第一章-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一节强度与塑性一、拉伸试验金属材料的强度、塑性是依据国家标准（ＧＢ６３９７—１９８６）通过静拉伸试验测定的。它是把一定尺寸和形状的试样装夹在拉伸试验机上，然后对试样逐渐施加拉伸载荷，直至把试样拉断为止。国家标准ＧＢ／Ｔ２２８—２００２对试样的形状、尺寸及加工要求均有规定。标准试样的截有圆形和矩形两种，圆形试样用的较多，圆形试样有短试样和长试样。拉伸前后的试样如图１-１所示。下一页返回第一节强度与塑性—伸长曲线在拉伸试验过程中，试验机可自动记录载荷与伸长量之间的关系，并得出以载荷为纵坐标、伸长量为横坐标的图形，即力－伸长曲线。如图１-２所示为退火后的低碳钢力—伸长曲线。由图可看出，低碳钢在拉伸过程中，其载荷与伸长量关系可分为以下几个阶段：（１）弹性变形阶段（２）微量塑性变形阶段（３）屈服阶段（４）均匀塑性变形阶段（５）局部塑性变形及断裂阶段上一页下一页返回第一节强度与塑性二、强度强度是指金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力，当金属材料受载荷作用而未引起破坏时，其内部产生和载荷相平衡的力称为内力。材料单位面积上的内力称为应力。强度的大小是以材料所能承受的应力大小来表示的。金属材料开始产生屈服现象时的最低应力值称屈服点，用符号σｓ表示。上一页下一页返回第一节强度与塑性有些金属材料在拉伸时没有明显的屈服现象，无法测定其屈服点σｓ，按ＧＢ／Ｔ２２８—００２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。如图１３所示。金属材料在断裂前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用符号σｂ表示。上一页下一页返回第一节强度与塑性σｂ是表示塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力，脆性材料在拉伸过程中，一般不产生颈缩现象，因此抗拉强度σｂ就是材料的断裂强度。用脆性材料制造机器零件或工程构件时，常以σｂ作为选材和设计的依据，并选用适当的安全系数。三、塑性金属材料在载荷作用下，断裂前产生不可逆永久变形的能力称为塑性。塑性的大小用伸长率δ和断面收缩率φ表示。上一页下一页返回第一节强度与塑性金属材料塑性的好坏对零件的加工和使用都具有重要的意义。塑性好的材料不仅能顺利进行锻压、轧制等成形工艺，而且在使用时万一超载，由于塑性变形而能避免突然断裂，从而提高材料使用的安全可靠性。所以，大多数机器零件除要求具有足够的强度外，还必须具有一定的塑性。一般说来，伸长率达５％或断面收缩率达１０％的材料，即可满足绝大多数零件的要求。上一页返回第二节硬度一、布氏硬度试验原理如图１-４所示。用直径为犇的硬质合金球，在规定试验力下压入试样表面，保持规定的时间后卸除试验力，在试样表面留下球形压痕。用球面压痕单位面积上所承受的平均压力表示布氏硬度值。布氏硬度用符号ＨＢＷ表示。下一页返回第二节硬度布氏硬度的单位为ＭＰａ，但习惯上只标明硬度值，而不标注单位，其表示方法为：在符号ＨＢＷ前写出硬度值，符号后面依次有相应数字注明压头直径、试验力和保持时间（１０～１５ｓ不标注）。布氏硬度试验压痕面积较大，能反映出较大范围内材料的平均硬度，测得结果较准确、稳定，但操作不够简便。又因压痕大，对金属表面的损伤大，故不宜测试薄件或成品件。