工程材料与机械制造基础-第2章6397.pptx
第二章第二章 金属材料的主要性能金属材料的主要性能 力学性能力学性能(机械性能机械性能)：指金属材料在外力作用：指金属材料在外力作用时表现出来的性能。时表现出来的性能。包括强度、硬度、刚度、塑性、冲击韧性、疲包括强度、硬度、刚度、塑性、冲击韧性、疲劳强度和断裂韧性等。劳强度和断裂韧性等。第一节第一节 静载下金属材料的力学性能静载下金属材料的力学性能载荷载荷(外力外力)形式形式一、弹性和塑性一、弹性和塑性 弹弹性性变变形形：金金属属材材料料受受外外力力作作用用时时产产生生变变形形，当外力去除后能恢复其原来形状的性能。当外力去除后能恢复其原来形状的性能。弹性变形的大小与外力成正比。弹性变形的大小与外力成正比。塑塑性性变变形形：金金属属材材料料在在外外力力作作用用下下，产产生生永永久久变形而不致引起断裂的性能，称为塑性。变形而不致引起断裂的性能，称为塑性。在在外外力力去去除除后后保保留留下下来来的的这这部部分分不不能能恢恢复复的的变变形，称为塑性变形。形，称为塑性变形。塑性变形的大小与外力不成正比。塑性变形的大小与外力不成正比。应力：应力：应变：应变：拉伸试验。拉伸试验。图图 低碳钢的低碳钢的-曲线曲线P拉力 F 0试样原始截面积L 0试样原始长度L 1试样拉断后的长度第一阶段第一阶段oeoe：弹性阶段。弹性极限：弹性阶段。弹性极限：ee第二阶段第二阶段eses：屈服阶段。屈服极限：屈服阶段。屈服极限：ss第三阶段第三阶段sbsb：强化阶段。强度极限：强化阶段。强度极限：b b第四阶段第四阶段bzbz：缩颈阶段：缩颈阶段(截面积减小截面积减小,载荷下降载荷下降)。z z：试样断裂。：试样断裂。图图 低碳钢的低碳钢的-曲线曲线图图 铸铁的铸铁的-曲线曲线(1)(1)延伸率（伸长率）延伸率（伸长率）延延伸伸率率：试试样样拉拉断断后后，标标距距的的伸伸长长与与原原始始标标距距的的百分比。百分比。式中：式中：L1 1试样拉断后的标距试样拉断后的标距(mm)(mm)；L0 0试样的原始标距试样的原始标距(mm)(mm)；L最大伸长最大伸长(mm)(mm)。(2)(2)断面收缩率断面收缩率断断面面收收缩缩率率：试试样样拉拉断断后后，缩缩颈颈处处截截面面积积的的最最大缩减量与原横断面积的百分比。大缩减量与原横断面积的百分比。式中：式中：F1 1试样拉断后缩颈处最小横截面积试样拉断后缩颈处最小横截面积(mm(mm2 2)；F0 0试样的原始横截面积试样的原始横截面积(mm(mm2 2)；F试样缩颈处截面积的最大缩减量试样缩颈处截面积的最大缩减量(mm(mm2 2)。或或越大越大,表示材料的塑性越好。表示材料的塑性越好。短短试试样样（L L0 0=5d=5d0 0）5 5比比长长试试样样（L L1 1=1010d d1 1）的的10长长大大20%左右左右随试样原始长度的增加而减小。随试样原始长度的增加而减小。延延伸伸率率和和断断面面收收缩缩率率数数值值越越大大，表表示示材料的塑性越好。材料的塑性越好。塑塑性性好好的的金金属属可可以以发发生生大大量量塑塑性性变变形形而而不不破破坏，便于各种压力加工获得复杂形状的零件。坏，便于各种压力加工获得复杂形状的零件。纯纯铁铁的的塑塑性性很很好好，工工业业纯纯铁铁的的延延伸伸率率可可达达50%50%，断断面面收收缩缩率率可可达达80%80%，可可以以拉拉成成细细丝丝、轧轧成薄板。成薄板。铸铸铁铁塑塑性性很很差差延延伸伸率率断断面面收收缩缩率率几几乎乎为为零，不能进行塑性变形加工。零，不能进行塑性变形加工。刚度：金属材料受外力作用时，抵抗弹刚度：金属材料受外力作用时，抵抗弹性变形的能力称为刚度。性变形的能力称为刚度。E E越大，表示在一定应力作用下，能发生越大，表示在一定应力作用下，能发生的弹性变形越小，也就是刚度越大。的弹性变形越小，也就是刚度越大。E：弹性模量：弹性模量二、刚度二、刚度 金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。根据载荷的不同可分为：抗拉强度、抗压根据载荷的不同可分为：抗拉强度、抗压强度、抗剪强度和抗扭强度等。