大学精品课件：第一章工程材料的主要性能.ppt

1、第一章第一章 金属的力学性能金属的力学性能 单向静拉伸载荷下材料的力学性能单向静拉伸载荷下材料的力学性能 硬度硬度 冲击韧性冲击韧性 疲劳极限疲劳极限 第二节 第三节 第四节 第一节 第一章第一章 金属的力学性能金属的力学性能 材料 的 性能 使用性能： 工艺性能： 力学性能力学性能 物理性能 化学性能 强强 塑塑 刚刚 硬硬 韧韧 疲疲 度度 性性 度度 度度 性性 劳劳 铸造性能 压力加工性能 焊接性能 切削加工性能 热处理性能 金属材料在不同环境下， 承受各种外加载荷时所 表现出的力学特征。 第一节第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能单向静拉伸载荷下材料的力学性能 一一 强度的概念强度

2、的概念 二二 强度的测定强度的测定拉伸实验拉伸实验 三三 强度指标强度指标 四四 塑性塑性 一、强度的概念一、强度的概念 指金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的指金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的 能力。能力。 1. 1. 定义定义 2. 2. 应用应用 强度是机械零件（或工程构件）在设计、加工、强度是机械零件（或工程构件）在设计、加工、 使用过程中的主要性能指标，特别是选材和设计的主使用过程中的主要性能指标，特别是选材和设计的主 要依据。要依据。 第一节第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能单向静拉伸载荷下材料的力学性能 二、强度的测定二、强度的测定拉伸实验拉伸实验 1. 1. 拉

3、伸试样（拉伸试样（GB6397GB6397- -8686） 2. 2. 力力伸长曲线（以低碳钢试样为例）伸长曲线（以低碳钢试样为例） 3. 3. 脆性材料的拉伸曲线脆性材料的拉伸曲线 第一节第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能单向静拉伸载荷下材料的力学性能 长试样：长试样：L L0 0= =1010d d0 0 短试样：短试样：L L0 0= =5 5d d0 0 1. 1. 拉伸试样（拉伸试样（GB6397GB6397- -8686） 第一节第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能单向静拉伸载荷下材料的力学性能 2.2.力力伸长曲线伸长曲线 弹性变形阶段弹性变形阶段 屈服阶段屈服阶段 颈缩现

4、象颈缩现象 拉伸试验拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。 强化阶段强化阶段 第一节第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能单向静拉伸载荷下材料的力学性能 拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象 拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象 3. 3. 脆性材料的拉伸曲线脆性材料的拉伸曲线 （与低碳钢试样相对比）（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。脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。 F L 0 0 第一节第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能单向静拉伸载荷下材料的力学性能 Fs A A0 0 s s= 1.1.屈服点屈服点 应用应用：s s和和0

5、.2 0.2常作为零件选材和设计的依据。 常作为零件选材和设计的依据。 脆性材料的屈服点脆性材料的屈服点 F0.2 0.2 A A0 0 0.2 0.2= 计算公式计算公式 L F 0 0 F0.2 0.2%L0 三、强度指标三、强度指标 第一节第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能单向静拉伸载荷下材料的力学性能 2.2.抗拉强度抗拉强度 b b= F Fb b A A0 0 应用：脆性材料制应用：脆性材料制 作机械零件和工程构件作机械零件和工程构件 时的选材和设计的依据时的选材和设计的依据 。 计算公式计算公式 第一节第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能单向静拉伸载荷下材料的力学性能 拉伸

6、试验录像 四、塑性四、塑性 （二）衡量指标（二）衡量指标 金属材料断裂前发生永久变形的能力。金属材料断裂前发生永久变形的能力。 断面收缩率：断面收缩率： 伸长率：伸长率： 试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。 试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与 原始横截面积的百分比。原始横截面积的百分比。 （一）（一） 定义定义 第一节第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能单向静拉伸载荷下材料的力学性能 l l1- -l l0 0 l l0 0 100%100% = l l1 1试样拉断后的标距试样拉断后的标距, ,mm

