上的伸长量ΔL/L0σe——弹性极限刚性:金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力。1）伸长率（δ）l1-l0l0×100%δ=l1——试样拉断后的标距,mm;l0——试样的原始标距,mm。2、塑性的衡量（塑性指标）：伸长率δ和断面收缩率Ψ2）断面收缩率（Ψ）S0-S1S0Ψ=×100%S0——试样原始横截面积,mm2；S1——颈缩处的横截面积,mm2。δ、ψ越大，材料塑性越好。(三)强度•金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力——强度。按作用力性质不同，可分为屈服强度（屈服点）及抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。在工程上常用来表示金属材料强度的指标有屈服强度和抗拉强度。•分类•拉力——屈服强度、抗拉强度•压力——抗压强度•弯曲力——抗弯强度•剪切力——抗剪强度作用在机件上的外力——载荷FFF=F’（MPa）外力——内力——应力（单位截面上的内力）F’Fσ=F’/SSFSF'材料受力低碳钢拉伸时的应力—应变曲线应力σ:单位面积上的拉力4P/πd2应变ε:单位长度上的伸长量ΔL/L01.屈服强度（屈服极限、屈服点）：当载荷增达到s点时，拉伸曲线出现了平台，即试样所承受的载荷几乎不变，但塑性变形不断增加，这种现象称为屈服。屈服点是指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力。用σs表示。计算公式:σs=FsS0应用：制作机械零件和工程构件时的选材和设计的依据。条件屈服强度σ0.2有些材料在拉伸图中没有明显的水平阶段。为了衡量这些材料的屈服特性,规定产生永久残余变形等于一定值(一般为原长度的0.2%)时的应力,称为条件屈服强度或简称屈服强度σ0.2。脆性材料拉伸试验的屈服点：试样卸除载荷后，其标距部分的残余伸长率达到试样标距长度的0.2%时的应力，用符号σ0.2表示。FsS0σs=应用：σs和σ0.2常作为零件选材和设计的依据。脆性材料的屈服点ΔLF0F0.20.2%L0F0.2S0σ0.2=计算公式:σb=FbS0应用：制作机械零件和工程构件时的选材和设计的依据。计算公式:2.抗拉强度（强度极限）:材料承受最大载荷时的应力。用σb表示。屈服强度和抗拉强度在机械设计和选择、评定金属材料时有重要意义，材料不能在超过其σs的条件下工作，否则会引起机件的塑性变形；更不能超过其σb的条件下工作，否则会导致机件的破坏。(四)、硬度:材料抵抗更硬的物体压入其内的能力,是材料性能的一个综合物理量。表示材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的能力。金属材料的硬度可用硬度仪来测试，常用的硬指标有布氏硬度、洛氏硬度等。1.布氏硬度HB用直径D的淬火钢球或硬质合金球,在一定压力P下,将钢球垂直地压入金属表面,并保持压力到规定的时间后卸荷,测压痕直径d.HB=F/S(N/mm2)单位一般不写S-压痕面积.布氏硬度试验原理图布氏硬度计计算公式：2NHBmm压入载荷（）压痕的表面积（）2220.102()FDDDd压头是直径为D的钢球或硬质合金球。•HBS——压头为钢球，用于测量450HBS•HBW——压头为硬质合金,用于测量450HBW（650HBW）特点：布氏硬度因压痕面积较大，HB值的代表性较全面，而且实验数据的重复性也好。由于淬火钢球本身的变形问题，不能试验太硬的材料，一般测HB450以下的材料；硬质合金可测HB450以上的材料。由于压痕较大，不能进行成品检验。通常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等材料的硬度。2.洛氏硬度HR用金刚石圆锥或钢球作压头，在规定的预载荷和总载荷下，压入材料，卸载后，测其深度ｈ，由公式求出，可在洛氏硬度计上直接读出，无单位．洛氏硬度计用金刚石圆锥或钢球为压头，实验时是根据测量到的压入深度，转变成刻度盘上的数据。洛氏硬度一般用于HB45010()HRCHBSHBW()100,130HRAHRCeHRBe洛氏硬度试验1－试样表面2－基准线F0－初始试验力F1－主试验力F－总试验力A、C标尺－金刚石圆锥压头B标尺－钢球压头e－残余压痕深度增量，0.002mm为单位洛氏硬度计洛氏硬度的分类及应用标度压头总载荷（kg）应用范围适用材料HRA120º金刚石圆锥6070~85硬质合金、表面淬火的钢HRBΦ1.588mm钢球10025~100软钢、退火钢、铜合金HRC120º金刚石圆锥15020~67淬火钢、调质钢等特点：洛氏硬度HR可以用于硬度很高的材料，而且压痕很小，几乎不损伤工件表面，故在钢件热处理质量检查中应用最多。但洛氏硬度由于压痕较小，硬度代表性就差些，如果材料中有偏析或组织不均匀的情况，则所测硬度值的重复性也差。数显维氏硬度计数显显微硬度计二、动载时材料的力学性能1、冲击韧性:金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力叫做冲击韧度。常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧度。摆锤式冲击实验机计算公式Ak=GH1-GH2=G（H1-H2）试验原理：试样被冲断过程中吸收的能量即冲击吸收功（Ak）等于摆锤冲击试样前后的势能差。试验过程如图所示。冲击韧度（ak）：冲击吸收功除以试样缺口处截面积。ak=AK/S（J·cm-2）Ak—冲断试样所消耗的冲击功（J）S—试样断口处的原始截面积（cm2）在冲击载荷下工作的零件，很少是受大能量一次冲击而破坏的；往往是受小能量多次重复冲击而破坏的。试验表明：在冲击能量不太大的情况下，其承受反复冲击的能力主要取决于强度，而不是很高的冲击韧性ak。材料韧性判据为冲击韧性ak，低值为脆性材料，高值为韧性材料。2疲劳强度许多零件如曲轴、齿轮、连杆、弹簧等在交变载荷作用下工作，发生断裂时的应力远低于该材料的屈服强度，这种现象叫疲劳破坏。据统计，80%机件失效是由于疲劳破坏。疲劳强度——金属材料在无数次交变载荷作用下而不致于引起断裂的最大应力。材料的疲劳强度通常在旋转对称弯曲疲劳试验机上测定疲劳曲线,即交变应力与断裂前的循环次数N之间的关系。有色金属N》108，钢材N107不疲劳破坏疲劳曲线疲劳破坏原因:材料有杂质,表面划痕,能引起应力集中（指受力构件由于几何形状、外形尺寸发生突变而引起局部范围内应力显著增大的现象）,导致微裂纹,裂纹扩展致使零件不能承受所加载荷突然破坏.不断裂断裂点断裂产生疲劳破坏的原因材料有杂质、表面划伤等缺陷应力集中微裂纹裂纹扩展破坏三、金属材料的性能：1、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。物理性能：密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性。如，飞机上使用的零件要求比重轻；电机、电器用零件要考虑导电性，等等。化学性能：室温或高温时抵抗各种化学作用的能力，也称化学稳定性，包括耐酸性、耐碱性、抗氧化性等等。如，化工设备、医疗器械要求化学稳定性好。同时，各种金属材料存在各不相同的使用性能。因此：1）我们必须首先熟悉各种金属材料的主要性能。2）才能根据不同的技术要求，选择合适的金属材料。比如：1）医疗器械→不锈钢。2）飞机上使用的零件，要求比重轻，当然强度也要高→铝合金甚至复合材料。2、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。