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金属材料的力学性能

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金属材料的力学性能 金属的力学性能 金属材料力学性能 金属材料性能
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第一章 金属材料的力学性能 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。 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形状和尺寸变化,称 为变形。 v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。 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。 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金属材料的强度和塑性的判据可通过拉伸试验 测定。 一、拉伸实验 (GB/T228-2002) 1. 拉伸试样(GB6397-86) 长试样:L0=10d0 短试样:L0=5d0 返 回上一页下一页回主页 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 弹性变形阶段 屈服阶段 颈缩现象 拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。 强化阶段 返 回上一页下一页回主页 (a)试样 (b)伸长 (c)产生缩颈 (d)断裂 拉伸试样的颈缩现象 ΔL F 0 3. 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。 返 回上一页下一页回主页 应力 = P/F0 应变 = (l-l0)/l0 1.弹性极限σe 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: 式中Fe——试样完全弹性变形时所能承受的最大载荷,N ; Ao——试样原始截面积,mm2。 二、强度 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 际意义。 v强度是指金属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200~2000MPa 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 强度为460MPa。 (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 (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 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: Rr0.2=F0.2 / 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)。 ΔL F 0 F0.2 0.2%L0 F0.2 S0 Rr0.2= 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,规定许用应力[σ]= ReL /n, 安全系数n一般取2或更大。 3.抗拉强度 材料在断裂前所能承受的最大应力,用符号Rm表 示。 Rm= Fb S0 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。 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200~1000MPa 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。 4.强度的意义 (二)衡量指标 金属材料断裂前发生永久变形的能力。 断面收缩率: 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,颈缩处的横截面积的缩减量与 原始横截面积的百分比。 返 回上一页下一页回主页 (一) 定义 三、塑性 断后伸长率( A ) l1-l0 l0 ×100%A= l1——试样拉断后的标距,mm; l0——试样的原始标距,mm。 返 回上一页下一页回主页 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(L0 =5d0)测得的断后伸长率A略大于用长试样 (L0=10d0)测得的断后伸长率A11.3。 断面收缩率( Z ) S0-S1 S0 Z=×100% S0——试样原始横截面积,mm2; S1——颈缩处的横截面积,mm2 。 返 回上一页下一页回主页 塑性的意义 v任何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。 四、刚度 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。 