7、;mm; l l0 0试样的原始标距试样的原始标距, ,mmmm。 伸长率（伸长率（ ） 第一节第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能单向静拉伸载荷下材料的力学性能 断面收缩率（断面收缩率（ ） S0-S1 S0 = 100% S S0 0试样原始横截面积试样原始横截面积, ,mmmm2 2； S S1 1颈缩处的横截面积颈缩处的横截面积, ,mmmm2 2 。 第一节第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能单向静拉伸载荷下材料的力学性能 结论：结论： 更能反映材料塑性的好坏，更能反映材料塑性的好坏，和和越大，材料塑性就越大，材料塑性就 越好！越好！ 10% 属塑性材料属塑性材料 同一材料同一材

8、料5 5 10 10 任何零件都需要一定塑性，防止过载断裂；塑性变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。形可以缓解应力集中、削减应力峰值。 第一节第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能单向静拉伸载荷下材料的力学性能 第二节第二节 硬硬 度度 （一）布氏硬度（一）布氏硬度 （二）洛氏硬度（二）洛氏硬度 1. 1. 原理原理 2 2. . 应用应用 3 3. . 优缺点优缺点 1 1. . 原理原理 2 2. . 应用应用 3 3. . 优缺点优缺点 4 4. . 实验（录像）实验（录像） 4 4. . 实验（录像）实验（录像） （一）布氏硬度 布氏硬度试

9、验 是指用一定直径的 球体（钢球或硬质 合金球）以相应的 试验力压入式样表 面，经规定保持时 间后卸除试验力， 用测量的表面压痕 直径计算硬度的一 种压痕硬度试验。 图1-4 布氏硬度测试原理 第二节第二节 硬硬 度度 1. 1. 原理原理 布氏硬度布氏硬度= = P P A A凹 凹 = = 2 2F F DD D D- -（D D - -d d ） 第二节第二节 硬硬 度度 表示方法：表示方法： 在符号在符号HBSHBS或或HBWHBW之前写出硬度值，符号后之前写出硬度值，符号后 面的数字按顺序分别写出压头直径、载荷及载面的数字按顺序分别写出压头直径、载荷及载 荷保持时间及载荷保持时间（荷

10、保持时间及载荷保持时间（1010- -1515s s不标注）。不标注）。 如如:120:120HBS10/1000/30HBS10/1000/30表示直径为表示直径为1010mmmm的的 淬火钢球在淬火钢球在10001000kgfkgf（9.807kN9.807kN）载荷作用下保载荷作用下保 持持3030s s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120120。 第二节第二节 硬硬 度度 测量比较软的材测量比较软的材 料。测量范围料。测量范围 HBS450HBS450、HBW650HBW650的的 金属材料。金属材料。 3. 3. 优缺点优缺点 2. 2. 应用应用 压痕大，测量准确压痕大，测量

11、准确 ，但不能测量成品件。，但不能测量成品件。 第二节第二节 硬硬 度度 布氏硬度试验录像布氏硬度试验录像 第二节第二节 硬硬 度度 1. 1. 原理原理 （二）洛氏硬度（二）洛氏硬度 加初载荷加初载荷 加主载荷加主载荷 卸除主载荷卸除主载荷 读硬度值读硬度值 图1-5 洛式硬度测试原理 第二节第二节 硬硬 度度 压痕深度压痕深度h h越大，则硬度值越小越大，则硬度值越小，为了符，为了符 合习惯上的数值越大、硬度越高的思维，采用合习惯上的数值越大、硬度越高的思维，采用 一个常数一个常数C C（K)K)减去压痕深度减去压痕深度h h后的数值表示洛后的数值表示洛 氏硬度。氏硬度。GBGB规定：压头

