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1、第一章 金属材料的力学性能,材 料 的 性 能,使用性能,工艺性能,力学性能,物理性能,化学性能,铸造性能,锻压性能,热处理性能,焊接性能,力学性能,定义:是指金属材料在外力的作用下所表现出来的抵抗能力。,力 学 性 能,强度,硬度,断裂韧度,疲劳,主要指标：,塑性,韧性,第一节 强度与塑性强度塑性,拉伸试验,拉伸试验,拉伸试验机,液压式万能电子材料试验机,*拉伸试样：,长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0,力伸长曲线,O,屈服,弹性变形,缩颈,断裂,塑性变形,塑性变形:外力去除后不能消失的变形,弹性(elasticity):金属材料受外力作 用时产生变形,当外力去掉后能恢复 到原来形状
2、及尺寸的性能。,弹性变形(elastic deformation):随载荷撤除而消失的变形。,拉伸试样的颈缩现象,力伸长曲线,O,屈服,弹性变形,缩颈,断裂,塑性变形,强度(strength):材料在力的作用下抵抗 变形和破坏的能力。,种类:抗拉强度、抗压强度、抗弯强 度、抗剪强度、抗扭强度等。,(2)屈服强度(yield strength):屈服点 S,规定残余伸长应力：r0.2=Fr0.2/S 0,(3)抗拉强度(tensile strength):试样在断裂前所能承受的最大应力。,力 学 性 能,强度,硬度,韧性,断裂韧度,疲劳,主要指标：,塑性,塑性(plasticity):是指材料在
3、载荷作用下 产生塑性变形而不被破坏的能力。,(1)断面收缩率(percentage reduction in area):是指试样拉断处横截面积S 1 的收缩量与原始横截面积S0之比。,(2)断后伸长率(延伸率)specific elongation:是指试样拉断后的标距伸长量L 1与原始标距L 0之比。,10%属塑性材料,长试样：10 简写为短试样：5,同一种材料的5 10,第二节 硬度(hardness),1.定义：是指材料抵抗其它更硬物体压入其表面的能力。,2.硬度试验方法：（1）压入法（2）划痕法（3）回跳法,布氏硬度HB 洛氏硬度HR 维氏硬度HV,压入法,(一)布氏硬度HB(Bri
4、nell-hardness),观看布氏硬度,1.压头：,淬火钢球 HBS硬质合金钢球 HBW,2.试验原理：,用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后，测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值。,F F HB=S Dh,D h=2,D d 2 2,2,2,布氏硬度值450的材料,选用淬火钢球压头,例如：200HBS 350HBS,布氏硬度值450650的材料,选用硬质合金球压头,例如：550HBW 600HBW,3.标注：,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、载荷及载荷保持时间。如:120HBS10/1000/30表示直径为
5、10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。,4.特点：,优点：,测量误差小（因压痕大），数据稳定，重复性强。,缺点：,压痕面积较大，测量费时。,应用：,常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火钢材的硬度。,不适于测量成品零件或薄件的硬度。,(二)洛氏硬度 HR(Rockwll hardness),观看洛氏硬度,1.压头：,120金刚石圆锥体钢球钢球,HRAHRC,HRB,2.试验原理：,用锥顶角为120的金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后卸除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出硬
6、度值。,h1,h2,h3,h,1-1 初载10kg h1,2-2 总载150kg h2,3-3 卸载140kg h3,最后测得：残余压痕深度增量 h,HR=C-h/0.002,h=h3-h1,HR=h/0.002,洛氏硬度值的表示：,7085HRA25100HRB2070HRC,HRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不可直接比较大小,例如：50HRC40HRC,3.特点：,优点：,测量操作简单，方便快捷，压痕小；测量范围大，能测较薄工件。,缺点：,测量精度较低，可比性差，不同标尺的硬度值不能比较。,是生产中应用最广 泛的硬度 试验方法。可用于成品检验和薄件表面硬度检验。不适于测量组织不均匀材料
