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1、第2章 金属材料的力学性能,2,4,2. 1 静载荷作用下的力学性能,2. 2 在动载荷作用下的力学性能,2. 3 金属材料的高温蠕变现象,2. 4 金属材料的工艺性能,下一页,返回,第2章 金属材料的力学性能,本章简介:材料的力学性能指标是机械设计、加工和使用的主要依据，本章主要介绍了金属材料的常用力学性能指标：强度、塑性、硬度、刚度、冲击韧性和疲劳强度。 重点:常用力学性能指标：强度、塑性、硬度、刚度、冲击韧性和疲劳强度的内涵。 难点:金属材料的疲劳强度和工艺性能。,下一页,返回,第2章 金属材料的力学性能,材料是在不同的外界条件下使用的，如在载荷、温度、介质、电场等作用下将表现出不同的行
2、为，即材料的使用性能。使用性能主要包括：力学性能、物理性能和化学性能。 力学性能是指金属材料在外力作用下抵抗变形或破坏的能力，如强度、硬度、弹性、塑性、韧性等，这些性能是机械零件的设计、材料选择和产品质量控制的重要参数。,上一页,返回,2. 1 静载荷作用下加力学性能,静载荷是指对工件或试样缓慢加载，不随时间而变化的量。 2.1.1强度与塑性 1.强度 所谓材料的强度是指材料在达到允许的变形程度或断裂前所能承受的最大应力，像弹性极限、屈服强度、抗拉强度等。在载荷作用下引起材料尺寸和形状的改变，我们称为变形，由变形的趋势可将载荷分为拉伸、压缩、剪切和弯曲等载荷形式。因此，材料的强度主要有抗拉强度
3、、抗压强度、抗剪强度、抗弯强度等形式。 材料在常温下的强度指标有屈服强度和抗拉(压)强度，屈服强度表示材料抵抗开始产生塑性变形的应力，抗拉强度表示材料抵抗外力而不致断裂的最大应力。,下一页,返回,2. 1 静载荷作用下加力学性能,要强调的是，通常材料的强度和塑性是根据国家标准(GB/T 228-2002)规定进行静拉伸试验测量得到的。对于塑性材料和脆性材料，两者的拉伸曲线不同，如图2一1所示。对于高碳钢等一些相对脆性的金属材料往往没有明显的屈服平台，国际上规定产生0. 2%残余应变时所对应的应力值作为其屈服极限，称为条件屈服强度，记作0.2。 在工程上，不仅需要材料的屈服强度高，而且还需要考虑
4、屈服强度与抗拉强度的比值(屈强比)。根据不同的设备要求，其比值应适当。屈强比较小的材料制造的零件具有较高的安全可靠性，因为在工作时万一超载，也能由于塑性变形使金属的强度提高而不致立刻断裂。但如果屈强比太小，则材料强度的利用率会降低;而屈强比较高，意味着材料的屈服强度接近于抗拉强度，金属材料强度的有效利用率高，但可靠性较低。,上一页,下一页,返回,2. 1 静载荷作用下加力学性能,因此，过大、过小的屈强比都是不适宜的。常用金属材料的屈强比为:碳素钢约0. 6，低合金钢为0. 650. 75，合金结构钢一般为0. 85左右。 2.塑性 塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力，常用的塑性
5、指标有两个:延伸率()或断面收缩率()。在生产中材料可通过局部塑性变形来削减应力峰，缓解应力集中，从而防止突然破坏;对于塑性较好的材料，可压力加工成型。 (1)延伸率() 。延伸率以试件拉断后，总伸长的长度与原始长度的比值百分率(%)来表示:,上一页,下一页,返回,2. 1 静载荷作用下加力学性能,式中l试件断裂后的标距长度，mm ; l0 试件原始的标距长度，mm 。 延伸率的大小与试件尺寸有关，为了便于进行比较，须将试件标准化。现国内采用的拉伸试样有:长圆试样用l/d0 =10(氏为试样直径)、短圆试样用l/d0=5，分别在延伸率下标以10和5来表示。 (2)断面收缩率()。断面收缩率以试
6、件拉断后，断面缩小的面积与原始截面面积比值的百分率(%)来表示: 式中A 试件断裂后的最小截面积，mm2; A0试件的原始截面积，mm2。,上一页,下一页,返回,2. 1 静载荷作用下加力学性能,断面收缩率的大小与试件尺寸无关。它不是一个表征材料固有性能的指标，但它对材料的组织变化比较敏感，尤其对钢的氢脆以及材料的缺口比较敏感。材料的延伸率与断面收缩率值愈大，材料塑性愈好，良好的塑性性能可使设备在使用中产生塑性变形而避免发生突然的断裂。塑性指标在机械设计中具有重要意义，有良好的塑性才能进行成型加工，如弯卷和冲压等，承受静载荷的容器及零件，其制作材料都应具有一定塑性，一般要求=10%20 %。