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 ,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σe/MPa 中 碳 钢2.1 310 弹 簧 钢2.1 965 硬 铝0.724 125 铜1.1 27.5 铍 青 铜1.2 588 磷 青 铜1.01 450 v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。 小结 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。 延伸阅读 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①-屈服点σs 上屈服强度ReH上屈服点σsU 下屈服强度ReL下屈服点σsL 规定残余延伸 强度 Rr规定残余延伸 应力 σr 抗拉强度Rm抗拉强度σb 断后伸长率A或A11.3断后伸长率δ5或δ10 断面收缩率Z断面收缩率ψ v材料抵抗表面局部塑性变形的能力。 五、 硬 度 (一)布氏硬度 (二)洛氏硬度 1. 原理 2. 应用 3. 优缺点 1. 原理 2. 应用 3. 优缺点 返 回上一页下一页回主页 (一)布氏硬度 ① 布氏硬度试验是指用一定直径的 硬质合金球以 相应的试验力压入试样表面,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 回上一页下一页回主页 布氏硬度试验原理图 1. 原理 布氏硬度= F S凹 = 2F πD[D-(D²-d ²)½] (一)布氏硬度 返 回上一页下一页回主页 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(详见 附表B)。 v目前,金属布氏硬度试验方法执行时 GB/T231-2002标准,用符号HBW表示,布 氏硬度试验范围上限为650HBW。 测量比较软的材料。 测量范围 650HBW的金 属材料。 3. 优缺点 2. 应用 压痕大,测量准确, 但不能测量成品件。 返 回上一页下一页回主页 1. 原理 (二)洛氏硬度 返 回上一页下一页回主页 加初载荷加主载荷卸除主载荷读硬度值 返 回上一页下一页回主页 2. 应用范围 20~671500N 120°金刚石 圆锥体 HRC 25~1001000N 1.588mm钢 球 HRB 70~85600N 120°金刚石 圆锥体 HRA 返 回上一页下一页回主页 常用洛氏硬度标度的试验范围 优点:操作简便、迅速,效率 高,可直接测量成品件 及高硬度 的材料。 3. 优缺点 缺点:压痕小,测量不准确, 需多次测量。 返 回上一页下一页回主页 (三)维氏硬度 (HV) (1)测试原理 和布氏硬度试验原理基 本相同。 (2)表示方法 例如:640HV30/20。 (3)适用范围 用于测量金属镀层薄片 材料和化学热处理后 的表面硬度。 维氏硬度测试原理示意 v各硬度值之间大致有以下关系: v布氏硬度值在200~450HBW范围内, HBW=10HRC; v布氏硬度值小于450HBW, v HBW≈HV 引言: 强度、硬度、塑性等力学性能指标都 是材料在静载荷作用下的表现。 材料在工作时还经常受到动载荷的作 用,冲击载荷就是常见的一种。 静载荷 v包括不随时间变化的恒载(如自重)和加载 变化缓慢以至可以略去惯性力作用的准静载 (如锅炉压力); 六、冲击韧性 动载荷 v动载荷包括短时间快速作用的冲击载荷(如空气锤)、 随时间作周期性变化的周期载荷(如空气压缩机曲轴) v其对材料的作用效果或破坏效应大于静载荷。 v冲击载荷 v冲击韧性的概念 v冲击试验 v温度对金属材料韧性的影响 v提高金属材料韧性的措施 1.冲击载荷 Ø在很短时间内作用物体上的 载荷称为冲击载荷。 Ø加载时间短,加载速率高; Ø有时利用,有时尽量避免或 减小。 Ø载荷作用效果大,所以必须 考虑材料在冲击载荷作用下 抵抗破坏的能力,即冲击韧 性。 v冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载时间短、加 载速率高、应力集中。由于加载速率提高,金属形 变速率也随之增加,一般冲击试验时金属形变速率 ε=102~104 s-1。 v提高应变率将使金属材料的变脆倾向增大,因此冲 击载荷对材料的作用效果或破坏效应大于静载荷。 2.冲击韧性的概念 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力,称 为冲击韧性。 示例:玻璃在冲击载荷作用下非常容易破裂 ,说明其冲击韧性很低。 3.冲击试验 v冲击试样 v冲击试验原理 v一次摆锤冲击试验 v冲击韧性的表示方法 v如不能制备标准试佯,可 采用宽度7.5mm或5mm等 小尺寸试祥,试样的其他尺 寸及公差与相应缺口的标 准试样相同,缺口应开在 试样的窄面上。其中 5mm×10mm×55mm试样 常用于薄板材料的检验。 v焊接接头冲击试样的形状 和尺寸与相应的标准试样 相同,但其缺口轴线应当 垂直焊缝表面。 原理 v冲击韧性可以通过一次摆锤冲击试验来测定,试验 时将带有U型或V型缺口的冲击试样放在试验机架 的支座上,将摆锤升至高度H1,使其具有势能 mgH1;然后使摆锤由此高度自由下落将试样冲断 ,并向另一方向升高至H2,这时摆锤的势能为 mgH2。 