（中职）机械工程材料第一章金属材料的性能教学课件.ppt

（中职）机械工程材料第一章 金属材料的性能ppt课件教学目标教学目标教学目标教学目标：1、掌握金属材料的力学性能。、掌握金属材料的力学性能。2、明确金属材料强度与塑性的测试原理、表示方法及应用。、明确金属材料强度与塑性的测试原理、表示方法及应用。3、硬度、韧性的测试原理、表示方法及应用。、硬度、韧性的测试原理、表示方法及应用。机械工程材料第一章 金属材料的性能 机械工程材料专题一专题一 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 金金属属材材料料的的力力学学性性能能是是指指金金属属在在外外力力作作用用下下所所表表现现出出来来的的抵抵抗抗能能力力。包包括括：强强度度、硬硬度度、塑塑性性、冲冲击击韧韧性性、疲疲劳劳强强度度等等。在在设计与制造机械设备选用金属材料时，是以力学性能为主要依据。设计与制造机械设备选用金属材料时，是以力学性能为主要依据。一、载荷一、载荷 金属所受的外力称载荷，可载荷分为：金属所受的外力称载荷，可载荷分为：1、静、静 载载 荷：大小不变或变化缓慢的载荷；荷：大小不变或变化缓慢的载荷；2、冲击载荷：、冲击载荷：在短时间内以较高速度突然增加的载荷；在短时间内以较高速度突然增加的载荷；3、交变载荷：大小或方向随时间作周期性变化的载荷。、交变载荷：大小或方向随时间作周期性变化的载荷。根据载荷作用形式不同，可分为拉伸、压缩、弯曲、剪切和根据载荷作用形式不同，可分为拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转等几种形式。扭转等几种形式。机械工程材料专题二专题二 强度与塑性强度与塑性 强度指金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂破坏强度指金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂破坏的能力。可分为抗拉强度、抗扭强度、抗压强度、的能力。可分为抗拉强度、抗扭强度、抗压强度、抗弯强度和抗抗弯强度和抗剪强度等五种形式。它是剪强度等五种形式。它是通过拉伸试验测得其值得大小的。通过拉伸试验测得其值得大小的。强度判据：屈服点强度判据：屈服点 （屈服强度）、抗拉强度。（屈服强度）、抗拉强度。如如图图1-2所所示示。图图中中d0为为原原始始试试样样直直径径；L0为为原原始始试试样样的的标标距距长长度度。标标准准试试样样（长长试试样样）：（L0=10d0）；短短试试样样：（L0=5d0）。如如图图1-3 所示所示为低碳钢拉伸曲线示意图为低碳钢拉伸曲线示意图1、拉伸试验及拉伸曲线、拉伸试验及拉伸曲线 常常用用的的强强度度测测定定方方法法广广泛泛使使用用的的是是拉拉伸伸试试验验机机,如如图图1-1所所示。圆柱形拉伸试样。示。圆柱形拉伸试样。机械工程材料 图图1-1 拉伸试验机拉伸试验机图图1-2 圆柱形标准拉伸试样圆柱形标准拉伸试样（a a）拉伸试样）拉伸试样 （b b）试样拉断后示意图）试样拉断后示意图 机械工程材料blF0 图图1-3 低碳钢拉伸曲线示意图低碳钢拉伸曲线示意图(k)FkFbFsFe SeS=FSS0 2、强度指标强度指标（1）屈服点屈服点S ：屈服点（：屈服点（MPa）FS：试样屈服时的载荷（：试样屈服时的载荷（N）S0：试样原始横截面积（：试样原始横截面积（m m 2）对于屈服现象不明显的材料，对于屈服现象不明显的材料，国家标准规定，用残余应力国家标准规定，用残余应力0.2表表示，称条件屈服强度。