强度、抗剪强度和抗扭强度等。屈服强度：屈服强度：抗拉强度：抗拉强度：叫屈强比，一般为叫屈强比，一般为0.65-0.75。屈强比越小，可靠性越高。屈强比越小，可靠性越高。屈强比越大，强度利用率越高，可靠性降低。屈强比越大，强度利用率越高，可靠性降低。三、强度三、强度 金属材料的强度与其化学成分和工艺过程，金属材料的强度与其化学成分和工艺过程，尤其是热处理工艺有密切的关系。尤其是热处理工艺有密切的关系。如如:(1)(1)纯金属的抗拉强度低纯金属的抗拉强度低 纯铁为纯铁为200MPa200MPa，铜为，铜为60MPa,60MPa,铝为铝为40MPa40MPa(2)(2)铁碳合金：退火状态下铁碳合金：退火状态下 碳质量分数分别为碳质量分数分别为0.2%0.2%、0.4%0.4%、0.6%0.6%抗拉强度为抗拉强度为350MPa 350MPa、500MPa 500MPa 和和700MPa700MPa(3)(3)碳质量分数同为碳质量分数同为0.4%0.4%经过淬火经过淬火+高温回火后高温回火后 抗拉强度为抗拉强度为700MPa700MPa800MPa800MPa(4)(4)合金钢的抗拉强度可达合金钢的抗拉强度可达1000MPa1000MPa1800MPa1800MPa四四.硬度硬度硬度：材料抵抗另一硬物体压入其内的能力。硬度：材料抵抗另一硬物体压入其内的能力。硬度的表示方法硬度的表示方法布氏硬度布氏硬度洛氏硬度洛氏硬度各种不同方法测得的硬度值可以进行转换。各种不同方法测得的硬度值可以进行转换。维氏硬度维氏硬度 用载荷用载荷P P把直径为把直径为D D的淬火钢球或硬质合金球压的淬火钢球或硬质合金球压入试件表面，并保持一定时间，而后卸除载荷入试件表面，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测量钢球在试样表面上所压出的压痕直径d d，从而计算出压痕的面积从而计算出压痕的面积;计算出单位面积所受的力用此数字表示试件的计算出单位面积所受的力用此数字表示试件的硬度值，即为布氏硬度，用符号硬度值，即为布氏硬度，用符号HBHB表示。表示。(1)(1)布氏硬度布氏硬度P压压头头为为淬淬火火钢钢球时用球时用HBS.HBS.压压头头为为硬硬质质钢钢球时用球时用HBW.HBW.(2)(2)洛氏硬度洛氏硬度 根据压头的种类和总载荷的大小洛氏硬根据压头的种类和总载荷的大小洛氏硬度常用的表达方式有三种度常用的表达方式有三种HRAHRA、HRBHRB和和HRCHRCHRAHRAHRBHRBHRCHRC7085251002067(3)(3)维氏硬度维氏硬度 首先将一个相对面有一定夹角的金刚石锥体首先将一个相对面有一定夹角的金刚石锥体压头，以力压头，以力F压入材料表面，然后测量压痕两条压入材料表面，然后测量压痕两条对角线长度。对角线长度。三种硬度之间的大致换算关系三种硬度之间的大致换算关系三种硬度之间的大致换算关系三种硬度之间的大致换算关系 中等硬度下大致的关系如下：中等硬度下大致的关系如下：1HRC10HBS 1HBS1HV 各种不同方法测得的硬度值之间可以通过查表的各种不同方法测得的硬度值之间可以通过查表的方法进行转换。方法进行转换。第二节第二节 动载和高温下金属材料的力学性能动载和高温下金属材料的力学性能一一.冲击韧性冲击韧性 冲冲击击韧韧性性：金金属属材材料料在在冲冲击击载载荷荷作作用用下下，抵抵抗断裂的能力。抗断裂的能力。一次摆锤冲击弯曲试验来测定韧性。一次摆锤冲击弯曲试验来测定韧性。k k：冲击韧度：冲击韧度(J/m(J/m2 2)A Ak k：冲击吸收功：冲击吸收功(J)(J)F F：试样缺口处截面积：试样缺口处截面积(m(m2 2)图(a)试验机图(b)试样 冲击韧性与材料的组织有密切关系冲击韧性与材料的组织有密切关系:如如:碳质量分数为碳质量分数为0.45%0.45%的铁碳合金的铁碳合金,正火后的组正火后的组织为索氏体织为索氏体+铁素体铁素体,k k 值为值为500kJ/m500kJ/m2 2 800kJ/m 800kJ/m2 2,而调质处理后而调质处理后k k 值为值为800kJ/m800kJ/m2 2 1200kJ/m 1200kJ/m2 2。