金属材料与热处理(司卫华)04027课件第1章.ppt
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1、 第一章 金属材料的力学性能化学工业出版社本章导读v金属材料在现代工业中的广泛应用主要是由于其能满足各种工程构件或机械零件所需的力学性能和工艺性能要求,所以掌握各种金属材料的力学性能及其变化规律,根据工作条件及力学性能选择材料,充分发挥其性能潜力,是保证构件或零件质量的基础。v使用性能:材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。v工艺性能:材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。概述v金属材料的力学性能是指在承受各种外加载荷(拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等)时,对变形与断裂的抵抗能力及发生变形的能力。概述v材料在外力的作用下将发生
2、形状和尺寸变化,称材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化,称为变形。为变形。v外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。v外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。力学性能v材料在力的作用下,诸如不同载荷所造成的弹性变形、塑性变形、断裂(脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂等)以及金属抵抗变形和断裂能力的衡量指标。v常用的力学性能有:强度、刚度、弹性、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳极限等。1.1强度与塑性v强度是指金属材料在静载荷作用下,抵抗塑性变形和断裂的能力。v塑性是指金属材料在静载荷作用下产生塑性变形而不致引起破坏的能力。v金属材料
3、的强度和塑性的判据可通过拉伸试验测定。一、拉伸实验一、拉伸实验(GB/T228-2002)1.拉伸试样拉伸试样2.力力伸长曲线伸长曲线(以低碳钢试样为例)(以低碳钢试样为例)3.脆性材料的拉伸曲线脆性材料的拉伸曲线返返 回回上一页上一页下一页下一页回主页回主页1.拉伸试样(拉伸试样(GB6397-86)长试样:长试样:L0=10d0短试样:短试样:L0=5d0返返 回回上一页上一页下一页下一页回主页回主页 万能材料试验机 a)WE系列液压式 b)WDW系列电子式2.力伸长曲线力伸长曲线弹性变形阶段弹性变形阶段屈服阶段屈服阶段颈缩现象颈缩现象拉伸试验拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。中得
4、出的拉伸力与伸长量的关系曲线。强化阶段强化阶段返返 回回上一页上一页下一页下一页回主页回主页 (a)试样(b)伸长(c)产生缩颈(d)断裂拉拉伸伸试试样样的的颈颈缩缩现现象象LF0 03.脆性材料的拉伸曲线(与低碳钢试样相对比)脆性材料的拉伸曲线(与低碳钢试样相对比)脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。返返 回回上一页上一页下一页下一页回主页回主页应力应力 =P/F0应变应变 =(l-l0)/l0二、刚度v刚度是指材料抵抗弹性变形的能力,金属材料刚度的大小一般用弹性模量E表示。v在拉伸曲线上,弹性模量就是直线(OP)部分的斜率。对于材料而言,弹性模量E越大,
5、其刚度越大。弹性模量的大小主要取决于材料的本性,除随温度升高而逐渐降低外,其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。材 料弹性模量E/105MPa弹性极限e/MPa中 碳 钢2.1310弹 簧 钢2.1965硬 铝0.724125铜1.127.5铍 青 铜1.2588磷 青 铜1.01450v结构的刚度除取决于组成材料的弹性模量外,还同其几何形状、截面尺寸等因素以及外力的作用形式有关,在弹性模量E一定时,零件或构件的截面尺寸越大,其刚度越高。v对于一些须严格限制变形的结构(如机翼、高精度的装配件等),须通过刚度分析来
6、控制变形。许多结构(如建筑物、船体结构等)也要通过控制刚度以防止发生振动、颤振或失稳。弹性极限弹性极限e e 弹性极限是指在产生完全弹性变形时材料所能承受弹性极限是指在产生完全弹性变形时材料所能承受的最大应力,即:的最大应力,即:式中式中FeFe试样完全弹性变形时所能承受的最大载荷,试样完全弹性变形时所能承受的最大载荷,N N;AoAo试样原始截面积,试样原始截面积,mmmm2 2。在实际工程应用中,在最大许用应力条件下是在实际工程应用中,在最大许用应力条件下是否产生或产生多大微量塑性变形是重要的,具有实否产生或产生多大微量塑性变形是重要的,具有实际意义。际意义。三、强度三、强度v强度是指金属
7、材料抵抗塑性变形和断裂的能力,是工程技术上重要的力学性能指标。v按照载荷的性质,材料强度有静强度、疲劳强度等;按照环境条件,材料强度有常温强度、高温强度等,高温强度又包括蠕变极限和持久强度。v除了上述材料强度外,还有机械零件和构件的结构强度。v工程上常用的强度指标有强度指标有屈服强度、规定残余延伸强度、抗拉强度等。v材料强度的大小通常用单位面积上所承受的力来表示,其单位为N/m2(Pa),但Pa这个单位太小,所以实际工程中常用MPa(MPa=106Pa)作为强度的单位。v一般钢材的屈服强度在2002000MPa之间,如建造2008年北京奥运会主体育场“鸟巢”外部钢结构的Q460E钢,其屈服强度