12、每压入规定：压头每压入0.002mm0.002mm的深度的深度 为一个硬度单位，所以：为一个硬度单位，所以： HR=CHR=C- -h/0.002 h/0.002 无单位无单位 （ 金刚石作压头：金刚石作压头：C=100C=100；直径；直径1.5881.588的淬火钢的淬火钢 球作压头：球作压头：C=130C=130。）。） 为了适应不同材料的硬度测试，采用不同为了适应不同材料的硬度测试，采用不同 的压头与载荷组合成几种不同的洛氏硬度标尺，的压头与载荷组合成几种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后注明，每一种标尺用一个字母在洛氏硬度符号后注明， 如如HRAHRA、HRB

13、HRB、HRC HRC 等等 第二节第二节 硬硬 度度 （2 2）表示方法：）表示方法： 在符号前（有些资料写在后面）直接写出 硬度值如：56HRC、80HRA、60HRB。 （3 3）应用：）应用： 钢的热处理质量检查，主要用于测硬度高 的材料。 洛氏硬度 压头 总载荷 测量范围 适用材料 HRA 120金刚石圆锥 体 588.4 6085 硬质合金材料、表面淬火 钢等 HRB 1.588mm淬火钢 球 980.7 25100 软钢、退火钢、铜合金等 HRC 120金刚石圆锥 体 1471.1 2067 淬火钢、调质钢等 表1-1 常用洛氏硬度的级别及其应用范围 第二节第二节 硬硬 度度 （

14、4 4）特点：）特点： 操作迅速方便； 应用较广：硬度值测量范围较大，能测 材料的表面硬度、薄壁件； 工件表面损伤小：压痕小； 组织粗大且不均匀的材料，测试结果不 准确：压痕小，数值重复性差，措施：至少测 3个点，求平均值。 （5 5）当材料）当材料HBSHBS220220时有：时有： HBS10HRCHBS10HRC 第二节第二节 硬硬 度度 3 3、维氏硬度、维氏硬度 HVHV 维氏硬度计维氏硬度计 维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理 维氏硬度压痕维氏硬度压痕 第二节第二节 硬硬 度度 （1 1）测量原理：）测量原理： 用锥面夹角为136 的金刚石正四棱锥体为压头， 按选定的试验载荷P（常用

15、510kgf）将压头压入，并 保持一定时间，卸载后测量压痕对角线长度d，计算压 痕单位面积F承受的压力大小。 HV = P / F = 1.8544 P / d2 （kgf/mm2) （GB4340-1984） （2 2）表示方法：）表示方法： 在HV之前写出硬度值，后面依次用相应数字注明 试验力和保持时间。例如： 600HV30/20表示采用294.2N（30kg）的试验力， 保持时间20S时得到的硬度值为600。 （3 3）应用：）应用： 适用于软硬金属，尤其适用于极薄（0.3-0.5mm） 零件和渗碳、渗氮工件的硬度测定。 第二节第二节 硬硬 度度 （4 4）特点：）特点： 有连续一致的

16、标尺，负荷可任选，可直接比较； 负荷小，压痕小，压痕轮廓清晰，测量准确； 操作麻烦。 第二节第二节 硬硬 度度 第三节第三节 冲击韧性冲击韧性 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。 (a)试样安装 (b)冲击试验机 图1.5 冲击韧度试验原理 1、7支座 2、3试样 4刻度盘 5指针 6摆锤 试样冲断时所消耗的冲击功试样冲断时所消耗的冲击功A A k k为为: : A A k k = m g H = m g H m g h (J)m g h (J) 冲击韧性值冲击韧性值a a k k 就是试样缺口处单位截面积上所就是试样缺口处单位截面积上所 消耗的冲击功。消

17、耗的冲击功。 AK a k = (J/cm ) F 第三节第三节 冲击韧性冲击韧性 韧脆转变（温度）：韧脆转变（温度）： 材料的冲击韧度一般随温度的下降而降低，当降 低到某温度范围时，材料的冲击韧度明显降低，呈现 脆性，这种现象叫韧脆转变，此温度范围叫韧脆转变 温度。普通碳钢-30 -20 。 第三节第三节 冲击韧性冲击韧性 视频：摆锤式一次冲击试验视频：摆锤式一次冲击试验 第三节第三节 冲击韧性冲击韧性 第四节第四节 疲劳强度疲劳强度 危险！ 机械中的许多零件，如轴、齿轮、螺栓、连 杆、弹簧等，是在方向或大小反复变化的变载荷 作用下工作的，它们工作时所承受的应力即使远 小于材料的强度极限或屈

