第一章 金属材料的力学性能
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第一章 金属材料的力学性能. 第一节 刚度、强度、塑性. 第二节 冲击韧性. 第三节 疲劳强度. 第四节 硬度. 第一节 刚度、强度、塑性. 刚度、强度和塑性是根据 拉伸试验 测定出来的。. 一、拉伸试验与拉伸曲线. 1、拉伸试样 试验前在试棒上打出 标距 按国标规定标准拉伸试样可分为: 1) 板形试样:原材料为板材或带材 2) 圆形试样 :长试样 L 0 =10d 0 , 短试样 L 0 =5d 0 其中: L 0 为试样标距, d 0 为试样直径. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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材料及热加工工艺—第一章 金属材料的力学性能
第一章 金属材料的力学性能第一节 刚度、强度、塑
性
第二节 冲击韧性
第三节 疲劳强度
第四节 硬度
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第一节 刚度、强度、塑性
1、拉伸试样 试验前在试棒上打出标距按国标规定标准拉伸试样可分为: 1 ) 板形试样:原材料为板材或带材 2 ) 圆形试样:长试样 L0= 10d0 ,
短试样 L0=5d0
其中: L0为试样标距, d0为试样直径
一、拉伸试验与拉伸曲线刚度、强度和塑性是根据拉伸试验测定出来的。
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2 、拉伸过程将试样装在拉力试验机夹头上,缓慢加载,通过自动记录装置得到试样所受载荷 F 和伸长量△ L 的关系曲线称为拉伸曲线;
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HT-2402-100KN 电脑伺服控制材料实验机
拉伸试样的颈缩现象
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3 、拉伸曲线
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弹性变形 塑性变形
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4 、应力与应变曲线
(3)应力-应变曲线( σ- ε 曲线): 形状和拉伸曲线相同,单位不同。
(1) 应力 σ :单位面积上试样承受的载荷。
——F σ= S 0
( M pa ) F:载荷 ( N )S 0: 原始横截面积 ( mm2)
(2)应变 ε:单位长度的伸长量。
Δlε=
l 0
—— Δl:伸长量 (mm )
l 0 :原始长度( mm)
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5 、不同材料的拉伸曲线
45钢 铝青铜
35钢硬铝
纯铜
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二、通过拉伸试验测得的性能指标
刚度、 强度屈服强度
抗拉强度塑性
伸长率
断面收缩率
1)刚度 表征金属材料抵抗弹性变形的能力。 弹性模量 E :表示引起单位变形时所需要的应力。即材料的 E 越大,产生的弹性变形越小,刚度越大。
E 值主要取决于材料的本性 ;
提高刚度的方法是增加横截面积或改变截面形状。σ= E ε
e
σ
σ
ε
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举例:通过改变横截面积来提高材料的刚度
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2 )强度 金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形和破坏的能力。
a.屈服点、屈服强度:表征金属材料对产生明 显塑性变形的抗力。
屈服点是指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力,用 σS 表示。
o
kb
Fs
s
Δl (ε)
F(σ) Fbe
Fep
Fp
低碳钢的力 -伸长曲线
屈服现象: S 点
σS =FS/S0 (N/mm2
=Mpa)
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对于没有明显屈服现象发生的金属材料,产生规定残余伸长率为 0.2% 时的应力值作为该材料的屈服强度,以 σ0.2 表示。
σ0.2= F0.2 / S0 b.抗拉强度:试样在断裂前所能承受的最大应力。 σσb b = F= Fbb/S/S00
选用原则:若不允许发生过量的塑性变形,以屈服强度 σS 、 σ0.2 为依据;若零件在使用时只要求不发生破坏,以抗拉强度 σσbb 来设计。
σs σbσe
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(1) 断面收缩率 : 是指试样拉断处横截面积的收缩 量 Δ S 与原始横截面积 S0 之比。
(2) 断后伸长率 :是指试样拉断后的标距伸长量 Δ
L 与原始标距 L 0 之比。
3)塑性 : 是指材料在载荷作用下产生不可逆 永久变形而不被破坏的能力。
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说明:
①直径 d0 相同时, l0 ,。只有当 l0/d0 为
常数时,塑性值才有可比性。
当 l0=10d0 时,伸长率用 表示;
当 l0=5d0 时,伸长率用 5 表示。显然 5>
②用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。
③ > 时,无颈缩,为脆性材料表征
< 时,有颈缩,为塑性材料表征
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材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。通常用冲击韧性指标 aK 来度量。
第二节 冲击韧性
冲击试验机 冲击试样和冲击试验示意图
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冲击试验示意
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A kU = m g( H –h )(J)
冲击韧性值 a k 就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。
试样冲断时所消耗的冲击吸收功 A kU为 :
a k = AKS0
(J/cm²)———冲击韧性: U
冲击吸收功的大小与试验的温度有关。材料的韧脆转变温度越低,说明低温冲击性能越好。冲击吸收功的大小并不能真正反映材料的韧脆程度,因为其中有一部分功损失。
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TITANIC
建造中的 Titanic 号
TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关
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Titanic 号钢板(左图)和近代船用钢板(右图)的冲击试验结果
Titanic 近代船用钢板
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第三节 疲劳强度 fatigue strength1 、疲劳断裂原因:疲劳裂纹产生 扩展 瞬时断裂的。
特点:①断裂前无明显
的塑性变形,断裂突然发生;②断裂时应力很
低,大多低于 σs
2 、疲劳强度 : 材料经无数次交变载荷作用而不断裂的最大应力值,用 σ-1 表示,单位为 MPa.
