模块一金属材料力学性能与测试PPT学习教案.pptx

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1、会计学 1模块(m kui)一金属材料力学性能与测试第一页，共24 页。机械工程材料(cilio)金属材料非金属材料黑色金属(hisjngsh)碳素钢有色金属(yus jnsh)铸铁合金钢无机非金属材料有机材料塑料橡胶陶瓷合成纤维铝合金铜合金其他有色合金复合材料粉末冶金上述各种材料中，金属材料是工程中应用最广泛的。第 1 页/共 24 页第二页，共24 页。东汉(DngHn)晚期的青铜奔马（马踏飞燕）第 2 页/共 24 页第三页，共24 页。河北(h bi)沧州的铁狮子第 3 页/共 24 页第四页，共24 页。第一节金属材料的力学性能第一节金属材料的力学性能铸造 铸造(zhzo)(zhzo

2、)性 性 可锻性 可锻性可焊性 可焊性切削加工性 切削加工性热处理性 热处理性金属材料的性能(xngnng)使用性能力学性能物理性能化学(huxu)性能 工艺性能第 4 页/共 24 页第五页，共24 页。工艺性能是指金属材料在加工制造中表现出的性能，显示 工艺性能是指金属材料在加工制造中表现出的性能，显示了金属材料加工制造的难易程度。了金属材料加工制造的难易程度。使用性能是指金属材料在正常工作条件下，材料应具备的 使用性能是指金属材料在正常工作条件下，材料应具备的性能，它包括力学性能、和物理性能化学 性能，它包括力学性能、和物理性能化学(huxu)(huxu)性能，重点是 性能，重点是力学性

3、 力学性能。金属材料在外力（载荷）作用下所表现出的抵抗变形和破 能。金属材料在外力（载荷）作用下所表现出的抵抗变形和破坏的能力，叫力学性能；是金属材料重要的指标。金属材料的 坏的能力，叫力学性能；是金属材料重要的指标。金属材料的力学性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。力学性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。材料的力学性能通常是在试验室内模拟生产条件来确定合 材料的力学性能通常是在试验室内模拟生产条件来确定合适的试验方法。利用不同的试验方法来确定材料的力学行为特 适的试验方法。利用不同的试验方法来确定材料的力学行为特征及评定材料力学性能的指标。这些性能指标是材料设计、材

4、征及评定材料力学性能的指标。这些性能指标是材料设计、材料选用、工艺评定以及材料检验的重要依据。料选用、工艺评定以及材料检验的重要依据。C:Documents and SettingsAdministrator C:Documents and SettingsAdministrator桌面 桌面 二维动画 二维动画 材料 材料所受外力的形式 所受外力的形式.swf.swf第一节 第一节 金属材料的力学性能 金属材料的力学性能一、强度 一、强度可通过金属拉伸试验来测定。可通过金属拉伸试验来测定。第 5 页/共 24 页第六页，共24 页。、拉伸试验及力、拉伸试验及力 伸长曲线 伸长曲线根据拉伸力与

5、试样变形量之间的对应关系，可以绘制出力 根据拉伸力与试样变形量之间的对应关系，可以绘制出力(ch l)(ch l)伸长曲线图（一般由拉伸试验机自动绘出）如下图所示所示。通 伸长曲线图（一般由拉伸试验机自动绘出）如下图所示所示。通过力 过力 伸长曲线，即可计算得出强度指标和塑性指标，这些指标 伸长曲线，即可计算得出强度指标和塑性指标，这些指标是评定材料质量的主要判据。是评定材料质量的主要判据。拉伸(l shn)试样式第 6 页/共 24 页第七页，共24 页。液压式万能(wnnng)电子材料试验机第 7 页/共 24 页第八页，共24 页。拉伸(l shn)试样的颈缩现象C:Documents

