金属材料力学性能及实验优秀课件.ppt

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1、金属材料力学性能及实验第1页，本讲稿共26页一、强度一、强度强度：金属抵抗永久变形和断裂的能力强度：金属抵抗永久变形和断裂的能力拉伸试验法：拉伸试验在拉伸试验法：拉伸试验在拉伸试验机拉伸试验机上进行上进行第2页，本讲稿共26页一、强度一、强度强度：金属抵抗永久变形和断裂的能力强度：金属抵抗永久变形和断裂的能力拉伸试验法：拉伸试验在拉伸试验法：拉伸试验在拉伸试验机拉伸试验机上进行上进行拉拉伸伸试试样样：圆圆形形试试样样（断断面面为为圆圆形形），根根据据GB639786的的规规定定，拉拉伸伸试试样样分分为为长长比比例例试试样样或或短短比比例例试试样样。对对圆圆形形试试样样：长长试试样样l=10d。

2、；短试样。；短试样l=5d。第3页，本讲稿共26页 拉拉伸伸曲曲线线：在在开开始始的的 阶阶段段，材材料料处处于于弹弹性性变变形形阶阶段段；超超过过e点点后后，除除弹弹性性变变形形外外，材材料料开开始始产产生生塑塑性性变变形形，曲曲线线在在S点点处处出出现现一一小小段段水水平平 线线段段，这这种种现现象象称称为为“屈屈服服”，标标志志着着材材料料发发生生微微量量塑塑性性变变形形。当当拉拉伸伸力力达达到到 后后，在在试试样样的的标标距距长长度度内内某某处处，横横截截面面发发生生局局部部收收缩缩，即即产产生生“缩缩颈颈”现现象象，此此时时拉拉伸伸力力开开始始减小，故减小，故b点为曲线上集中干预部，

3、直至断裂（点为曲线上集中干预部，直至断裂（k点）。点）。第4页，本讲稿共26页 拉拉伸伸曲曲线线：在在开开始始的的 阶阶段段，材材料料处处于于弹弹性性变变形形阶阶段段；超超过过e点点后后，除除弹弹性性变变形形外外，材材料料开开始始产产生生塑塑性性变变形形，曲曲线线在在S点点处处出出现现一一小小段段水水平平 线线段段，这这种种现现象象称称为为“屈屈服服”，标标志志着着材材料料发发生生微微量量塑塑性性变变形形。当当拉拉伸伸力力达达到到 后后，在在试试样样的的标标距距长长度度内内某某处处，横横截截面面发发生生局局部部收收缩缩，即即产产生生“缩缩颈颈”现现象象，此此时时拉拉伸伸力力开开始始减减小小，故

4、故b点点为为曲曲线线上上集集中中干干预预部部，直直至至断断裂裂（k点）。点）。第5页，本讲稿共26页内内力力：试试样样受受拉拉伸伸力力F作作用用后后，导导致致材材料料内内部部之之间间产产生生同同样样大大 小的相互作用力小的相互作用力应力：单位横截面积上的内力，。应力：单位横截面积上的内力，。屈服点（屈服极限）：金属产生屈服现象时的应力屈服点（屈服极限）：金属产生屈服现象时的应力 。屈屈服服强强度度：工工程程技技术术上上一一般般规规定定，以以试试样样产产生生的的塑塑性性变变形形伸伸长长量量达达到到02时的应力，时的应力，0.2。抗拉强度（强度极限）：金属拉断前承受的最大拉应力，抗拉强度（强度极限

5、）：金属拉断前承受的最大拉应力，第6页，本讲稿共26页二、塑性二、塑性塑性：金属材料断裂前发生永久变形的能力塑性：金属材料断裂前发生永久变形的能力断后伸长率：试样拉断后标距的伸长量与原始标距的百分比断后伸长率：试样拉断后标距的伸长量与原始标距的百分比由由于于同同一一材材料料用用不不同同长长度度的的试试样样测测得得的的断断后后伸伸长长率率数数值值不不同同，因此应注明试样尺寸比例。因此应注明试样尺寸比例。断断面面收收缩缩率率：试试样样拉拉断断处处横横截截面面积积的的减减小小量量与与原原始始横横截截面面积积的的百百分比，分比，强强度度是是表表征征材材料料变变形形抗抗力力指指标标，而而塑塑性性是是描描

