第1篇工程材料的基本知识
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三 重点与难点
• 1、金属的强度、硬度、韧性。 • 2、铁碳合金相图及其应用。
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第1章 工程材料的基本知识
• 1.1 金属材料
• 1.1.1 金属材料的力学性能
• 1.强度和塑性
• (1)强度 • 金属材料在外载荷的作用下抵抗塑性变形和断裂的
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温度对冲击韧性值的影响 机械制造基础
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• 3.疲劳强度和蠕变强度
• (1)疲劳强度
• 金属材料经受无数次交变载荷作用而不引起断裂的 最大应力称为材料的疲劳强度,疲劳强度的测定方 法依据CB/T 4337-1984《金属旋转弯曲疲劳试验方 法》进行。
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洛氏硬度试验原理示意图
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0-0为圆锥体压头的初 始位置,即压头没有 与被测金属表面接触 时的位置;1-1为在初 载荷l0kgf(98.07N)作 用下,压头压入深度 为b处;
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• 2-2为加入主载荷后,压头压人深度为c处的位置; 3-3为卸除主载荷后,被测金属弹性变形恢复,使 得压头向上回升压人深度为d处的位置。于是.压 头受主载荷作用实际压人被测金属表面产生塑性变 形的压痕深度为bd,用bd值的大小来衡量被测金属 的硬度。若bd值愈大,则被测金属的硬度愈低,反 之,则愈高。为适应习惯上数值愈大,硬度愈高的 概念,常用一常数K减去bd/0.002作为硬度值。
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• 布氏硬度试验原理示意图
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• 布氏硬度的计算方法
2F HB =0.102
D(D- D2-d2)
• 压头为钢球时的布氏硬
布 氏
度表示为HBS
硬 度
• 压头为硬质合金球时的
压 痕
布氏硬度表示为HBW
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• 请同学们思考: 1、120HBS10/1000/30的含义? 2、180HBS15/1200/50的含义?
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• (2)含碳量对铁碳合金性能的影响
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• 4.合金相图的应用 • (1)选材方面(切削性能:中碳钢好); • (2)铸造方面(共晶合金好); • (3)可锻焊接方面(低碳钢好); • (4)热处理性能: 第2章介绍。
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• 1.2 非金属材料的力学性能
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• (1)布氏硬度
• 布氏硬度的测定原理是用一定直径D的压头,在规 定载荷F的作用下,压入被测金属表面,如图1-3所 示,经规定的保持时间后,卸除载荷,测量被测试 金属表面上所形成的压痕直径d,用载荷与压痕球 形表面积的比值作为布氏硬度值,用符号HBS(用淬 火钢球作压头)或HBW(用硬质合金球作压头)表示。
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• 2.硬度
• 硬度是指金属材料抵抗比它硬的物体压入其表面的 能力。即抵抗局部塑性变形的能力。一般来说,硬 度越高,耐磨性越好,强度也比较高。
• 在目前生产中,测定硬度的方法最常用的是压入硬 度法。
• 测定硬度的方法很多,生产中应用广泛的有布氏硬 度和洛氏硬度材料的基本知识
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一 目的与要求
• 了解材料的力学性能和各状态的组织结构。 • 掌握金属的强度、硬度、韧性,并能够判断出
金属的机械性能的优劣。 • 掌握铁碳合金相图。
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二 教学内容
• 本章将介绍常用工程材料的概况与分类,其中 重点分析金属材料的力学性能,包括强度(屈服 强度、抗拉强度)塑性、硬度冲击韧性、疲劳 强度;并将介绍铁碳合金相图、铁碳合金的基 本组织、含碳量对铁碳含金组织与性能的影响 及铁碳合金相图的应用。
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• 1.1.2 铁碳合金相图
• 1.铁碳合金的基本组织
• 工铁碳合金在液态时可以无限互溶,在固态下,碳 可溶于铁中形成固溶体。当含碳量超过固态溶解度 时,则可形成化合物(如Fe3C)。此外,还可形成由 固溶体和化合物组成的机械混合物。
• 2.铁碳合金相图 • 铁碳合金相图是由实验方法获得的。
• 1.强度 • 陶瓷等脆性材料的强度用弯曲试验的方法测定;高
聚合物的强度用拉伸实验测定。 • 2.变形 • 松弛的概念 • 蠕变的概念 • 注意:非金属在变形方面的评测指标较金属为多。
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• ①屈服强度