6、and SettingsAdministrator桌面 二维动画 低碳钢应力应变图.swf第 8 页/共 24 页第九页，共24 页。第 9 页/共 24 页第十页，共24 页。伸长(shn chn)量度L载荷(zi h)F(N)FbFsFeFpp弹性变形外力去除后能完全(wnqun)消失的变形；塑性变形外力去除后不能消失的变形。第 10 页/共 24 页第十一页，共24 页。根据材料的拉伸曲线可知，不同的金属材料有不同的拉伸 根据材料的拉伸曲线可知，不同的金属材料有不同的拉伸曲线，而即使同一材料，当直径不同时，位伸曲线也不一样，曲线，而即使同一材料，当直径不同时，位伸曲线也不一样，为了比较不

7、同材料的力学性能的大小，我们引入了强度和塑性 为了比较不同材料的力学性能的大小，我们引入了强度和塑性两个名词。两个名词。、强度、强度强度是指金属材料在外力作用下抵抗塑性（永久变形）和 强度是指金属材料在外力作用下抵抗塑性（永久变形）和断裂的能力 断裂的能力,用；表示，用；表示，O O（MPa MPa 兆帕）。兆帕）。F-F-金属材料所受的外力，金属材料所受的外力，N N；O-O-金属材料原始截面积，金属材料原始截面积，m2 m2。根据金属材料所受载荷所产生的不同的变形情况，有三个 根据金属材料所受载荷所产生的不同的变形情况，有三个重要的强度参数 重要的强度参数(cnsh)(cnsh)，分别是弹

8、性强度（弹性极限）、屈强度，分别是弹性强度（弹性极限）、屈强度和抗 和抗拉强度（强度极限）。拉强度（强度极限）。（）弹性强度（）弹性强度金属材料在载荷作用下产生弹性变形所能承受的最大应力 金属材料在载荷作用下产生弹性变形所能承受的最大应力称为弹性强度，用 称为弹性强度，用e e 表示，表示，e e e e O O 单位 单位(MPa)(MPa)。第 1 1 页/共 24 页第十二页，共24 页。e-e-金属材料产生弹性变形所能承受的最大外力，金属材料产生弹性变形所能承受的最大外力，N N；O-O-金属材料原始截面积，金属材料原始截面积，m2 m2。（）屈服强度（）屈服强度金属材料在载荷作用下开

9、始明显塑性变形时的最低应力称 金属材料在载荷作用下开始明显塑性变形时的最低应力称为塑性强度，用 为塑性强度，用s s 表示，表示，s s s s O O 单位 单位(MPa)(MPa)。e-e-金属材料产生塑性变形所能承受的最低外力，金属材料产生塑性变形所能承受的最低外力，N N；O-O-金属材料原始截面积，金属材料原始截面积，m2 m2。生产中使用的某些金属材料无明显的屈服现象时，不能确 生产中使用的某些金属材料无明显的屈服现象时，不能确定其屈服点时，国标中规定，有条件屈服强度来表示，即材料 定其屈服点时，国标中规定，有条件屈服强度来表示，即材料变形时为试样标距长度的 变形时为试样标距长度的

10、0.2%0.2%时，材料所能承受的应力，用 时，材料所能承受的应力，用符号 符号0.2 0.2 表示。表示。（）抗拉强度（）抗拉强度(kn(kn l qin l qin d)d)金属材料在断裂前所能承受的最大应力称为抗拉强度 金属材料在断裂前所能承受的最大应力称为抗拉强度(kn(kn l l qin qin d)d)，用，用符号 符号b b 表示，表示，b b b b O O 单位 单位(MPa)(MPa)。第 12 页/共 24 页第十三页，共24 页。b-b-金属材料在断裂前所能承受的最大外力，金属材料在断裂前所能承受的最大外力，N N；O-O-金属材料原始截面积，金属材料原始截面积，m2