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3 、提高疲劳极限的途径 :
1 )在零件结构设计中尽量避免尖角,缺口和截面 突变,以免产生应力集中而由此产生疲劳裂纹;2) 提高零件表面加工质量,减少疲劳源;3) 采用各种表面强化处理,如表面淬火、喷丸等。
疲劳试验原理示意图
钢铁材料: N=107次 有色金属: N=108次
疲劳曲线 循环次数 N
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(1)布氏硬度 HB
用一定载荷 P ,将直径为D 的球体压入被测材料的表面,保持一定时间后卸去载荷,根据压痕面积 S
确定硬度大小。
1.测量原理
第四节 硬 度硬度 : 是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力。 常用压入法; 三种:布氏、洛氏、维氏硬度
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2.测量过程
注意: d 必须在 0.24~0.6D之间。
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3.测定条件
压头为淬火钢球时 , 以 HBS 表示 ,可测 < 450 的材料;压头为硬质合金时 , 以 HBW 表示 ,可测 <650 的材料。压头直径有 10 、 5 、 2.5 、 2 、 1mm五种。4.表示方法
符号 HBS 或 HBW 之前的数字表示硬度值,符号后 面的数字按顺序分别表示球体直径 mm 、载荷 Kgf
( N )及载荷保持时间 S 。 如 :120HBS10/1000/30 表示直径为 10mm 的钢球在
1000kgf ( 9.807kN )载荷作用下保持 30s 测得的布氏硬度值为 120 。
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布氏硬度的优点:测量误差小,数据稳定。 缺点:压痕大,不能用于太薄件、成品件及比压 头还硬的材料。适于测量灰铸铁、非铁合金及较软钢材的硬度。另外:材料的 b 与 HB之间的经验关系:
对于低碳钢 : b(MPa)≈3.6HB
对于高碳钢: b(MPa)≈3.4HB
对于灰铸铁: b(MPa)≈1HB
或 b(MPa)≈ 0.6(HB-40)
5.优缺点
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(2)洛氏硬度 HR
测量步骤:洛氏硬度 HR 是将标准压头用规定压力压入被测材料表面,根据压痕深度 h 来确定硬度值。值越小,材料越硬。
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分类:根据压头的材料及压头所加的负荷不同又可分为 HRA 、 HRB 、 HRC 三种 :
特点:操作简便,可直接读出硬度值,压痕小,可用于成品件的测量,但测值重复性差。HRC 测定淬火钢的硬度 , 应用最广。
表示方法: 55HRC 表示 C 标度测定的洛氏硬度值为 55 ,无单位。
K
0.2
0.26
0.2
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(3)维氏硬度 HV
HV=0.1891Fd2
FA = 0.1891
表示方法:640HV30/20, 表示在30kgf 作用下保持 20
s ,维氏硬度值为 640 。
测量步骤:用一定载荷 F(N) ,将顶角为 136o 的金刚石四棱锥压入被测材料的表面,保持一定时间后卸去载荷,求出平均压痕对角线的长度,确定硬度大小。
特点:可测较薄的硬化层以及很软、很硬的材料。
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布氏硬度计 洛氏硬度计 维氏硬度计
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硬度的测定