6、述述变变形形能能力力的的指标。指标。第7页，本讲稿共26页第二节第二节 硬度及硬度试验硬度及硬度试验硬硬度度：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、压压痕痕或划痕的能力或划痕的能力一、布氏硬度试验法一、布氏硬度试验法 布布氏氏硬硬度度试试验验的的原原理理：用用一一定定直直径径D（mm）的的钢钢球球或或硬硬质质合合金金球球，以以相相应应的的试试验验力力F（N）压压入入试试件件表表面面，并并保保持持一一定定的的时时间间，然然后后卸卸除除试试验验力力，测测量量试试件件表表面面的的压压痕痕直直径径d（mm），用用试试验验力力除除以以压压痕痕球球形形表表面面积积A（mm

7、2）所所得得的的商商作作为为布布氏氏硬硬度度值值，符符号号为为HBS（压头为钢球时）或（压头为钢球时）或HBW（压头为硬质合金球时）。（压头为硬质合金球时）。第8页，本讲稿共26页第9页，本讲稿共26页HBS适适用用于于测测量量低低于于布布氏氏硬硬度度值值450的的材材料料；HBW适用于适用于测量低于布氏硬度值测量低于布氏硬度值650的材料。的材料。试试验验时时，根根据据被被测测的的材材料料不不同同，球球直直径径、试验力及试验力保持时间按表试验力及试验力保持时间按表-1选择。选择。第10页，本讲稿共26页金属种金属种类类布布氏氏硬硬度度范范围围HBS（HBW）试样试样厚度厚度/mm0.102球

8、的直径球的直径/mm试验试验力力F/KN（k g f)试试验验力力保保持持时时间间/s黑色金属黑色金属140-450634223010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)126631010.05.09.807(1000)2.452(250)12非非铁铁金属金属130634262.510.02.452(250)60表表第11页，本讲稿共26页120HBS10100030代代表表用用 10mm钢钢球球，在在1000kgf（10kN）试试验验力力作用下保持作用下保持30s，测得的布氏硬度值。，测得的布氏硬度值。布布氏氏硬硬度度试试验验法法一一般般用用于于

9、试试验验各各种种硬硬度度不不高高的的钢钢材材、铸铸铁铁、有色金属等，也用于试验经淬火、回火但硬度不高的钢件。有色金属等，也用于试验经淬火、回火但硬度不高的钢件。由由于于布布氏氏硬硬度度试试验验的的压压痕痕较较大大，试试验验结结果果能能更更好好地地代代表表试试件件的的硬硬度。度。第12页，本讲稿共26页二、洛氏硬度实验二、洛氏硬度实验洛洛氏氏硬硬度度试试验验法法原原理理：根根据据压压痕痕的的塑塑性性变变形形深深度度来来衡衡量量硬硬度度。试试验验时时，先先加加初初始始试试验验力力 98N（10kgf），使使压压头头紧紧密密接接触触试试件件表表面面a，并并压压入入到到b处处，以以此此作作为为衡衡量量

10、压压入入深深度度的的起起点点，再再加加主主试试验验力力使使压压头头压压入入到到c处处，然然后后去去掉掉主主试试验验力力，由由于于被被试试金金属属弹弹性性变变形形的的消消除，压头向上回升到除，压头向上回升到d处。处。洛氏硬度计洛氏硬度计表盘上读出即可。表盘上读出即可。第13页，本讲稿共26页二、洛氏硬度实验二、洛氏硬度实验洛洛氏氏硬硬度度试试验验法法原原理理：根根据据压压痕痕的的塑塑性性变变形形深深度度来来衡衡量量硬硬度度。试试验验时时，先先加加初初始始试试验验力力 98N（10kgf），使使压压头头紧紧密密接接触触试试件件表表面面a，并并压压入入到到b处处，以以此此作作为为衡衡量量压压入入深深

11、度度的的起起点点，再再加加主主试试验验力力使使压压头头压压入入到到c处处，然然后后去去掉掉主主试试验验力力，由由于于被被试试金金属属弹弹性性变变形形的的消消除除，压压头头向向上上回回升到升到d处。处。洛氏硬度计洛氏硬度计表盘上读出即可。表盘上读出即可。第14页，本讲稿共26页二、洛氏硬度实验二、洛氏硬度实验洛洛氏氏硬硬度度试试验验法法原原理理：根根据据压压痕痕的的塑塑性性变变形形深深度度来来衡衡量量硬硬度度。试试验验时时，先先加加初初始始试试验验力力 98N（10kgf），使使压压头头紧紧密密接接触触试试件件表表面面a，并并压压入入到到b处处，以以此此作作为为衡衡量量压压入入深深度度的的起起点

