第1章金属材料的精.ppt
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1、第1章金属材料的第1页,本讲稿共54页第第1章章金属材料的性能金属材料的性能 金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能两类。所谓工艺性能是指机械零件在加工制造能两类。所谓工艺性能是指机械零件在加工制造过程中,金属材料在所定的冷、热加工条件下表过程中,金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。金属材料工艺性能的好坏,决定现出来的性能。金属材料工艺性能的好坏,决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。由于加了它在制造过程中加工成形的适应能力。由于加工条件不同,要求的工艺性能也就不同,如铸造工条件不同,要求的工艺性能也就不同,如铸造性能、可焊性、可锻性、热处
2、理性能、切削加工性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工性等。所谓使用性能是指机械零件在使用条件下,性等。所谓使用性能是指机械零件在使用条件下,金属材料表现出来的性能,它包括机械性能、物金属材料表现出来的性能,它包括机械性能、物理性能、化学性能等。金属材料使用性能的好坏,理性能、化学性能等。金属材料使用性能的好坏,决定了它的使用范围与使用寿命。决定了它的使用范围与使用寿命。第2页,本讲稿共54页1.1 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 金属材料的力学性能是指金属材料在不同的环境因素(温金属材料的力学性能是指金属材料在不同的环境因素(温度、介质)下,承受外加载荷作用时所表现的性能,这种度、
3、介质)下,承受外加载荷作用时所表现的性能,这种性能通常表现为变形和断裂。因此,金属材料的力学性能性能通常表现为变形和断裂。因此,金属材料的力学性能可以理解为金属材料抵抗外加载荷引起的变形和断裂的能可以理解为金属材料抵抗外加载荷引起的变形和断裂的能力,也称为金属材料的机械性能。金属材料的机械性能是力,也称为金属材料的机械性能。金属材料的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据。外加载荷性质不同(例零件的设计和选材时的主要依据。外加载荷性质不同(例如拉伸、压缩、剪切、扭转和弯曲等),对金属材料要求如拉伸、压缩、剪切、扭转和弯曲等),对金属材料要求的机械性能也将不同。常用的机械性能包括:强度、塑性、的
4、机械性能也将不同。常用的机械性能包括:强度、塑性、硬度、冲击韧性、多次冲击抗力和疲劳极限等。下面将分硬度、冲击韧性、多次冲击抗力和疲劳极限等。下面将分别讨论各种机械性能。别讨论各种机械性能。第3页,本讲稿共54页一、一、强度与塑性强度与塑性1 1、强度强度 强度是指金属材料在静荷作用下抵抗永久变强度是指金属材料在静荷作用下抵抗永久变形和断裂形和断裂 的能力。由于载荷的作用方式有拉伸、压缩、的能力。由于载荷的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切等形式,所以强度也分为抗拉强度、抗压强度、弯曲、剪切等形式,所以强度也分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。各种强度间常有一定的联系,使抗弯强度、抗剪
5、强度等。各种强度间常有一定的联系,使用中一般以抗拉强度作为最基本的强度指标。用中一般以抗拉强度作为最基本的强度指标。2 2、塑性塑性 塑性是指金属材料在载荷作用下发生不可塑性是指金属材料在载荷作用下发生不可逆变形的能力,也就是金属材料在断裂前发生塑性变逆变形的能力,也就是金属材料在断裂前发生塑性变形的能力。衡量金属材料塑性能力的指标是延伸率和形的能力。衡量金属材料塑性能力的指标是延伸率和断面收缩率。断面收缩率。第4页,本讲稿共54页金属材料的强度与塑性指标一般是在材料试验机金属材料的强度与塑性指标一般是在材料试验机上通过拉伸试验测得上通过拉伸试验测得液压式万能材料试验机液压式万能材料试验机第5