7、在化工炼油设备中，很多零部件是长期在高温下工作的，对于制造这些零部件的金属材料的屈服极限、抗拉强度限都会发生显著变化，如蠕变和松弛现象，必须考虑温度对力学性能的影响。,上一页,下一页,返回,2. 1 静载荷作用下加力学性能,2.1.2 硬度 硬度是指固体材料抵抗局部变形，特别是表面局部塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度是材料的一个重要指标，试验方法简便、迅速，不需要破坏试件，设备也比较简单，而且对大多数金属材料，可以从硬度值估算出它的抗拉强度，因此在设计图样的技术条件中大多规定材料的硬度值，检验材料或工艺是否合格有时也需采用硬度指标。因此硬度试验在生产中广泛应用。 (1)划痕硬度莫氏硬度，主要用
8、于比较不同矿物的软硬程度，方法是选一根一端硬一端软的棒，将被测材料沿棒划过，根据出现划痕的位置确定被测材料的软硬。定性地说，硬物体划出的划痕长，软物体划出的划痕短。,上一页,下一页,返回,2. 1 静载荷作用下加力学性能,莫氏硬度使用10种矿物来衡量世界上最硬的和最软的物体，如金刚石的莫氏硬度为 10,石膏的则为 2。 (2)压入硬度，主要用于金属材料，方法是用一定的载荷将规定的压头压入被测材料，以材料表面局部塑性变形的大小比较被测材料的软硬。由于压头、载荷以及载荷持续时间的不同，压入硬度有多种，如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等几种。 (3)回跳硬度，主要用于金属材料，方法是使一特制的小锤从一
9、定高度自由下落冲击被测材料的试样，并以试样在冲击过程中储存(继而释放)应变能的多少(通过小锤的回跳高度测定)确定材料的硬度。 各种硬度标准的力学含义不同，相互不能直接换算，但可通过试验加以对比。,上一页,下一页,返回,2. 1 静载荷作用下加力学性能,硬度不是金属独立的基本性能，而是反映材料弹性、强度与塑性等的综合性能指标。在工程材料技术中应用最多的是压入硬度，常用的指标有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)和维氏硬度(HV)等。所得到的硬度值的大小实质上是表示金属表面抵抗压入物体(钢球或锥体)所引起局部塑性变形的抗力大小。一般情况下，硬度高的材料强度高，耐磨性能较好，而切削加工性能较差。本节主
10、要介绍压入硬度:布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)和维氏硬度(HV)。 1.布氏硬度(HB) 以一定的载荷(一般为3000 kg)把一定大小(直径一般为10 mm)的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值，单位为N/mm2，如图2 -2所示。,上一页,下一页,返回,2. 1 静载荷作用下加力学性能,计算公式如下: 式中F 试验载荷，N; D钢球直径，mm; d压痕直径，mm。 根据材料的情况，压头选择如下。 (1)压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。 (2)压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在
11、650以下的材料。,上一页,下一页,返回,2. 1 静载荷作用下加力学性能,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120。如120HBS10/1000/30表示直径为10 mm的钢球在1000 kgf (9. 807 kN )载荷作用下保持30s，测得的布氏硬度值为120。 布氏硬度上限值为650 HB，不能高于此值，否则钢球变形或硬质合金球的压痕太小，误差较大。布氏硬度主要用于测定小于450 HBS的材料。 根据金属材料的种类试样的硬度范围和厚度的不同，按照表2一1的规范选择试验压头的直径D,试验力F即保持时间。 布氏硬度试验的优点是其