12、点，再再加加主主试试验验力力使使压压头头压压入入到到c处处，然然后后去去掉掉主主试试验验力力，由由于于被被试试金金属属弹弹性性变变形形的的消消除除，压压头头向上回升到向上回升到d处。处。洛氏硬度计洛氏硬度计表盘上读出即可。表盘上读出即可。第15页，本讲稿共26页试试验验时时，根根据据被被测测的的材材料料不不同同，压压头头的的类类型型、试试验验力力及及按按表表-2选选择择，对应的洛氏硬度标尺为对应的洛氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种三种符号符号压头类压头类型型载载荷荷/k g f硬度有效硬度有效范范围围使用范使用范围围HRA金金刚刚石石圆锥圆锥体体6070 08585适用于适用于测测量硬量

13、硬质质合金、合金、钢钢表、表、淬火淬火层层或渗碳或渗碳层层HRB直径直径为为1.588mm钢钢球球10025100100（相当（相当6060230HB230HB）适用于适用于测测量非量非铁铁金属退火、火金属退火、火等等HRC金金刚刚石石圆锥圆锥体体150206767(相当相当HB230HB230700)700)适用于适用于调质钢调质钢、淬火、淬火钢钢等等表表-2第16页，本讲稿共26页 第三节第三节 韧性和冲击试验韧性和冲击试验冲击力：零件受到突然作用的外力冲击力：零件受到突然作用的外力韧韧性性：金金属属在在冲冲击击力力作作用用下下，断断裂裂前前吸吸收收变变形形能能量量的的能能力力。韧韧性愈好

14、，代表金属的抗冲击能力愈强。性愈好，代表金属的抗冲击能力愈强。一、摆锤式一次冲击试验一、摆锤式一次冲击试验按按GB22984的规定，将被试金属制成标准的冲击试样的规定，将被试金属制成标准的冲击试样。第17页，本讲稿共26页摆摆锤锤式式一一次次冲冲击击试试验验原原理理：试试验验在在专专门门的的摆摆锤锤式式冲冲击击试试验验机机上上进进行行，把把试试样样放放在在试试验验机机的的支支承承面面上上，试试样样的的缺缺口口背背向向摆摆锤锤冲冲击击方方向向。将将质质量量为为m的的摆摆锤锤安安放放到到规规定定的的高高度度H，然然后后下下落落，将将试试样样打打断断，并并摆摆过过支支点点升升到到某某一一高高度度h，

15、试试样样在在冲冲击击试试验验力力一一次次作作用用下下，折断折断时所吸收的功为冲击吸收功为时所吸收的功为冲击吸收功为Ak第18页，本讲稿共26页摆摆锤锤式式一一次次冲冲击击试试验验原原理理：试试验验在在专专门门的的摆摆锤锤式式冲冲击击试试验验机机上上进进行行，把把试试样样放放在在试试验验机机的的支支承承面面上上，试试样样的的缺缺口口背背向向摆摆锤锤冲冲击击方方向向。将将质质量量为为m的的摆摆锤锤安安放放到到规规定定的的高高度度H，然然后后下下落落，将将试试样样打打断断，并并摆摆过过支支点点升升到到某某一一高高度度h，试试样样在在冲冲击击试试验验力力一一次作用下，次作用下，折断折断时所吸收的功为冲

16、击吸收功为时所吸收的功为冲击吸收功为Ak第19页，本讲稿共26页摆摆锤锤式式一一次次冲冲击击试试验验原原理理：试试验验在在专专门门的的摆摆锤锤式式冲冲击击试试验验机机上上进进行行，把把试试样样放放在在试试验验机机的的支支承承面面上上，试试样样的的缺缺口口背背向向摆摆锤锤冲冲击击方方向向。将将质质量量为为m的的摆摆锤锤安安放放到到规规定定的的高高度度H，然然后后下下落落，将将试试样样打打断断，并并摆摆过过支支点点升升到到某某一一高高度度h，试试样样在在冲冲击击试试验验力力一一次作用下，次作用下，折断折断时所吸收的功为冲击吸收功为时所吸收的功为冲击吸收功为Ak第20页，本讲稿共26页实际上，冲击吸

17、收功实际上，冲击吸收功AK数值可由数值可由试验机试验机读出，而无需计算读出，而无需计算冲冲击击韧韧度度：将将冲冲击击吸吸收收功功AK值值除除以以试试样样缺缺口口底底部部的的横横载载而而积积 A0（cm2）得到的值）得到的值ak=AK/A0 冲击韧度作为衡量材料刚性的依据冲击韧度作为衡量材料刚性的依据第21页，本讲稿共26页实际上，冲击吸收功实际上，冲击吸收功AK数值可由数值可由试验机试验机读出，而无需计算读出，而无需计算冲冲击击韧韧度度：将将冲冲击击吸吸收收功功AK值值除除以以试试样样缺缺口口底底部部的的横横载载而而积积 A0（cm2）得到的值）得到的值ak=AK/A0 冲击韧度作为衡量材料刚