7、。,应用：,(三)维氏硬度 HV(diamond penetrator hardness),维氏硬度计,1.压头：,锥面夹角为136的金刚石正四棱锥体,2.试验原理：,与布氏硬度试验原理基本相同。只是压头改用了金刚石四棱锥体。,以一定的试验力将压头压入试样表面，保持规定时间卸载后，在试样表面留下一个四方锥形的压痕，测量压痕两对角线长度，以此计算出硬度值。,2.试验原理：,用压痕两对角线的平均长度来计算。,H V=F/S,3.标注：,与布氏硬度基本相同，在后面要标注试验条件试验力和保持时间（1015S不标）。,例：580HV30表示用30kgf(294.2N)试验力保持1015S测定的维氏硬度值
8、为580。,4.特点：,优点：,适用范围广，从极软到极硬材料都可测量;测量精度高，可比性强；能测较薄工件。,缺点：,测量操作较麻烦，测量效率低。,应用：,广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度检验。,不适于大批生产和测量组织不均匀材料。,第三节 冲击韧度韧性(toughness):,材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。,1.定义：,冲击试验机,冲击试样和冲击试验示意图,2.金属的夏比冲击试验:,试样冲断时所消耗的冲击功A k为:,A k=m g H m g h(J),g,冲击韧度ak 就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸收功。,3.韧脆转变温度:,-40,-20,0,20,20,40,6
9、0,ak,T(c),T，ak急剧韧性脆性,金属材料的韧脆转变温度，材料的低温冲击韧性愈好。,1、疲劳现象,零件在循环应力的作用，即使工作时承受的应力低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，在经受一定的应力循环后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳。,第四节 疲劳（fatigue）,2、疲劳极限-1:表示金属材料在无数次交变载荷作 用而不破坏的最大应力。,疲劳曲线,钢材的循环次数一般取 N=107,有色金属的循环次数一般取 N=108,3、提高疲劳极限途径,改善零件的结构形状,降低表面粗糙度值,采取表面强化,1943年美国T-2油轮发生断裂,第五节 断裂韧度,1、低应力脆断 有些零件在工作应力远远低于
10、屈服点时就会发生脆性断裂。这种现象称为低应力脆断。,式中：Y_裂纹的几何形状因子;_外加应力（N/mm2）；a_裂纹的半长（mm）；K1_ 强度因子（MPam1/2或MNm-3/2）当K1达到临界值K1C时，零件内裂纹将发生失稳扩展而出现低应力脆性断裂，而K1K1C时，零件安全可靠。,2、应力场强度因子,当K1达到临界值K1C时，零件内裂纹将发生失稳扩展而出现低应力脆性断裂，而K1K1C时，零件安全可靠。,3、断裂韧度K1C,材料抵抗裂纹扩展的能力断裂韧度表示。,反应材料有裂纹存在时，抵抗脆性断裂的能力。K1c可通过试验来测定，它是材料本身的特性，与材料成分、热处理及加工工艺等有关。为安全设计
11、提供了一个重要的力学性能指标,常见工程材料的断裂韧度K1C值（MNm-3/2）,根据K1=Ya K1C的临界判据知：为使零件不发生脆断，设计者可以控制三个参数：材料的断裂韧度K1C、名义工作应力和零件内的裂纹长度a，它们之间的定量关系能直接用于设计计算，可以解决以下三方面的工程实际问题：,1）根据零件的实际工作应力和其内可能的裂纹尺寸a，确定材料应有的断裂韧度K1C，为正确选材提供依据；2）根据零件所使用的材料断裂韧度K1C及已探伤出的零件内存在的裂纹尺寸a，确定零件的临界断裂应力C，为零件最大承载能力设计提供依据；3）根据已知材料的断裂韧度K1C和零件的实际工作应力，估算断裂时的临界裂纹长度aC，为零件的裂纹探伤提供依据。,物理性能,物理性能，不仅对工程材料的选用来说，有着重要的意义；而且也会对材料的加工工艺产生一定的影响。（一）密度（二）热学性能 熔点；热容；热膨胀；热传导（三）电学性能 电阻率；电阻温度系数；介电性（四）磁学性能 磁导率；饱和磁化强度Ms和磁矫顽力c,化学性能,材料在生产、加工和使用时，均会与环境介质发生化学反应，从而使其性能恶化或功能丧失。（一）化学腐蚀（二）电化学腐蚀(三）提高零件耐蚀性的主要措施铝,作业：P11：习题3，4，5，6。,