示，称条件屈服强度。0.2=F0.2S0 0.2 ：条件屈服强度（：条件屈服强度（MPa）、）、F0.2 ：试样残余伸长达到：试样残余伸长达到 机械工程材料 是是指指金金属属材材料料在在载载荷荷作作用用下下，产产生生塑塑性性变变形形（永永久久变变形形）而不破坏的能力。而不破坏的能力。（2）抗拉强度抗拉强度 b：抗抗拉拉强强度度（MPa）、FS：试试样样拉拉断断前前所所承承受受的的最最大大载载荷荷（N）、）、S0 ：试样原始横截面积（：试样原始横截面积（m m 2）b=FbS0 3、塑性、塑性 （1）断后伸长率）断后伸长率 =（L 1-L 0）/L 0 100%：断后伸长率断后伸长率%、L 1 ：试样拉断后对接后的标距长度：试样拉断后对接后的标距长度0.2%时的载荷（时的载荷（N）、）、S0：试样原始横截面积（：试样原始横截面积（m m 2）。）。机械工程材料 断断后后伸伸长长率率与与断断面面收收缩缩率率是是金金属属材材料料的的两两个个重重要要塑塑性性指指标标，它它反反映映了了金金属属材材料料塑塑性性变变形形的的能能力力大大小小。两两者者值值越越大大材材料料塑塑性性越越好好，反反之之越越差差。塑塑性性好好的的的的材材料料，在在受受力力过过大大时时首首先先产产生生塑塑性性变变形形而而不不致致于于突突然然断断裂裂。因因此此大大多多数数机机械械零零件件除除了了要要求具有足够的强度外。还应具有一定的塑性。求具有足够的强度外。还应具有一定的塑性。（2）断面收缩率）断面收缩率 =（S1-S0）/S0 100%：断断面面收收缩缩率率%、S0：试试样样断断前前原原始始横横截截面面积积（mm 2）、S1：试样拉断后颈缩处的横截面积试样拉断后颈缩处的横截面积（mm 2）。）。（mm）、）、L 0 ：试样原始标距长度：试样原始标距长度（mm）一、硬度一、硬度 机械工程材料专题三专题三 硬度、冲击韧性与疲劳强度硬度、冲击韧性与疲劳强度Dd工件工件压头：钢球压头：钢球或硬质合金或硬质合金图图1-4 布氏硬度试验原理图布氏硬度试验原理图 硬硬度度是是指指金金属属材材料料抵抵抗抗局局部部变变形形，特特别别是是塑塑性性变变形形、压压痕痕或或划划痕痕的的能能力力。是是衡衡量量金金属属软软硬硬程程度度的的指指标标。测测定定硬硬度度方方法法最最常用的是压入硬度法。常用的是压入硬度法。根根据据被被压压入入程程度度来来测测定定其其硬硬度度值值。常常用用的的硬硬度度试试验验方方法法有有：布布氏氏硬硬度度、洛洛氏氏硬硬度度、维氏硬度维氏硬度 1 1、布氏硬度、布氏硬度 测试原理：用载荷测试原理：用载荷 机械工程材料F F把直径为把直径为D 的淬火钢球压试件表面，并保持一定时间，而后的淬火钢球压试件表面，并保持一定时间，而后卸除载荷，测量钢球在试样表面上所压出的压痕直径卸除载荷，测量钢球在试样表面上所压出的压痕直径d从而计从而计算出压痕球面积算出压痕球面积S然后然后,再计算出单位面积所受的力（再计算出单位面积所受的力（F/S值），值），用此数字表示试件的硬度值，即布氏硬度，用符号用此数字表示试件的硬度值，即布氏硬度，用符号HB表示，表示，布氏硬度试验原理如图布氏硬度试验原理如图1-4所示。所示。D/（D-D 2-d 2 ）2 F HBS(W)=F/S F:实实验验力力（N）、D:压压头头球球体体直直径径 (mm)、S:压压痕痕面面积积(mm2)、d:压痕平均直径压痕平均直径(mm)。