12、硬度代表性好，由于通常采用的是10 mm直径球压头，3 000 kg试验力，其压痕面积较大，能反映较大范围内金属各组成相综合影响的平均值，不受个别组成相及微小不均匀度的影响。,上一页,下一页,返回,2. 1 静载荷作用下加力学性能,因此特别适用于测定灰铸铁、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料，还可用于有色金属和软钢。 由于布氏硬度试验的特点是压痕较大，由于压痕边缘的凸起、凹陷或圆滑过渡都会使压痕直径的测量产生较大误差，成品检验有困难，因此一般不用于成品检测，多用于原材料和半成品的检测。 实践证明，金属材料的各种硬度值之间，硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。根据经验，可用硬度近似地估计抗拉强度
13、，大部分金属的硬度和强度之间有如下近似关系: 低碳钢 b (MPa) 0. 36 HB ; 高碳钢 b (MPa) 0. 34 HB ; 灰铸铁 b (MPa) 0. 1 HB。,上一页,下一页,返回,2. 1 静载荷作用下加力学性能,2.洛氏硬度(HR) 当HB 450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量，如图2一3所示。 洛式硬度是以压痕塑性变形深度来确定硬度指标的。它是用一个顶角为120。的金刚石圆锥体或直径为1. 588 mm的淬火钢球作压头，先加初载荷，再加主载荷，将压头压入金属表面，保持一定时间后卸除载荷，根据压痕的残余深度计算硬度值，考虑到数值越大则硬度值越大的
14、习惯，采用一个常数K减去深度h，计算公式如下: 式中h压痕的残余深度，mm; K常数(用金刚石压头，K=100;淬火钢球作压头，K=130)。,上一页,下一页,返回,2. 1 静载荷作用下加力学性能,根据试验材料硬度的不同，采用不同的压头和载荷组成几种不同的洛氏硬度标尺，并用字母在HR后加以注明，常用的洛氏硬度是HRA , HRB和HRC三种。 (1)HRA:是采用60 k;载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。 (2)HRB:是采用100 kg载荷和直径1. 58 mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。 (3)HRC:是采用150 k
15、g载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。HRC适用范围HRC2067，相当于225650 HB，在一定条件下，HB与HRC可以查表互换。其心算公式可大概记为: 1 HRC 1/10 HB,上一页,下一页,返回,2. 1 静载荷作用下加力学性能,洛氏硬度试验操作简便迅速，可直接从硬度机表盘上读出硬度值，压痕小，可直接测量成品或较薄工件的硬度，但由于压痕较小，测得的数据不够准确，通常应在试样不同部位测定三点，取其算术平均值。 3.维氏硬度 维氏硬度试验原理基本上与布式硬度相同，也是根据压痕单位表面积上的载荷大小来计算其硬度值，所不同的是采用相对面夹角为136的正四棱锥体金
16、刚石作压头，如图2一4所示。 维氏硬度符号HV前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间，测量极薄试样，范围为11 000 HV。 表示方法举例:640 HV30/20表示用30 kgf( 294. 2 N )试验力保持20 s测定的维氏硬度值为640 N/mm2 ( MPa)。,上一页,下一页,返回,2. 1 静载荷作用下加力学性能,维氏硬度法可用于测定很薄的金属材料和表面层硬度。它具有布氏法、洛氏法的主要优点，并克服了它们的基本缺点，但不如洛氏法简便。 2. 1. 3刚度 材料在弹性范围内，应力与应变的关系服从胡克定律: = E (或 =G)。二(或们为应变，即单位长度的变形量，=l/l。 材料的刚度通常用弹性模量E来衡量。弹性模量是指在应力一应变曲线上完全弹性变形阶段，应力与应变的比值。即 E=/ 刚度是指材料在受力时抵抗弹性变形的能力，它表征了材料弹性变形的难易程度。弹性模量越大，材料的刚度越大