目前主要用来测定有色金属及退火、正火、调质钢的原材料、半成品及性能不均匀的材料（如铸铁）。上一页下一页返回第二节硬度二、洛氏硬度试验原理如图１-５所示。用顶角为１２０°的金刚石圆锥体或直径为φ１．５８８ｍｍ的淬火钢球做压头，以规定的试验力使其压入试样表面。试验时，先加初试验力，然后加主试验力。在保留初试验力的情况下，根据试样表面压痕深度，确定被测金属材料的洛氏硬度值。为了能用一种硬度计测量较大范围的硬度，洛氏硬度采用了常用的三种硬度标尺，分别以ＨＲＡ、ＨＲＢ、ＨＲＣ表示，其中ＨＲＣ应用最广，一般经淬火处理的钢或工具都采用ＨＲＣ测量。洛氏硬度的试验条件和应用范围见表１-２。上一页下一页返回第二节硬度洛氏硬度试验测量硬度范围大，操作简便、迅速，效率高，可直接从硬度计上读出硬度值。由于压痕小，不会损伤试件表面，故可直接测量成品或较薄工件。但因压痕小，对内部组织和硬度不均匀的材料，所测结果不够准确。因此，需在试件不同部位测定数次（一般为３处以上），取其平均值作为该材料的硬度值。三、维氏硬度布氏硬度试验不适用于测定硬度较高的材料，洛氏硬度虽然可用于测定软材料和硬材料，但其硬度值不能进行比较。为了测量从软到硬的各种材料以及金属零件的表面硬度，并有连续一致的硬度标尺，特制定维氏硬度试验法。上一页下一页返回第二节硬度维氏硬度原理与布氏硬度原理相似，也是根据压痕单位表面积的试验力大小来计算硬度值。区别在于维氏硬度的压头采用的是锥面夹角为１３６°的金刚石正四棱锥体。试验时，在规定试验力犉作用下，压头压入试件表面，保持一定时间后，卸除试验力，测量压痕两对角线长度，如图１-６所示。单位压痕表面积所承受试验力的大小即为维氏硬度值，用符号ＨＶ表示，单位ＭＰａ。维氏硬度习惯上也只标硬度值而不标出单位。通常是在ＨＶ符号前面写出硬度值，ＨＶ后面依次用数字注明试验力和保持时间（１０～１５ｓ不标注）。上一页下一页返回第二节硬度维氏硬度试验法所用试验力小，压痕深度浅，轮廓清晰，数字准确可靠，故广泛用于测量金属镀层，薄片材料和化学热处理后的表面硬度。又因其试验力可在很大范围内选择（４９．０３～９８０．７Ｎ），所以可测量从很软到很硬的材料。但维氏硬度试验不如洛氏硬度试验简便、迅速，不适于成批生产的常规试验。上一页返回第三节冲击韧度一、冲击韧度试验方法及原理一次冲击弯曲试验通常是在摆锤式冲击试验机上进行的，其试验原理如图１-７所示。试验时将带有缺口的标准试样(按GB/T229-1994规定，冲击试样有V型缺口试样和U型缺口试样两种。两种试样的尺寸及加工要求如图1一8所示)。背向摆锤方向放在试验机两支座上，将质量为m的摆锤抬到规定高度H，使摆锤具有的势能为mHg。摆锤落下冲断试样后升至h高度，这时摆锤具有的势能为mHg。根据功能原理可知:摆锤冲断试样所消耗的功AK=mg(H-h)，AK称为冲击吸收功。下一页返回第三节冲击韧度冲击吸收功的值可从试验机的刻度盘上直接读出。AK值的大小，代表了材料的冲击韧度值的高低。一般把AK值低的材料称为脆性材料;AK值高的材料称为韧性材料。AK越大，材料的韧性越好，受冲击时越不易断裂。一般来讲，强度、塑性均较好的材料，其冲击韧度值也高。但材料的AK的大小受很多因素的影响，不仅与试样形状、表面粗糙度、内部组织有关，还与试验时的温度密切相关。因此，冲击韧度值一般只作为选材时的参考，而不能作为计算依据。上一页下一页返回第三节冲击韧度二、冲击试验的实际意义AK的大小与试验温度有关，有些材料在室温200C左右试验时并不显示脆性，但在较低温度下，则可能发生脆性断裂。