k k 或或A Ak k值越大，则材料的韧性越好。值越大，则材料的韧性越好。二、疲劳强度二、疲劳强度 疲疲劳劳：在在交交变变应应力力的的作作用用下下，虽虽然然零零件件所所承承受受的的应应力力低低于于材材料料的的屈屈服服点点，但但经经过过较较长长时时间间的的工工作作而而产产生生裂裂纹纹或或突突然然断断裂裂的的过过程程称称为为金金属属的的疲疲劳。劳。交变应力：随时间作周期性变化的应力。交变应力：随时间作周期性变化的应力。材材料料承承受受的的交交变变应应力力与与材材料料在在断断裂裂前前承承受受交交变变应应力力的的循循环环次次数数N N之之间间的的关关系系可可用用疲疲劳劳曲曲线线来来表表示。示。交变应力：随时间作周期性变化的应力。交变应力：随时间作周期性变化的应力。疲疲劳劳断断裂裂：零零件件在在工工作作时时受受交交变变载载荷荷，当当交交变变载载荷荷的的值值远远远远低低于于其其屈屈服服强强度度时时，零零件件就就发生了断裂，这种现象称为疲劳断裂。发生了断裂，这种现象称为疲劳断裂。疲疲劳劳强强度度：当当应应力力低低于于一一定定值值时时，试试样样可可以以经经受受无无限限周周期期循循环环而而不不破破坏坏，此此应应力力值值称称为为材材料料的疲劳强度。的疲劳强度。图图 疲劳曲线和对称循环交变应力图疲劳曲线和对称循环交变应力图 材材料料承承受受的的交交变变应应力力越越大大，则则断断裂裂时时应应力力循循环次数环次数N N越小。越小。对对于于黑黑色色金金属属，一一般般规规定定应应力力循循环环10107 7周周次次而而不断裂的最大应力称为疲劳极限。不断裂的最大应力称为疲劳极限。有色金属取有色金属取10108 8周次。周次。金金属属的的疲疲劳劳极极限限受受很很多多因因素素的的影影响响。主主要要有有工作条件、表面状态、材质、残余内应力等。工作条件、表面状态、材质、残余内应力等。改改善善零零件件的的结结构构形形状状、降降低低零零件件表表面面粗粗造造度度以以及及采采取取各各种种表表面面强强化化的的方方法法，都都能能提提高高零零件件的的疲劳极限。疲劳极限。第三节第三节第三节第三节 金属材料的物理、化学和工艺性能金属材料的物理、化学和工艺性能金属材料的物理、化学和工艺性能金属材料的物理、化学和工艺性能一、物理性能一、物理性能密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性二、化学性能二、化学性能耐腐蚀性和抗氧化性耐腐蚀性和抗氧化性耐腐蚀性：金属材料在常温下抵抗氧、水蒸汽及耐腐蚀性：金属材料在常温下抵抗氧、水蒸汽及 其它化学介质腐蚀破坏作用的能力。其它化学介质腐蚀破坏作用的能力。抗氧化性：金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力。抗氧化性：金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力。金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性统称为化学稳定性。金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性统称为化学稳定性。三、工艺性能三、工艺性能三、工艺性能三、工艺性能 金属材料的工艺性能是指其冷、热加工的金属材料的工艺性能是指其冷、热加工的金属材料的工艺性能是指其冷、热加工的金属材料的工艺性能是指其冷、热加工的难易程度。难易程度。难易程度。难易程度。习题一习题一 2,3,7b b 强度强度，强度强度，MPaMPas s 屈服强度屈服强度,MPa0.2 0.2 屈服强度屈服强度,MPa-1-1 疲劳强度疲劳强度,MPa 伸长率、延伸率伸长率、延伸率K 冲击韧性冲击韧性,J/cm,J/cm2 27.7.比较比较45HRC 650HBW 800HV 240HBS45HRC 650HBW 800HV 240HBS的大小。的大小。答：答：800HV 650HBW45HRC240HBS800HV 650HBW45HRC240HBS演讲完毕，谢谢观看！