18、服极限，但经过较长时 间的工作，亦会发生断裂。 材料或零件在交变应力的重复作用下，在远材料或零件在交变应力的重复作用下，在远 小于屈服极限的应力下，而发生断裂的现象小于屈服极限的应力下，而发生断裂的现象称为 疲劳断裂疲劳断裂( (或疲劳破坏或疲劳破坏)。 疲劳断裂具有疲劳断裂具有很大的危险性，常常造成严重 的事故。据统计；损坏的机器零部件中，约有80 都是由于金属疲劳而造成的。 一、疲劳断裂一、疲劳断裂 第四节第四节 疲劳强度疲劳强度 金属材料经受无数次重复交变应力作用不致引起断裂的最大应力金属材料经受无数次重复交变应力作用不致引起断裂的最大应力叫叫 做做疲劳强度疲劳强度或或疲劳极限疲劳极限，

19、用，用- -1 1（D D）表示）表示，通常用表示材料在对称循环通常用表示材料在对称循环 交变应力作用下的弯曲疲劳极限交变应力作用下的弯曲疲劳极限。即材料承受的应力低于疲劳强度时，则。即材料承受的应力低于疲劳强度时，则 可能经受无限次应力循环而不断裂。可能经受无限次应力循环而不断裂。 因实际上不可能进行无数次试验，故各种金属应有一定的应力循环基因实际上不可能进行无数次试验，故各种金属应有一定的应力循环基 数数( (以以N N表示表示) )，钢材的循环次数一般取，钢材的循环次数一般取 N = 10N = 107 7；有色金属的循环次数一；有色金属的循环次数一 般取般取 N = 10N = 108

20、 8；钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系。；钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系。 - -1 1 = (0.45= (0.450.55)0.55)b b 第四节第四节 疲劳强度疲劳强度 二、疲劳强度二、疲劳强度 一般认为是由于材料的质量、零件表 面缺陷或结构设计不当等因素，在零件或 试样的局部区域形成应力集中，而导致微 裂纹(疲劳裂纹核心)的产生。 疲劳裂纹产生后，随应力循环次数的 增加而逐渐扩展，零件的有效截面积逐渐 减小，致使零件不能承受所加载荷而突然 破坏。 三、产生疲劳破坏的原因三、产生疲劳破坏的原因 第四节第四节 疲劳强度疲劳强度 1 1、设计方面设计方面 尽量使用零件避免交角、缺口和

21、截面突变，尽量使用零件避免交角、缺口和截面突变， 以避免应力集中及其所引起的疲劳裂纹。以避免应力集中及其所引起的疲劳裂纹。 2 2、材料方面材料方面 通常应使晶粒细化，减少材料内部存在的通常应使晶粒细化，减少材料内部存在的 夹杂物和由于热加工不当引起的缺陷。如疏松、气孔和夹杂物和由于热加工不当引起的缺陷。如疏松、气孔和 表面氧化等。表面氧化等。 3 3、机械加工方面机械加工方面 要降低零件表面粗糙度值。要降低零件表面粗糙度值。 4 4、零件表面强化方面零件表面强化方面 可采用化学热处理、表面淬火、可采用化学热处理、表面淬火、 喷丸处理和表面涂层等，使零件表面造成喷丸处理和表面涂层等，使零件表面造成压应力压应力，以抵，以抵 消或降低表面拉应力引起疲劳裂纹的可能性。消或降低表面拉应力引起疲劳裂纹的可能性。 四、提高零件疲劳强度的措施四、提高零件疲劳强度的措施 第四节第四节 疲劳强度疲劳强度 19431943年美国年美国T T- -2 2油轮发生断裂油轮发生断裂 第四节第四节 疲劳强度疲劳强度 视频：纯弯曲疲劳试验 第四节第四节 疲劳强度疲劳强度