• 常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。材料 产生屈服现象时的最小应力值称为屈服强度, 用符号σs (MPa)表示:
σs = Fs/s0
• 式中:Fs——屈服时的最小载荷(N);
•
S0——试样的原始横截面面积(mm2)。
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• 工程上规定:将此 试样的塑性变形量 为试样原标距长度 的0.2%时的应力 值,称为条件屈服 强度,用符号σ0.2 (MPa)表示
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图中:L为液相;A为奥氏体相;F为铁素体相;Fe3C(Fe3C1,Fe3C2)为渗碳体相; P为珠光体相(是F相和Fe3C相的机械混合物);L2为莱氏体相
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• 3.含碳量对铁碳合金组织与性能的影响 • (1)含碳量对铁碳合金组织的影响
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σb≈3.25 HBS(MPa)
• 灰铸铁
σb≈0.98 HBS(MPa)
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• 3.冲击韧性
• 金属抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力称为冲击 韧性。金属材料的冲击韧性是通过冲击试验测定的。
• 冲击韧性值愈大,则材料的韧性愈好;反之,则韧 性愈差,脆性愈大。在试验中发现,冲击韧性值的 大小与试验的温度有关。为了测定金属材料开始发 生这种冷脆现象的温度,可在不同温度下进行一系 列冲击试验。
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• 洛氏硬度用符号HR表示,可以直接由硬度计表盘上 读出,无单位。
HR=K- bd 0.002
• 式中:K——常数。用金刚石圆锥体作压头时,K为 100;用淬火钢球作压头时,K为130。
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常用洛氏硬度的实验条件及应用范围
硬度 符 号
压头类型
总载荷F(K gf)/ N
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• 根据压头类型和主 载荷不同,分为九 个标尺,常用的标 尺为A、B、C。
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• (3)硬度与抗拉强度的关系
• 下列公式为经验公式,供参考:
• 低碳钢(<176 HBS) σb ≈3.6 HBS(MPa)
• 高碳钢(>175 HBS) σb≈3.45 HBS(MPa)
• 合金调质钢
硬度值有 效范 围
应用举例
HRA
120°金刚 石圆锥 体
60(588.4)
70~85
硬质合金、表 面淬火、 渗碳等
HRB
Φ1.588mm 钢球
100(980.7)
25~100
有色金属、退 火、正火 等
HRC
120°金刚 石圆锥 150(1471.1) 体
20~67
淬火钢、调质 钢等
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• (2)洛氏硬度
• 洛氏硬度的测定原理是用顶角为120°的金刚石圆 锥体压头或直径为1.588mm的淬火钢球压头,在初 载荷与初、主载荷先后作用下,将压头压人被测金 属表面,经规定的保持时间后卸除主载荷,根据残 余压痕深度来确定金属的洛氏硬度值。
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轴的疲劳断口
疲劳裂纹(扫描电镜照片)
• 通过改善材料的形状结构,减少表面缺陷,提高表面光洁 度,进行表面强化等方法可提高材料疲劳强度。
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(2)蠕变强度和持久强度
金属在高温长时间应力作用下,即使所加应力小于 该温度下的屈服强度,也会逐渐产生明显的塑性变 形直至断裂的现象称为蠕变。在长期高温载荷的作 用下,金属材料对塑性变形的抵抗能力称为蠕变强 度。金属材料抵抗断裂的能力称为持久强度。对于 在高温条件下工作的零件,必须考虑蠕变强度或持 久强度。
式中:Fb——试样断裂前所承受的最大载荷(N)。
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• (2)塑性
• ①伸长率 • 试样拉断后的标距伸长量与原始标距长度的百分比称
为伸长率,用符号δ表示,即
d = lk - l0 × 100%
l0
• 式中:lk ——试样被拉断时的标距长度(mm);
•
l0 ——试样原始的标距长度(mm)
能力称为强度,强度可分为屈服强度、抗拉强度、 抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。各种强度之间 有一定的关系,工程上应用最普遍的是屈服强度和 抗拉强度。
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• 图1-1 标准拉伸试样
• 测定材料强度指标通常采用拉伸试验法,拉伸 试验应按国标GB/T 6397-1986进行,图1-1为国 家标准规定的标准拉伸试样。
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σ F S = / 0.2
0.2
0
• 式中:F0.2 ——试样塑性变形量为原标距长度的
0.2%时的载荷(N) ;
•
S0 ——试样的原始横截面面积(mm2)。
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• ②抗拉强度 • 材料被拉断前所能承受的最大载荷时的应力值