当前位置:文档之家› 第一章 工程材料的力学性能

第一章 工程材料的力学性能

第一章金属材料的力学性能
学习目的和要求:
学习目的在于了解工程材料力学性能的物理意义,熟悉金属主要的力学性能指标,以便在设计机械时,根据零件的技术要求选用材料,或在编制金属加工工艺时参考。

学完本章后,要求在掌握概念的基础上,熟悉有关术语、符号意义及应用场合,并了解测定方法。

学习重点:
1、掌握强度、塑性、韧性、硬度的概念、物理意义及应
用;
2、掌握布氏硬度和洛氏硬度的优缺点及应用场合。

学习难点:
1、疲劳强度和断裂韧性的概念及应用。

§1-1 材料的强度与塑性
材料的力学(机械)性能,是指材料受不同外力时所表现出来的特性,这种特性是机器安全运转的保证。

所以机械性能是设计机械时强度计算和选用材料的基本依据,是评价材料质量和工艺强化水平的重要参数。

常用的机械性能指标,都是在特定条件下用规定的测试方法获得的,因为与实用工作状况不尽相同,所以选用数据时应考虑安全系数。

一、弹性与刚度
1、弹性:材料在外力作用下产生变形,当外力去掉
后能恢复其原来形状的性能。

2、弹性极限(σe ):材料承受最大弹性变形时的应力。

3、刚度:材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力。

指标
为弹性模量
4、弹性模量(E ):应力与应变的比值,物理意义是产
生单位弹性变形时所需应力的大小,表征材料产生弹性变形的难易程度。

弹性模量是材料最稳定的性能之一,其大小主要取决于材料的本性,随温度升高而逐渐降低,材料的强化手段(如热处理、冷热加工、合金化等)对弹性模量影响很小。

提高金属制品的刚度,可以通过更换金属材料、改变截面形状、增加横截面面积。

为什么弹簧还要进行热处理?弹簧进行热
处理的目的是什么?
二、强度
韧性材料拉伸曲线 脆性材料拉伸曲线
1、强度:材料在外力作用下抵抗永久变形(塑性变形)
和断裂的能力。

根据载荷的性质不同,有抗拉、抗弯、弯曲、剪切、扭转等几种强度。

2、常用强度指标:屈服强度(σS )、抗拉强度(σb )、
条件屈服强度(σ0.2)(对于在拉伸过程中屈服现象不明显的材料,规定以残余变形量为0.2%时的应力)、屈强比b s δδ(其值越高,材料强度的有效利用率越高;
但过高,塑性储备小,可靠性差,一般以0.75~0.80左右为宜)
机械零部件或构件在使用过程中一般不允许发生塑性变形,材料的屈服强度是评价材料承载能力的重要力学性能指标。

三、塑性
1、塑性:材料在外力作用下产生塑性(永久)变形而不
破坏的性能。

2、常用塑性指标:
延伸率(伸长率)(δ)%10000⨯-=l l l δ
δ10与δ5的区别
断面收缩率(ψ)%10000⨯-=S S S ψ
断面收缩率的数值不受试样尺寸的影响,用断面收缩率表示材料的塑性更能接近材料的真实应变。

断面收缩率和延伸率(伸长率)愈大,说明材料的塑性愈好。

材料的塑性好,在接受焊接及变形加工时容易保证质量,在服役中不会因超载而突然断裂,
较为安全。

但塑性过高,会限制材料强度水平的发挥,
所以设计机械零件时应使强度和塑性适当匹配,在提
高强度的同时,保证有足够的塑性储备,一般要求δ
在5~10%。

§1-2 材料的硬度
一、硬度:材料抵抗更硬的物体压入其表面的能力。

许多机械零件和工、模具,必须具有相当的硬度,才能保证使用性能和寿命。

编制切削和冷冲压工艺规程时,硬度是主要考虑的因素之一。

同时,因为硬度是机械性能的综合体现。

所以有些机械零件只对材料的性能提出硬度要求。

硬度试验无需专门试样,又不破坏工件,而且操作简单、迅速。

所以,在生产中广泛应用硬度指标。

一般情况下,材料的硬度越高,其耐磨性就越好。

材料的硬度与其的力学性能(如强度、耐磨性)和工艺性能(切削加工、可焊性)之间存在一定的对应关系。

二、硬度:材料对局部塑性变形的抵抗能力。

根据硬度试验的方法不同,可有多种硬度指标。

它们各有不同的优缺点和使用范围。

工业上常用的是压入法测定的硬度指标。

三、常用硬度指标:布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)、维氏硬度(HV)
布氏硬度是在规定载荷下,采用压入钢球法测定的。