11、 m2。由于脆性材料没有屈服现象，用 由于脆性材料没有屈服现象，用b b 作为设计依据。作为设计依据。二、塑性 二、塑性塑性是指金属材料在外力作用下产生 塑性是指金属材料在外力作用下产生(ch(ch nshng)nshng)塑性变形而 塑性变形而不破坏的 不破坏的能力，常用的塑性指标有伸长率 能力，常用的塑性指标有伸长率 和断面收缩率 和断面收缩率。、伸长率、伸长率材料拉断后，标距长度的增加量与原标距长度的百分比称 材料拉断后，标距长度的增加量与原标距长度的百分比称为伸长率，用 为伸长率，用 表示；表示；式中，式中，l0 l0 材料原标距原长度，材料原标距原长度，mm mm；l1 l1 材料断

12、裂后标距长度，材料断裂后标距长度，mm.mm.第 13 页/共 24 页第十四页，共24 页。、断面收缩率、断面收缩率材料拉断后，标距横截面积的缩减量与原横截面积的百分 材料拉断后，标距横截面积的缩减量与原横截面积的百分比称为断面收缩率，用字母 比称为断面收缩率，用字母 表示；表示；式中，式中，A0 A0 试样原始横截面积，试样原始横截面积，mm2 mm2；A1 A1 拉断后最小的横截面积，拉断后最小的横截面积，mm2 mm2。和 和 是衡量金属材料塑性变形能力大小 是衡量金属材料塑性变形能力大小(dxi(dxi o)o)的指标，的指标，和 和 越大，表示材料的塑性越好，既能保证压力加工的顺利

13、进行，越大，表示材料的塑性越好，既能保证压力加工的顺利进行，又保证机件工作时的安全可靠。又保证机件工作时的安全可靠。第 14 页/共 24 页第十五页，共24 页。三、硬度 三、硬度硬度是衡量金属材料软硬程度的指标，是金属表面抵抗局 硬度是衡量金属材料软硬程度的指标，是金属表面抵抗局部塑性变形或破坏的能力。目前生产上应用最广的静载荷压入 部塑性变形或破坏的能力。目前生产上应用最广的静载荷压入法硬度试验 法硬度试验(shyn)(shyn)有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。1 1、布氏硬度、布氏硬度试验 试验(shyn)(shyn)原理如图所示；用一定直径的钢球或硬质

14、全金球，原理如图所示；用一定直径的钢球或硬质全金球，以 以 第 15 页/共 24 页第十六页，共24 页。相应的试验力压入试样表面，经规定 相应的试验力压入试样表面，经规定(gudng)(gudng)的保持时间后，卸 的保持时间后，卸除试验 除试验力，用读数显微镜测量试样表面的压痕直径，用试验力除以 力，用读数显微镜测量试样表面的压痕直径，用试验力除以压痕球形表面积所得到的商，就是布氏硬度值。当压头为淬火 压痕球形表面积所得到的商，就是布氏硬度值。当压头为淬火钢球时，用 钢球时，用HBS HBS 表示，它适用于硬度值在 表示，它适用于硬度值在450 450 以下材料，当压 以下材料，当压头为

15、硬质合金时，用 头为硬质合金时，用HBW HBW 表示 表示,适用 适用于硬度值在 于硬度值在650 650 以下。以下。对于不同的金属材料，只要保 对于不同的金属材料，只要保证 证F/A F/A 恒定，就可以保证压痕的几何 恒定，就可以保证压痕的几何形状不同，则测试的结果就可以反 形状不同，则测试的结果就可以反映出来不同材料的硬度值。映出来不同材料的硬度值。C:Documents and Settings C:Documents and SettingsAdministrator Administrator 桌面 桌面 二维动画 二维动画 布氏硬度 布氏硬度1.swf 1.swf布氏硬度计