6、页,本讲稿共54页拉伸试样的形状通常有拉伸试样的形状通常有圆形和板状两种类。在圆形和板状两种类。在国家标准国家标准GB63971986金属拉伸试样金属拉伸试样中,对试样的形状、中,对试样的形状、尺寸及加工要求均有明尺寸及加工要求均有明确规定。确规定。长试样:长试样:L0=10d0,短试样:短试样:L0=5d0第6页,本讲稿共54页拉伸曲线 低碳钢力低碳钢力低碳钢力低碳钢力-伸长曲线伸长曲线伸长曲线伸长曲线第7页,本讲稿共54页FesbkLFsFbO屈服屈服弹性弹性变形变形缩颈缩颈断裂断裂塑性塑性变形变形塑性变形塑性变形:外力去外力去除后不能消失的变除后不能消失的变形形第8页,本讲稿共54页拉伸
7、试样的颈缩现象第9页,本讲稿共54页试件从拉伸到断裂经过试件从拉伸到断裂经过的的4个阶段个阶段1、弹性变形阶段、弹性变形阶段(试件变形随载荷的作用而产生,随载荷(试件变形随载荷的作用而产生,随载荷的去除而消失。在弹性阶段中,应力与应变成正比,呈线性的去除而消失。在弹性阶段中,应力与应变成正比,呈线性关系,这种关系称胡克定理。当载荷超过关系,这种关系称胡克定理。当载荷超过F FP P 时材料还将产生微时材料还将产生微量的塑性变形,它不能随载荷去除而消失)量的塑性变形,它不能随载荷去除而消失)2、屈服变形阶段、屈服变形阶段(当载荷增加到当载荷增加到F FS S 时保持不变,试件的时保持不变,试件的
8、变形继续增加,这种现象称为材料的屈服。这时在拉伸曲线变形继续增加,这种现象称为材料的屈服。这时在拉伸曲线上出现锯齿形水平线段)上出现锯齿形水平线段)3、冷变形强化阶段、冷变形强化阶段(材料过屈服阶段后,又重新出现了抵抗(材料过屈服阶段后,又重新出现了抵抗变形的能力。这时继续增加应力,应变也增加,但已不成正比变形的能力。这时继续增加应力,应变也增加,但已不成正比关系不再服从虎克定律,到达最高点关系不再服从虎克定律,到达最高点b b时,试件局部变细形成时,试件局部变细形成颈缩现象)颈缩现象)4、缩颈与断裂阶段、缩颈与断裂阶段(由于颈缩,局部截面将迅速减小,拉力由于颈缩,局部截面将迅速减小,拉力开始
9、下降,直至开始下降,直至k k点试件断裂。点试件断裂。F Fb b 是试件拉断前能承受的最大是试件拉断前能承受的最大载荷,称为极限载荷)载荷,称为极限载荷)第10页,本讲稿共54页1、强度指标、强度指标金属材料的强度是用应力来表示的,即材料承受载荷后内部产生一个与载荷相平衡的内力,我们将单位面积上的内力称应力,用表示。为了保证机械零件的正常工作,我们必须知道金属材料的强度指标,它通常是指金属材料的弹性极限、屈服点和抗拉强度。(这些参数可以计算,也可以查阅相关技术资料)第11页,本讲稿共54页(1)弹性极限 即金属材料不产生塑性变形时所能承受的最大应即金属材料不产生塑性变形时所能承受的最大应力。
10、拉伸曲线力。拉伸曲线e e点对应的应力点对应的应力 e e为弹性极限:为弹性极限:e=Fe/S0 式中式中 e 弹性极限(弹性极限(MPa););Fe试样产生完全弹性变形时的最大载荷(试样产生完全弹性变形时的最大载荷(N););S0试样原始横截面积(试样原始横截面积(mm2)。)。第12页,本讲稿共54页MPa与与Pa的换算的换算我国法定压力单位为帕斯卡(简称帕),我国法定压力单位为帕斯卡(简称帕),符号为符号为Pa,1Pa=1N/m2。由于。由于Pa太小,工太小,工程上常用其倍数单位程上常用其倍数单位MPa(兆帕)来表示。(兆帕)来表示。1兆帕兆帕(MPa)1000000帕帕(Pa)。Mpa
11、,也是也是压强单位,读作兆帕,也就是百万(压强单位,读作兆帕,也就是百万(M)帕)帕斯卡(斯卡(Pa)。)。1MPa1000000Pa1.00牛牛平方毫米(平方毫米(19.8=0.102)千克力)千克力平方毫米平方毫米。第13页,本讲稿共54页(2)屈服点)屈服点屈服点屈服点:即试样在拉伸过程中力不增加(保:即试样在拉伸过程中力不增加(保持恒定)仍能继续伸长(变形)时的应力。持恒定)仍能继续伸长(变形)时的应力。在拉伸曲线上在拉伸曲线上s点对应的应力为屈服点。点对应的应力为屈服点。s=Fs/S0式中式中s屈服点(屈服点(MPa););Fs试样开始产生屈服现象时的载试样开始产生屈服现象时的载荷(