8、为460MPa。1.屈服强度(1)屈服现象v在金属拉伸试验过程中,当应力超过弹性极限后,变形增加较快,此时除了弹性变形外,还产生部分塑性变形。当外力增加到一定数值时突然下降,随后,在外力不增加或上下波动情况下,试样继续伸长变形,在力伸长曲线出现一个波动的小平台,这便是屈服现象。(2)屈服强度v在拉伸曲线上,与上、下屈服点相对应的应力称为上、下屈服强度,分别用ReH和ReL表示。ReH和ReL的计算公式如下:(3)规定残余延伸强度v对于高碳淬火钢、铸铁等材料,在拉伸试验中没有明显的屈服现象,无法确定其屈服强度。v国标GB228-2002规定,一般规定以试样达到一定残余伸长率对应的应力作为材料的屈
9、服强度,称为规定残余延伸强度,通常记作Rr。例如Rr0.2表示残余伸长率为0.2%时的应力。v例如Rr0.2表示规定残余延伸率为0.2时的应力。其计算公式为:Rr0.2F0.2/S0(N/mm2)式中:F0.2残余延伸率达0.2时的载荷(N);S0试样原始横截面积(mm2)。LF0 0F0.20.2%L0F0.2S0Rr0.2=v工程上各种构件或机器零件工作时均不允许发生过量塑性变形,因此屈服强度ReL和规定残余延伸强度Rr是工程技术上重要的力学性能指标之一,也是大多数机械零件选材和设计的依据。vReL 和Rr 常作为零件选材和设计的依据。v传统的强度设计方法,对韧性材料,以屈服强度为标准,规
10、定许用应力=ReL/n,安全系数n一般取2或更大。2.抗拉强度抗拉强度抗拉强度 材料在断裂前所能承受的最大应力,用符号材料在断裂前所能承受的最大应力,用符号Rm m表表示。示。Rm=FbS0计算公式计算公式v抗拉强度Rm的物理意义是塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力。v铸铁等脆性材料拉伸过程中一般不出现缩颈现象,抗拉强度就是材料的断裂强度。v断裂是零件最严重的失效形式,所以,抗拉强度也是机械工程设计和选材的主要指标,特别是对脆性材料来讲。3.强度的意义 v强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力,一般钢材的屈服强度在2001000MPa之间。v强度越高,表明材料在工作时越可以承受较高的载荷。当
11、载荷一定时,选用高强度的材料,可以减小构件或零件的尺寸,从而减小其自重。v因此,提高材料的强度是材料科学中的重要课题,称之为材料的强化。四、塑性(二)衡量指标(二)衡量指标金属材料断裂前发生永久变形的能力。金属材料断裂前发生永久变形的能力。断面收缩率:断面收缩率:伸长率:伸长率:试样拉断后,标距的伸长与原始标距的百分比。试样拉断后,标距的伸长与原始标距的百分比。试样拉断后,颈缩处的横截面积的缩减量与原试样拉断后,颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。始横截面积的百分比。返返 回回上一页上一页下一页下一页回主页回主页(一)(一)定义定义断后伸长率(断后伸长率(A)l1-l0l0100%
12、A=l1试样拉断后的标距试样拉断后的标距,mm;l0试样的原始标距试样的原始标距,mm。返返 回回上一页上一页下一页下一页回主页回主页v同一材料的试样长短不同,测得的断后伸长率略有不同。v由于大多数韧性金属材料的集中塑性变形量大于均匀塑性变形量,因此,比例试样的尺寸越短,其断后伸长率越大,用短试样(L05d0)测得的断后伸长率A略大于用长试样(L010d0)测得的断后伸长率A11.3。断面收缩率(断面收缩率(Z)S0-S1S0Z=100%S0试样原始横截面积试样原始横截面积,mm2;S1颈缩处的横截面积颈缩处的横截面积,mm2。返返 回回上一页上一页下一页下一页回主页回主页三、塑性的意义v任何
13、零件都要求材料具有一定的塑性。很显然,断后伸长率A和断面收缩率Z越大,说明材料在断裂前发生的塑性变形量越大,也就是材料的塑性越好。v意义:a)安全,防止产生突然破坏;b)缓和应力集中;c)轧制、挤压等冷热加工变形。v强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。在金属材料的工程应用中,要提高强度,就要牺牲一部分塑性。反之,要改善塑性,就必须牺牲一部分强度。v正所谓“鱼和熊掌二者不能兼得”。但通过细化金属材料的显微组织,可以同时提高材料的强度和塑性。通常情况下金属的伸长率不超过90%,而有些金属及其合金在某些特定的条件下,最大伸长率可高达1000%2000%,个别的可达6000%,这种现象称为超塑性。由于
14、超塑性状态具有异常高的塑性,极小的流动应力,极大的活性及扩散能力,在压力加工、热处理、焊接、铸造、甚至切削加工等很多领域被中应用。GB/T 228-2002新标准 GB/T 228-1987旧标准名称符号名称符号屈服强度屈服点s上屈服强度ReH上屈服点sU下屈服强度ReL下屈服点sL规定残余延伸强度Rr规定残余延伸应力r抗拉强度Rm抗拉强度b断后伸长率A或A11.3断后伸长率5或10断面收缩率Z断面收缩率1.2 硬硬 度度v材料抵抗表面局部塑性变形的能力。材料抵抗表面局部塑性变形的能力。(一)布氏硬度(一)布氏硬度(二)洛氏硬度(二)洛氏硬度1.原理原理2.应用应用3.优缺点优缺点 1.原理原
15、理2.应用应用3.优缺点优缺点4.实验(录像)实验(录像)4.实验(录像)实验(录像)返返 回回上一页上一页下一页下一页回主页回主页(一)布氏硬度布氏硬度试验是指用一定直径的 硬质合金球以相应的试验力压入式样表面,经规定保持时间后卸除试验力,用测量的表面压痕直径计算硬度的一种压痕硬度试验。返返 回回上一页上一页下一页下一页回主页回主页布氏硬度试验原理图1.原理原理布氏硬度布氏硬度=F S凹凹=2FDD-(D-d)(一)布氏硬度(一)布氏硬度返返 回回上一页上一页下一页下一页回主页回主页v布氏硬度实际测试时,硬度值是不用计算的,利用刻度放大镜测出压痕直径d,根据值d查平面布氏硬度表即可查出硬度值
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