16、第 16 页/共 24 页第十七页，共24 页。第 17 页/共 24 页第十八页，共24 页。冲击(chngj)试验原理C:Documents and SettingsAdministrator桌面二维动画摆锤式冲击(chngj)试验.swf第 18 页/共 24 页第十九页，共24 页。第 19 页/共 24 页第二十页，共24 页。此时试样冲断时所消耗的冲击功 此时试样冲断时所消耗的冲击功Ak Ak 为 为:A k=m g H m g h(J)A k=m g H m g h(J)而金属的冲击韧度 而金属的冲击韧度a k a k 就是冲断试样时在缺口处单位面积 就是冲断试样时在缺口处单位面

17、积(min j)(min j)所 所消耗的功，即：消耗的功，即：a k=(J/cm)a k=(J/cm)式中：式中：a k a k 冲击韧度，冲击韧度，J/cm J/cm；A A 试样缺口处原始截面积 试样缺口处原始截面积(min j)(min j)，cm cm；A k A k 冲断试样所消耗的功，冲断试样所消耗的功，J J。冲击吸收功 冲击吸收功A k A k 的值可从试验机上的刻盘上直接读出，如 的值可从试验机上的刻盘上直接读出，如下图所示。下图所示。A kA第 20 页/共 24 页第二十一页，共24 页。五、疲劳强度 五、疲劳强度 许多机械零件 许多机械零件(ln(ln jin)jin

18、)是在交变应力（循环应力）作用 是在交变应力（循环应力）作用下工作的，下工作的，此时，虽然零件 此时，虽然零件(ln(ln jin)jin)所承受的应力数值小于材料的屈服 所承受的应力数值小于材料的屈服强度，但在 强度，但在长时间运转后也会发生断裂，这种现象叫疲劳断裂。长时间运转后也会发生断裂，这种现象叫疲劳断裂。交变应力的大小和断裂循环次数之间的关系通常用疲劳曲 交变应力的大小和断裂循环次数之间的关系通常用疲劳曲疲劳曲线第 21 页/共 24 页第二十二页，共24 页。线来来描述。疲劳曲线表明，当应力低于某一值时，即使循环 线来来描述。疲劳曲线表明，当应力低于某一值时，即使循环次数无穷多也不

19、发生断裂 次数无穷多也不发生断裂(dun li)(dun li)，此应力值称为疲劳强度或疲劳极，此应力值称为疲劳强度或疲劳极限，用符号 限，用符号-1-1 表示。在疲劳强度测定中，不可能把循环次数 表示。在疲劳强度测定中，不可能把循环次数做到无穷大，而是规定一定的循环次数作国基数。做到无穷大，而是规定一定的循环次数作国基数。常用钢材的循环基数一般取 常用钢材的循环基数一般取 N=107 N=107，有色金属的循环次，有色金属的循环次数一般取 数一般取 N=108 N=108。第 22 页/共 24 页第二十三页，共24 页。小资料 金属的高温力学性能 金属材料随温度的升高(shn o)，弹性模

20、量E、屈服强度S、硬度等值降低，而塑性增加 的现象称高温蠕变。小资料：纽约世界贸易中心大楼曾是世界第一高楼，它高411 米，单个塔楼的重量约5 万吨；撞击大楼的波音757 飞机起飞重量104 吨，波音767 飞机起飞重量156 吨，它们的飞行速度大约是每小时1000公里。这次撞击大楼的波音757 飞机大约可载35 吨燃油，波音767 飞机可载51 吨燃油，由于是从美国东部飞往西部的远程航班，所以飞机上的油箱估计装满了燃油。第一波飞机撞击世贸大楼的北部塔楼接近顶部的位置。大火燃烧了1 小时43 分钟后世贸大楼北部塔楼才倒塌。第二波飞机于撞击世贸大楼的南部塔楼。撞击位置较低，上层压力很大，大火燃烧了1 小时零2 分钟后，后被撞击的南部塔楼反而率先倒塌。C:Documents and SettingsAdministrator 桌面 录像911.rm 第 23 页/共 24 页第二十四页，共24 页。