18、性的依据冲击韧度作为衡量材料刚性的依据第22页，本讲稿共26页二、多次重复冲击试验的概念二、多次重复冲击试验的概念在小能量多次冲击破坏时，应进行多次重复冲击在小能量多次冲击破坏时，应进行多次重复冲击试验测定其多冲抗力试验测定其多冲抗力材料制成专门的多冲缺口试样材料制成专门的多冲缺口试样1放在多冲试验机放在多冲试验机上，使之受到试验机锤头上，使之受到试验机锤头2的小能量（的小能量（15J)多次多次冲击。测定材料在一定冲击能量下，开始出现裂冲击。测定材料在一定冲击能量下，开始出现裂纹或最后破断的冲击次数作为多冲抗力指标纹或最后破断的冲击次数作为多冲抗力指标第23页，本讲稿共26页 第四节第四节 金

19、属疲劳的概念金属疲劳的概念交变压力：是指大小和方向构随时间周期变化的应力交变压力：是指大小和方向构随时间周期变化的应力金金属属的的疲疲劳劳：在在多多次次交交变变应应力力作作用用，金金属属会会在在远远小小于于抗抗拉拉强强度度b，甚至小于屈服点甚至小于屈服点s。的应力下失效（出现裂纹或完全断裂）。的应力下失效（出现裂纹或完全断裂）。疲劳曲线疲劳曲线：实验证明，一般钢铁材料所受交变应力最大值：实验证明，一般钢铁材料所受交变应力最大值max与与其失效前的应力循环次数（疲劳寿命）其失效前的应力循环次数（疲劳寿命）N的曲线关系。的曲线关系。疲劳极限疲劳极限-1：材料可经受无数次应力循环而不失效的应力值。：

20、材料可经受无数次应力循环而不失效的应力值。通通常常规规定定经经受受107循循环环周周次次而而不不失失效效的的最最大大应应力力为为钢钢铁铁的的疲疲劳劳极限极限第24页，本讲稿共26页 第四节第四节 金属疲劳的概念金属疲劳的概念交变压力：是指大小和方向构随时间周期变化的应力交变压力：是指大小和方向构随时间周期变化的应力金金属属的的疲疲劳劳：在在多多次次交交变变应应力力作作用用，金金属属会会在在远远小小于于抗抗拉拉强强度度b，甚至小于屈服点，甚至小于屈服点s。的应力下失效（出现裂纹或完全断裂）。的应力下失效（出现裂纹或完全断裂）。疲劳曲线疲劳曲线：实验证明，一般钢铁材料所受交变应力最大值：实验证明，

21、一般钢铁材料所受交变应力最大值max与其失效前的应力循环次数（疲劳寿命）与其失效前的应力循环次数（疲劳寿命）N的曲线关系。的曲线关系。疲劳极限疲劳极限-1：材料可经受无数次应力循环而不失效的应力值。：材料可经受无数次应力循环而不失效的应力值。通通常常规规定定经经受受107循循环环周周次次而而不不失失效效的的最最大大应应力力为为钢钢铁铁的的疲疲劳劳极极限限 1107(108)N第25页，本讲稿共26页 疲疲劳劳破破坏坏的的过过程程：一一般般认认为为，在在突突变变应应力力作作用用下下，材材料料的的某某些些局局部部地地区区逐逐渐渐产产生生微微小小的的裂裂纹纹，尤尤其其在在氧氧化化物物、硫硫化化物物等等非非金金属属夹夹杂杂物物和和钢钢件件表表面面的的沟沟槽槽、螺螺纹纹根根部部、加加工工刀刀痕痕等等处处，更更易易诱诱发发裂裂纹纹。随随着着应应力力循循环环次次数数的的增增加加，裂裂纹纹逐逐渐渐扩扩展展，使使钢钢件件剩剩下下的的断断面面大大为为减减小小，以以致致不能承受载荷而突然断裂。不能承受载荷而突然断裂。各各向向异异性性:由由于于晶晶体体中中原原子子的的规规则则排排列列，晶晶格格上上不不同同的的晶晶面面和和晶晶向向的的原原子子密密度度便便不不相相同同，因因而而沿沿着着一一个个晶晶体体的的不不同同方方向向所所测测得得的性能也不相同的现象。的性能也不相同的现象。第26页，本讲稿共26页