HBS:表示用淬火钢球做压头、表示用淬火钢球做压头、HBW:表示用硬质合表示用硬质合金球做压头。金球做压头。机械工程材料 一一般般布布氏氏硬硬度度不不用用计计算算，而而是是用用专专用用刻刻度度放放大大镜镜量量出出压压痕痕直直径径d，再再通通过过查查布布氏氏硬硬度度值值表表，即即可可得得到到相相应应布布氏氏硬硬度度值值，布布氏氏硬硬度度计计,如图如图1-5所示。所示。图图1-5 布氏硬度计布氏硬度计说明：说明：（1 1）压头为淬火钢球用）压头为淬火钢球用HBS表表示。当数值小于示。当数值小于450，用于测量有，用于测量有色金属、退火或正火钢件、灰铸铁色金属、退火或正火钢件、灰铸铁等材料。等材料。（2）压头为硬质合金用）压头为硬质合金用HBW 表示，数值表示，数值450650。机械工程材料生产中一般不用生产中一般不用HBW来测量材料的硬度。来测量材料的硬度。（3）表示法：数字在前、字母在后。如：）表示法：数字在前、字母在后。如：200HBS、175HBS.标注时不要写成标注时不要写成HBS=200，或，或 HBS=175，或，或500HBS，不，不要出现单位；数值差不要超过要出现单位；数值差不要超过30。（4）主要用于钢铁及有色金属原材料的检验，也可用于退火、主要用于钢铁及有色金属原材料的检验，也可用于退火、正火钢的硬度性能检验正火钢的硬度性能检验不宜测量薄件、成品件不宜测量薄件、成品件,因压痕大。因压痕大。测试原理测试原理 用用120的金刚石圆锥或尺寸很小的淬火钢球作为的金刚石圆锥或尺寸很小的淬火钢球作为压头，在一定的压力作用下，压入材料表面，在指示盘上显示出压头，在一定的压力作用下，压入材料表面，在指示盘上显示出硬度值大小，如图硬度值大小，如图1-6所示。所示。洛氏硬度计如图洛氏硬度计如图1-7所示所示。因施加压力和压头材料不同共有因施加压力和压头材料不同共有A、B、C三种三种标尺。常用的标尺。常用的 2、洛氏硬度、洛氏硬度 。机械工程材料图图1-6 洛氏硬度试验原理图洛氏硬度试验原理图 图图1-7 洛氏硬度计洛氏硬度计 是是HRC 表示表示,没有单位，如没有单位，如:HRA、HRB、HRC等。等。机械工程材料 测测试试原原理理 维维氏氏硬硬度度试试验验原原理理如如图图1-8所所示示，与与布布氏氏硬硬度度试试验验原原理理相相同同。不不同同之之处处在在于于，维维氏氏硬硬度度采采用用的的压压头头为为对对面面夹夹角角1360的的金金刚刚石石正正四四棱棱锥锥体体，试试验验力力调调整整为为5100 kgf则则被被测测材材料料的的硬硬度度值用公式表示为值用公式表示为:HV=F/S=1.8544 F/d2。说明：说明：（1 1）数字在前、字母在后，如）数字在前、字母在后，如44HRC；36HRC42HRC。（2 2）HRC适用范围数值适用范围数值2070；小于或大于这个范围均为标注错小于或大于这个范围均为标注错误如：误如：17HRC；75HRC等。等。（3 3）在图纸标注时注意数值差应）在图纸标注时注意数值差应5 5，否则为标注错误。，否则为标注错误。（4 4）适用于测量硬度较高的材料，如：淬火钢件、测量成品件）适用于测量硬度较高的材料，如：淬火钢件、测量成品件或半成品件。因压痕较小。或半成品件。因压痕较小。3 3、维氏硬度：、维氏硬度：机械工程材料图图1-8 维氏硬度试验原理图维氏硬度试验原理图 图图1-9 维氏硬度计维氏硬度计 F:实实验验力力（kgf）；S:压压痕痕面面积积(mm2)；d:压压痕痕对对角角线线平平均均值值(mm)。