12、荷(N););S0试样原始横截面积,(试样原始横截面积,(mm2)。)。第14页,本讲稿共54页条件屈服强度 高碳钢、铸铁等脆性材料在拉伸图中没高碳钢、铸铁等脆性材料在拉伸图中没有明显的水平阶段(即屈服现象),也不有明显的水平阶段(即屈服现象),也不产生颈缩,而直接被拉断。为了衡量这些产生颈缩,而直接被拉断。为了衡量这些材料的屈服特性材料的屈服特性,规定产生永久残余变形等规定产生永久残余变形等于一定值于一定值(一般为原长度的一般为原长度的0.2%)0.2%)时的应力时的应力,称为条件屈服强度或简称屈服强度,用符称为条件屈服强度或简称屈服强度,用符号号0.20.2表示。表示。计算公式计算公式:F
13、0.2S00.2=第15页,本讲稿共54页b=FbS0 应用:制作机械零件和工程应用:制作机械零件和工程构件时的选材和设计的依据。构件时的选材和设计的依据。计算公式计算公式:(3)抗拉强度(强度极限)抗拉强度(强度极限):材料承受最大载荷时的应力。用b表示。第16页,本讲稿共54页2 2、塑性指标、塑性指标 即断裂前材料发生不可逆永久变形的能力,称塑即断裂前材料发生不可逆永久变形的能力,称塑性。塑性是金属材料的主要力学性能指标。性。塑性是金属材料的主要力学性能指标。衡量塑性的依据是伸长率和断面收缩率。衡量塑性的依据是伸长率和断面收缩率。塑性塑性伸长率伸长率断面收缩率断面收缩率压缩率压缩率第17
14、页,本讲稿共54页(1 1)伸长率)伸长率即试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。即试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。=(L=(L1 1-L-L0 0)/L)/L0 0 100%100%式中式中 伸长率(伸长率(%););L L1 1试样拉断后标距(试样拉断后标距(mm)mm);L L0 0 试样原始标距(试样原始标距(mm)mm)。第18页,本讲稿共54页(2 2)断面收缩率)断面收缩率即试样拉断后,缩颈处横截面积的最大缩减量与原始即试样拉断后,缩颈处横截面积的最大缩减量与原始的横截面积的百分比。的横截面积的百分比。=(S S0 0-S-S1 1)/S/S0 0100%100%式中式
15、中 断面收缩率(断面收缩率(%););S S1 1试样的原始截面积(试样的原始截面积(mmmm2 2)S S0 0试样拉断后缩颈处的最小横截面积(试样拉断后缩颈处的最小横截面积(mmmm2 2)第19页,本讲稿共54页材料的塑性指标对机械零件的加工和材料的塑性指标对机械零件的加工和使用具有重要意义。金属材料的延伸使用具有重要意义。金属材料的延伸率和断面收缩率数值越大,表示材料率和断面收缩率数值越大,表示材料的塑性越好。的塑性越好。第20页,本讲稿共54页二、硬度二、硬度(Hardnss、代号、代号H)硬度是硬度是材料抵抗硬的物体压入其内的材料抵抗硬的物体压入其内的能力能力,是材料性能的一个综合
16、物理量。表示是材料性能的一个综合物理量。表示材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的能力。在产品设计图样塑性变形或破断的能力。在产品设计图样的技术条件中,硬度是一顶主要技术指标。的技术条件中,硬度是一顶主要技术指标。金属材料的硬度可用硬度仪来测试,常金属材料的硬度可用硬度仪来测试,常用的硬指标有布氏硬度、洛氏硬度等。用的硬指标有布氏硬度、洛氏硬度等。(硬度视频演示)(硬度视频演示)第21页,本讲稿共54页1.1.布氏硬度(布氏硬度(HBHB)布氏硬度(布氏硬度(HBHB)=载荷与压痕面积之比。单位为载荷与压痕面积之比。单位为Kmf/mmKmf
17、/mm2 2(N/mmN/mm2 2),1kgf/9.806N=0.102.),1kgf/9.806N=0.102.用直径用直径D D的淬火钢球或硬质合金球的淬火钢球或硬质合金球,在一定压力在一定压力P P下下,将钢球垂直地压入金属表面将钢球垂直地压入金属表面,并保持压力并保持压力到规定的时间后卸荷到规定的时间后卸荷,测压痕直径测压痕直径d.d.HB=F/S(N/mmHB=F/S(N/mm2 2)单位一般不写单位一般不写F F载荷,载荷,N(kgf)N(kgf)S-S-压痕面积压痕面积.布氏硬度试验原理图布氏硬度试验原理图第22页,本讲稿共54页布氏硬度试验的布氏硬度试验的F/D2值的选择值的