其主要优点是测量结果准确。

但由于压头为淬火钢球,为了防止钢球变形影响精度,故不能测HB>450的材料,主要用于
测试结构钢、铸铁、有色金属。

另外,由于压痕较大,也不适于测成品件及过薄的零件。

根据载荷与压头种类的匹配不同,可测出各种洛氏硬度值,常用的有三种:即HRC、HRB、HRA。

与布氏硬度法比较,洛氏硬度试验操作简单、迅速、压痕小,可直接读出硬度值,不会损坏零件表面,用于测量成品或半成品零件的硬度;但由于压痕很小,当金属材料组织不均匀时回影响测量精度,故常测3 5点后取其平均值。

维氏硬度试验与前两种硬度比较,有许多优点。

既不象布氏硬度试验时受载荷与压头直径比例关系的约束,所用载荷小,也不存在压头变形问题。

由于压痕清晰,采用对角线平均长度计算,精确可靠,硬度值误差小,测量精度高于布氏硬度和洛氏硬度。

同时,能测量从极软材料(HV10)到极硬材料(HV1000),而不需要更换标尺,还特别适于测量极薄件和渗碳层、渗氮层、电镀层等。

其不足之处是试验速度不如洛氏硬度试验高,故不宜用于大批量生产的常规试验。

§1-3 材料的冲击韧性
冲击韧性:材料抵抗冲击载Array荷而不破坏的能力。

由于冲击载荷的加载速度
大,使材料的塑性下降,脆性增
加,所以其破坏性比静载荷大。

根据冲击载荷能量的不同,分为
一次冲击韧性和小能量多次冲击抗力。

一、一次冲击韧性
在工程上,常用一次冲击弯曲试验测定的冲击值(αk )表示冲击韧性。

二、多次冲击韧性
多次冲击韧性是体现材料强度与塑性的综合指标。

当冲击能量高时,材料的多冲抗力主要取决于塑性;冲击能量低时,则主要取决于强度。

必须指出,一次冲击韧性值高,多次冲击韧性不一定好。

例如某厂生产的锻锤锤杆(45钢),原采用调质(HB227-238),αk 值很高,但在使用中常常早期折断;后改为淬火+中温回火(HRC40-45)改善了多次冲击韧性,大大提高了寿命。

这说明了机械零件的强度与塑性适当匹配的重要性。

§1-4 材料的疲劳强度
一、交变载荷:载荷的大小和方向随时间呈周期性的循环变
化。

二、疲劳断裂:材料在交变载荷作
用下发生的断裂现象。

三、疲劳强度: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。

在实际生产中,提高疲劳强度的方法:
1、通过合理选材、细化晶粒、减少材料和零件的缺陷;
2、改善零件的结构设计,避免应力集中;
3、降低零件的表面粗糙度(提高零件的表面光洁度);
4
、对零件表面进行强化处理(喷丸处理、表面淬火、
化学热处理等)
§1-5 材料的断裂韧性
一、问题的提出
低应力脆断——断裂力学
二、应力场强度因子K I
前面所述的力学性能,都是
假定材料内部是完整、连续的,
但是实际上,内部不可避免的存
在各种缺陷(夹杂、气孔等),
由于缺陷的存在,使材料内部不
连续,这可看成材料的裂纹,在
裂纹尖端前沿有应力集中产生,形成一个裂纹尖端应力场。

表示应力场强度的参数——应力强度因子(K I ),其表达式为:πασ=I K
式中:σ——外加应力(MPa );
α——裂纹的半长(m )
三、断裂韧性
对于一个有裂纹的试样,在拉伸载荷作用下,当外力逐渐增大,或裂纹长度逐渐扩展时,应力强度因子也不断增大,当应力强度因子K I 增大到某一值时,就可使
裂纹前沿某一区域的内应力大到足以使材料产生分离,从而导致裂纹突然失稳扩展,即发生脆断。

这个应力强度因子的临界值,称为材料的断裂韧性,用K IC表示,它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性
断裂的能力。

当K I>K IC时,裂纹失稳扩展,发生脆断。

K I=K IC时,裂纹处于临界状态
K I<K IC时,裂纹扩展很慢或不扩展,不发生脆断。

K IC可通过实验测得,它是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。

是材料的一种固有特性,与裂纹本身的大小、形状、外加应力等无关,而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。

四、应用
断裂韧性是强度和韧性的综合体现。

1、探测出裂纹形状和尺寸,根据K IC,制定零件工作是
否安全K I≥K IC,失稳扩展。

2、已知内部裂纹2a,计算承受的最大应力。

3、已知载荷大小,计算不产生脆断所允许的内部宏观
裂纹的临界尺寸。

相关主题