维氏硬度计如图。维氏硬度计如图1-9所示。所示。二、冲击韧性二、冲击韧性 机械工程材料 维维氏氏硬硬度度试试验验由由于于实实验验力力较较小小，而而且且调调整整的的范范围围宽宽，可可测测从从极极硬硬到到极极软软的的材材料料。如如所所得得值值为为458，则则维维氏氏硬硬度度可可写写作作458HV，它它主主要要还还用用于于测测定定布布氏氏硬硬度度和和洛洛式式硬硬度度所所不不能能测测的的薄薄形材料零件，如各种渗碳、渗铬、氮化层等。形材料零件，如各种渗碳、渗铬、氮化层等。说明：说明：金金属属材材料料在在冲冲击击载载荷荷作作用用下下抵抵抗抗变变形形和和断断裂裂的的能能力力称称冲冲击击韧韧性性。如如：冲冲床床曲曲轴轴杆杆、内内燃燃机机连连杆杆、气气锤锤等等一一些些机机件件在在工工作作中承受的主要是冲击力。中承受的主要是冲击力。工工程程上上常常用用一一次次摆摆锤锤冲冲击击弯弯曲曲试试验验来来测测定定材材料料抵抵抗抗冲冲击击载载荷荷的的能能力力，即即测测定定冲冲击击载载荷荷试试样样被被折折断断而而消消耗耗的的冲冲击击功功。测测试试冲击韧性所用的试验机如图冲击韧性所用的试验机如图1-10所示。所示。机械工程材料图图1-10 冲击试验机冲击试验机 图图1-11 冲击试验原理示意图冲击试验原理示意图 机械工程材料 测测试试原原理理 金金属属材材料料的的冲冲击击韧韧性性是是采采用用一一次次性性冲冲击击试试验验的的方方法法来来确确定定的的。一一次次性性冲冲击击试试验验，如如图图1-11所所示示将将带带V型型缺缺口口的的试试样样放放在在试试验验机机的的样样品品座座上上，试试验验时时摆摆锤锤从从固固定定高高度度自自由由下下摆摆冲冲击击样样品品。脆脆性性的的材材料料可可能能被被摆摆锤锤冲冲断断；韧韧性性好好的的材材料料可可能能被被冲冲弯弯折折和和局局部部断断裂裂。材材料料的的韧韧性性愈愈高高，冲冲击击过过程程中中吸吸收收的的能能量量愈愈大大，摆摆锤锤冲冲击击试试样样后后继继续续摆摆动动的的高高度度就就愈愈低低。冲冲击击韧韧性性（能）的大小用焦耳（能）的大小用焦耳（J）来表示。）来表示。k冲冲击击韧韧性性值值（kJ/m2或或J/cm2）表表示示材材料料的的韧韧性性好好坏坏、Ak冲冲击功（焦耳击功（焦耳J）、）、F 试样缺口处的截面积试样缺口处的截面积(m2 或或cm2)。Ak=GHGh=G(Hh)则被测材料的冲击韧性值用表示为：则被测材料的冲击韧性值用表示为：k=Ak/F三、疲劳强度三、疲劳强度 韧性值与温度有关；在韧性值与温度有关；在20左右可不显脆性，当温度降低后左右可不显脆性，当温度降低后韧性值减小，易脆断。如：碳钢韧性值减小，易脆断。如：碳钢-2020以下，易发生脆断。此时的以下，易发生脆断。此时的温度称温度称脆性转变温度。脆性转变温度。金属材料在极限强度以下，长期承受交变负荷（即大小、方金属材料在极限强度以下，长期承受交变负荷（即大小、方向反复变化的载荷）的作用，在不发生显著塑性变形的情况下而向反复变化的载荷）的作用，在不发生显著塑性变形的情况下而突然断裂的现象，称为疲劳。突然断裂的现象，称为疲劳。为为了了防防止止机机械械零零件件的的疲疲劳劳断断裂裂，在在成成批批生生产产之之前前，对对重重要要零零件件，如如汽汽车车上上的的各各种种连连杆杆、板板弹弹簧簧、齿齿轮轮等等，需需作作疲疲劳劳试试验验，从从而保证使用上的可靠性。而保证使用上的可靠性。说明：说明：机械工程材料