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1、 45钢力学性能的测定一、学习目标知识目标：了解金属材料的使用性能的含义；熟悉拉伸试验测定金属的强度、塑性的方法；明确硬度、韧性、疲劳强度的试验测定方法；了解金属工艺性能的含义。能力目标：能独立完成金属材料力学性能的测定。二、任务引入金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能,它包括物理、化学和力学性能等；工艺性能是指金属材料在各种加工过程中所表现出来的性能，包括铸造、锻造、焊接、切削加工性能等。金属材料在加工和使用过程中都要承受不同形式的外力作用，当外力达到或超过某一限度时，材料就会发生变形，甚至断裂。金属材料在外力作用时所表现出的抵抗变形和破坏的
2、能力，称为力学性能，主要包括强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等。它不仅是设计零件、选择材料的重要依据，而且也是验收鉴定材料性能的重要依据。45钢是指含碳量为0.45%的铁碳合金，主要用来制造齿轮、连杆、轴类等零件，其力学性能各评定指标是通过试验方法测定的。三、相关知识（一）强度金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力，称为强度，强度大小通常用应力来表示。根据载荷作用方式不同，强度分为抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度和抗压强度等。通常以抗拉强度作为判别金属强度高低的基本指标。金属材料的抗拉强度通过以标准试样在万能材料试样机上进行拉伸试验测定的。1.拉伸试验图1-1（a） 为拉伸标准试样，试样
3、横截面形状有圆形和矩形两种。拉伸试样一般又分为长试样（）和短试样（）两种。图1-1 圆形拉伸试样(a) 拉伸前 (b) 拉断后拉伸试验中得出的拉力与伸长量的关系曲线称为拉伸曲线。图1-2是低碳钢的拉伸曲线图，图中纵坐标表示拉力，单位为N；横坐标表示试样的伸长量，单位是mm，从图中可以明显地看出低碳钢在拉伸过程中出现的几个变形阶段： 图1-2 低碳钢的拉伸曲线图 图1-3 铸铁的拉伸曲线oe弹性变形阶段 在拉伸试验时，若载荷不超过，则卸载后试样立即恢复原状，这种随载荷的作用而产生，随载荷的去除而消失的变形称为弹性变形。为试样能恢复到原始形状和尺寸的最大拉伸力。es屈服阶段 若载荷超过时，则卸载后
4、试样的变形不能完全消失，保留一部分残余变形。这种不能随载荷的去除而消失的变形称为塑性变形，也称为永久变形。当载荷达到时，试样开始产生明显的塑性变形，在曲线上出现了水平的锯齿形线段，即表示外力不增加，试样仍继续发生塑性伸长，这种现象称为屈服。称为屈服载荷。sb强化阶段 当载荷超过后，材料开始出现明显的塑性变形。同时欲使试样继续伸长，载荷也必须不断增加。随着塑性变形增加，试样变形抗力也逐渐增加，这种现象称为形变强化（或称加工硬化）。为拉伸试验时的最大载荷。bz颈缩阶段 当载荷增加到某一最大值时，试样开始局部截面积缩小，出现“颈缩”现象，变形主要集中在颈部。由于试样截面积逐渐减小，试样变形所需要的载
5、荷也逐步降低，当达到图1-2中Z点时，试样在“颈缩”处断裂。生产中使用的金属材料多数没有明显的屈服现象，有些脆性材料不仅没有明显的屈服现象发生，且也没有明显的“颈缩”。如图1-3所示铸铁的拉伸曲线。2.强度指标金属材料在受外力作用时，其内部产生与外力相抗衡的的内部抗力，这个内部抗力称为内力。单位面积上的内力称为应力，用表示。金属材料常用的强度指标有弹性极限、屈服点和抗拉强度。金属材料产生按比例的完全弹性变形所能承受的最大应力称比例极限。但比例极限不易精确测定，通常用开始产生微量塑性变形时的最大应力作为完全弹性变形的强度指标，称弹性极限。式中为弹性变形时的最大载荷（N）；为试样原始横截面面积（m
6、m2）。屈服点表示金属材料抵抗微量塑性变形的能力。（）式中：试样产生屈服时的载荷（N）。材料的屈服点越高，允许的工作应力也越高。因此，材料的屈服点是机械设计和选用材料的依据，也是评定金属材料性能的重要指标。金属材料在拉断前所能承受的最大应力，称为抗拉强度。（）式中 试样拉断前承受的最大载荷（N）。抗拉强度表示金属材料在拉伸载荷作用下的最大均匀变形能力。零件在工作中所承受的应力不允许超过抗拉强度，否则会产生断裂，造成事故。抗拉强度也是机械零件设计选材时的重要依据之一。（二）塑性塑性是指金属材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。金属材料的塑性值也是通过拉伸试验测得的，常用塑性指标是断后伸长率
7、和断面收缩率。断后伸长率是试样被拉断时标距长度的伸长量与原始标距长度之比的百分数，用符号表示。 同一材料的试样长短不同测得的是不同的，长、短两种试样的分别用和表示。不同材料进行比较时，必须是相同标准试样测定的数值才有意义。 断面收缩率是指试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积之比的百分数，用符号表示。金属材料的伸长率和断面收缩率越大，表明材料的塑性越好。塑性好的材料，偶尔过载时由于能发生一定量的塑性变形而不致于突然断裂，在一定程度上保证了零件的工作安全性，因此对于重要的结构零件要求必须具备一定的塑性。（三）硬度硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度的测试方法有压入法