所谓脆性断裂是指骤然发生传播很快的断裂，断裂前(裂纹产生)及伴随着断裂过程(裂纹扩展)都缺乏明显的塑性形变。温度对AK的影响如图1一9所示。由图可以看出，AK的值随着试验温度的下降而减小。材料在低于某温度时，AK值急剧下降，使试样的断口形态由韧性断口转变为脆性断口，此温度称为韧脆转变温度(TK)。这一温度值的高低对于评价钢的脆性倾向(尤其低温脆性)非常重要。材料的韧脆转变温度可通过冲击韧性试验来测定。上一页下一页返回第三节冲击韧度韧脆转变温度是金属材料的质量指标之一，韧脆转变温度越低，材料的低温冲击性能就越好，对于在寒冷地区和低温下工作的机械和工程结构，如运输桥梁、机械、输送管道尤为重要，因此必须具有更低韧脆转变温度才能保证工作正常进行。上一页返回第四节疲劳一、疲劳的概念许多机械零件是在交变应力下工作的，如机床主轴、连杆、齿轮、弹簧、各种滚动轴承等。所谓交变应力是指零件所受应力的大小和方向随时间作周期性变化。例如，受力发生弯曲的轴，在转动时材料要反复受到拉应力和压应力，属于对称交变应力循环。零件在交变应力作用下，当交变应力值远低于材料的屈服强度时，经长时间运行后也会发生断裂，这种断裂称为疲劳断裂。疲劳断裂往往突然发生，无论是塑性材料还是脆性材料，断裂时都不产生明显的塑性变形，具有很大的危险性，常常造成事故。据统计，机械零件断裂中有８０％是由于疲劳引起的。疲劳断裂的过程，往往起始于零件表面，有时也可能在零件的内部某一薄弱部位产生裂纹。随着应力的交变，裂纹不断向截面深处扩展，以至在某一时刻，使未裂的截面面积承受不了所受的应力时，便产生突然断裂。下一页返回第四节疲劳二、疲劳曲线与疲劳强度为了防止疲劳断裂，零件设计不能只以σｂ、σ０0.２作为依据，必须制订出疲劳抗力指标。材料疲劳抗力指标是由疲劳实验测得的。通过疲劳实验，把被测材料承受交变应力σ与材料断裂前的应力循环次数犖的关系曲线称为疲劳曲线（如图１-１０所示）。上一页下一页返回第四节疲劳三、疲劳断裂的原因与提高材料疲劳强度的途径一般认为，产生疲劳断裂的原因是材料的内部缺陷，如夹杂物，气孔等所致。在交变应力作用下，缺陷处首先形成微小裂纹，裂纹逐步扩展，导致零件的受力截面减小，以致突然产生断裂。此外，零件表面的机械加工刀痕和构件截面突然变化部位，均会产生应力集中。交变应力下，应力集中处易于产生显微裂纹，也是产生疲劳断裂的主要原因。上一页下一页返回第四节疲劳由疲劳断裂过程可知，凡是零件表面和内部不容易生成裂纹，或裂纹生成后不容易扩展的任何因素，都会不同程度的提高疲劳强度，主要有以下几个方面：（１）设计方面。尽量使零件避免有尖角、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而引起的缺陷，如气孔、疏松和表面氧化等。晶粒细化使晶界增多，从而对疲劳裂纹的扩展起更大的阻碍作用。材料内部缺陷，有的本身就是裂纹，有的在循环应力作用下会发展成裂纹。没有缺陷，裂纹就难以形成。上一页下一页返回第四节疲劳（３）机械加工方面。要降低零件表面粗糙度，因表面刀痕、碰伤和划痕等都是疲劳裂纹的策源地。（４）零件表面强度方面。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。上一页返回表１-２常用洛氏硬度标尺的试验条件和应用返回图１-１拉伸试样返回图１-２低碳钢力—伸长曲线返回图１-３屈服强度的测定返回图１-４布氏硬度试验原理图返回图１-５洛氏硬度试验原理图返回图１-６维氏硬度试验原理图返回图１-７冲击试验原理图返回图1-８冲击试样返回图１-９韧脆转变温度示意图返回图１-１０疲劳曲线返回