18、选择根据被测金属材料的种类和试样厚度、选用不同大小的球体直根据被测金属材料的种类和试样厚度、选用不同大小的球体直径径D D,施加的试验力,施加的试验力F F和试验力保持时间,按表和试验力保持时间,按表1 11 1所列的布氏硬所列的布氏硬变试验规范正确选择变试验规范正确选择 。材材 料料布氏硬度布氏硬度0.102F/D0.102F/D2 2备备 注注钢及铸铁1401401030F单位:ND单位:mm铜及其合金353520013051030轻金属及其合金35358080251010铅、锡1 布氏硬度试验规范布氏硬度试验规范布氏硬度试验规范布氏硬度试验规范第23页,本讲稿共54页淬火钢球做压头时,符
19、号用淬火钢球做压头时,符号用HBS表示;表示;硬质合金球做压头时,符号用硬质合金球做压头时,符号用HBW表示;表示;第24页,本讲稿共54页布氏硬度标注布氏硬度标注 符号符号HBS或或HBW之前的数字表示硬度值,除了采之前的数字表示硬度值,除了采用钢球直径用钢球直径D D为为10mm,10mm,试验力为试验力为3000kgf,3000kgf,保持时间为保持时间为10sr 10sr 试验条件外,在其它试验条件下,符号后面的数字按试验条件外,在其它试验条件下,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。如顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如:150HBS10/1000/30表
20、示直径为表示直径为10mm的钢球在的钢球在1000kgf载载荷作用下保持荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为150。第25页,本讲稿共54页布氏硬度的特点及应用布氏硬度的特点及应用优点:优点:试验时使用的压头直径较大,在试样表面上留下压痕也较大,所测得试验时使用的压头直径较大,在试样表面上留下压痕也较大,所测得值也较准确。值也较准确。HBHB与与b b之间有一定的近似关系,因此可以按布氏硬度值近似之间有一定的近似关系,因此可以按布氏硬度值近似确定金属材料抗拉强度:确定金属材料抗拉强度:bKHBbKHB(k=0.360.34k=0.360.34)缺点:缺点:对金属表面的损伤较大
21、,不易测试太薄工件的硬度,也不适于测定成品件硬度。对金属表面的损伤较大,不易测试太薄工件的硬度,也不适于测定成品件硬度。适用测定适用测定HBHB450450的金属材料。的金属材料。应用:应用:应用:应用:布氏硬度试验常用来布氏硬度试验常用来布氏硬度试验常用来布氏硬度试验常用来测定原材料、半成品和性能不测定原材料、半成品和性能不测定原材料、半成品和性能不测定原材料、半成品和性能不均匀材料(如铸铁、有色金属)均匀材料(如铸铁、有色金属)均匀材料(如铸铁、有色金属)均匀材料(如铸铁、有色金属)等的硬度。在实际应用中,布等的硬度。在实际应用中,布等的硬度。在实际应用中,布等的硬度。在实际应用中,布氏硬
22、功硬度一般不用计算法求氏硬功硬度一般不用计算法求氏硬功硬度一般不用计算法求氏硬功硬度一般不用计算法求得,而是用专门的放大镜量出得,而是用专门的放大镜量出得,而是用专门的放大镜量出得,而是用专门的放大镜量出压痕直径,从专门的硬度表中压痕直径,从专门的硬度表中压痕直径,从专门的硬度表中压痕直径,从专门的硬度表中查出相应的硬度值。(见附表查出相应的硬度值。(见附表查出相应的硬度值。(见附表查出相应的硬度值。(见附表1 1)第26页,本讲稿共54页2、洛氏硬度(、洛氏硬度(HR)洛氏硬度试验是用一个锥角为洛氏硬度试验是用一个锥角为120的金刚的金刚石锥体或直径为石锥体或直径为1.588mm(1/16)
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- 金属材料
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