8、、刻划法和回跳法等，生产中最常用的是压入法。常用硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。1.布氏硬度布氏硬度的测试原理是用直径为D的淬火钢球或硬质合金球，在规定载荷F的作用下压入被测试金属的表面（如图1-4所示），停留一定时间后卸除载荷，然后测量被测试金属表面上所形成的压痕直径d，由此计算压痕的表面积S，求出压痕在单位面积上所承受的平均压力值（FS），以此作为被测试金属的布氏硬度值。用符号HBS（HBW）来表示，用淬火钢球作压头时用HBS表示，用硬质合金球作为压头时用HBW表示。 图1-4 布氏硬度实验原理示意图在实际测试时，硬度值不需要计算，只需用读数显微镜测出压痕直径“d”，然后根据“d”
9、值，查 “压痕直径与布氏硬度对照表”，即可求得所测的硬度值。布氏硬度的表示方法为在符号HBS或HBW前面标硬度值，符号后面按顺序用数字表示试验条件：球体直径（mm）；试验力(kg)；试验力保持时间（s,1015s不标注）。例如170HBS 10/1000/30表示用直径10mm的钢球，在9807N的试验力作用下，保持30s时，测得的硬度值为170。布氏硬度因压痕面积较大，HB值的代表性较全面，试验数据的重复性好，但由于淬火钢球本身的变形问题，不能试验太硬的材料，一般在450HBS以上的就不能使用。通常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等材料的硬度。由于压痕较大，不能用于成品及半成品的检验。2
10、.洛氏硬度洛氏硬度测定采用顶角为120的金刚石圆锥体或淬火钢球作为压头，在规定载荷作用下压入被测试金属表面后，经规定保持时间后卸除主试验力，以测量的压痕深度来计算洛氏硬度值。图1-5所示是用金刚石压头进行洛氏硬度试验的示意图。 图1-5 洛氏硬度的测定洛氏硬度值是根据h3h1来确定的，习惯上用k（常数）-（h3h1）值表示硬度值。数值越大表示金属材料越硬，数值越小表示材料的硬度越低。为了用同一硬度计测定从软到硬不同金属材料的硬度，可采用不同的压头和总载荷，组成不同的洛氏硬度标尺，每一种标尺用一个字母在洛氏硬度符号HR后面加以注明。最常用的洛氏硬度标尺是A、B、C三种，其中HRC标尺应用最为广泛
11、。洛氏硬度试验法操作迅速简便，压痕较小，测量范围大，广泛用于各种材料工件以及薄、小和表面要求较高的工件测定硬度。由于压痕较小，对组织比较粗大且不均匀的材料，测得的硬度值不够准确，通常需要在不同的部位测试数次，取平均值来代表金属材料的硬度。3.维氏硬度维氏硬度的试验原理基本上和布氏硬度试验相同，其压头是用一个夹角为1360的金刚石正四棱锥体，以选定的试验力压入被测金属的表面，保持一定时间后卸除试验力。然后再测量压痕的两对角线的平均长度d，进而计算出压痕的表面积S，最后求出压痕表面积上平均压力（F/S），以此作为被测试金属的硬度，用符号HV表示。由于维氏硬度测试的压痕轮廓为正方形，便于测量、误差小
12、、精度高、测量范围大，适于各种软、硬金属，尤其适于极薄零件和渗碳、渗氮工件的硬度测定。但其值测定比较麻烦，效率低，所以不宜用于大批量生产工件的常规测定。（四）冲击韧度金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧度。常用一次摆锤冲击试验来测定。常用的冲击标准试样根据其缺口形状不同，有U型和 V型两种。图1-6所示为冲击试验机和一次摆锤冲击试验过程示意图。试验时根据能量守恒原理，以试样受冲击破坏时单位面积消耗的功来计算冲击韧度的数值，即。值越大，表示材料的冲击韧性越好。图1-6 一次摆锤冲击实验过程示意图实践表明，承受冲击载荷的机械零件，很少因一次大能量冲击而遭破坏，绝大多数是在一次冲击不足以
13、使零件破坏的小能量多次冲击作用下而破坏的，如凿岩机风镐上的活塞、冲模的冲头等。它们的破坏是由于多次冲击损伤的积累，导致裂纹的产生与扩展的结果，根本不同于一次冲击的破坏过程。对于这样的零件，用冲击韧度来作为设计依据显然是不符合实际的。（五）疲劳强度实际生产中有许多机器零件，如齿轮、弹簧、曲轴和轴承等，都是在交变载荷下工作的。虽然零件在工作过程中所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。疲劳断裂是在事先无明显塑性变形的情况下突然发生的，故具有很大的危险性。当金属材料在无数次重复或交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力，叫做疲劳强度。材料的疲劳强度通常在旋转对称弯曲疲劳试验机上测定，测定的疲劳强度值以表示。实际上，金属材料不可能作无数次交变载荷试验。对于黑色金属，一般规定106107周次，有色金属、不锈钢等取107108周次。产生疲劳破坏的原因，一般认为是由于材料有杂质、表面划痕及其它能引起应力集中的缺陷。四、任务实施通过拉伸试验测得45钢的强度为 =355，=600；塑性为=16%=40%、；通过布氏硬度测定硬度值为229HBS；通过摆锤一次冲击试验测定韧性AKU=39J。五、能力训练齿轮（材料为40Cr钢）的性能测定齿轮的强度、塑性、韧性、硬度及疲劳强度的测定同45钢的测定方法相似。