v所以,摆锤用于冲断试样的能量 AK=mg(H1-H2),即为冲击功(焦耳/J)。 4.材料冲击韧性的表示方法 v国标GB/T229-1994 v冲击功吸收功:表征金属材料冲击韧性高低 的指标是冲击功吸收功,也就是材料在断裂 前所吸收的能量。 v根据试样缺口的不同,冲击吸收功用AKV和 AKU表示,单位为焦耳,数值可从试验机的刻 度盘上读出。 4.材料冲击韧性的表示方法 v国标GB/T229-2007 v冲击吸收能量:表征金属材料冲击韧性 高低的指标是冲击吸收能量; v K=mg(H1-H2) 4.材料冲击韧性的表示方法 v按照国标GB/T229-2007,U型缺口试样和V型缺 口试样的冲击能量分别表示为KU和KV,并用下标 数字2或8表示摆锤刀刃半径,如KU2 ,其单位是焦 耳(J)。 v冲击吸收能量的大小直接由试验机的刻度盘上直接 读出。 v冲击吸收能量的值越大,材料的韧性越大,越 可以承受较大的冲击载荷。 v冲击吸收能量K或冲击韧性值K越大,材料的韧 性越大,越可以承受较大的冲击载荷。一般把 冲击吸收能量低的材料称为脆性材料,冲击吸 收能量高的材料称为韧性材料。 【小资资料】GB/T 229-2007与GB/T 229- 1994相比,在金属冲击韧性的名称和符号等方面 有较大变化,为方便读者学习,将关于金属材料 冲击韧性的新、旧标准名称和符号对照列于下表 中。 新标准GB/T229-2007 旧标准GB/T229-1994 名称符号名称符号 冲击吸收能量K冲击吸收功AK U型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量KU 2 U型缺口冲击吸收功 (2mm锤刃) AKU U型缺口试样在8mm锤刃下的冲击吸收能量KU 8 V型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量KV 2 V型缺口冲击吸收功 (2mm锤刃) AKV V型缺口试样在8mm锤刃下的冲击吸收能量KV 8 转变温度Tt韧脆转变温度TC v缺口冲击试验最大的优点就是测量迅速简便 v用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接及热 处理等热加工工艺的质量。 v用来评定材料的冷脆倾向(测定韧脆转变温度)。 设计时要求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温 度。 5.冲击试验的应用 5.冲击试验的应用 v缺口冲击试验由于其本身反映一次或少数次大能 量冲击破断抗力,因此对某些特殊服役条件下的 零件,如弹壳、装甲板、石油射孔枪等,有一定 的参考价值。 v通过一次摆锤冲击试验测定的冲击吸收吸收能量K 是一个由强度和塑性共同决定的综合性力学性能 指标,不能直接用于零件和构件的设计计算,但 它是一个重要参考,所以将材料的冲击韧性列为 金属材料的常规力学性能,ReL(Rr0.2)、Rm、A、Z 和K被称为金属材料常规力学性能的五大指标。 v低温脆性——随温度降低,材料由韧性状态转变为 脆性状态的现象 。 v冷脆:材料因温度降低导致冲击韧性的急剧下降并 引起脆性破坏的现象。 v对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。 低温脆性 延伸阅读 体心立方金属具有韧脆转变 温度,而大多数面心立方金 属没有。 v冲击韧性与温度有密切的关系,温度降低,冲击韧 性随之降低。当低于某一温度时材料的韧性急剧下 降,材料将由韧性状态转变为脆性状态。这一温度 称为转变温度( Tt )。 v转变温度( Tt )越低,表明材料的低温韧性越好 ,对于在寒冷地区使用的材料要十分重要。 v金属材料的成分对韧脆转变 温度的影响很 大,一般的碳素钢,其韧脆转变 温度( Tt )大约为 -20℃,某些合金钢的韧脆转 变温度( Tt )可达-40℃以下。 TITANIC 建造中的Titanic 号 TITANIC的沉没 与船体材料的质量 直接有关 1912年4月号称永不沉没的泰坦尼克号(Titanic)首航沉没于冰海,成了 20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。20世纪80年代后,材料科学家通过对打 捞上来的泰坦尼克号船板进行研究,回答了80年的未解之谜。由于Titanic 号采用了含硫高的钢板,韧性很差,特别是在低温呈脆性。所以,当船在 冰水中撞击冰山时,脆性船板使船体产生很长的裂纹,海水大量涌入使船 迅速沉没。下图中左面的试样取自海底的Titanic号,冲击试样是典型的脆 性断口,右面的是近代船用钢板的冲击试样。 6.提高冲击韧性的途径 冲击韧 性是一个对材料组织结 构相当敏感的 量,所以提高材料的冲击韧 性的途径有: v 改变材料的成分,如加入钒、钛、铝、氮等 元素,通过细化晶粒来提高其韧性,尤其是 低温韧性; v 提高材料的冶金质量,减少偏析、夹渣、 气泡等缺陷; 人工作久了就会感 到疲劳,难道金属 工作久了也会疲劳 吗? 金属的疲劳能得到 恢复吗? §金属材料在受到交变应力或重复循环应力时,往往在 工作应力小于屈服强度的情况下突然断裂,这种现象称 为疲劳。 七、 疲劳极限 v1998年6月3日,德国发生了战后最惨重的一起铁路交通 事故。一列高速列车脱轨,造成100多人遇难。 v事故的原因已经查清,是因为一节车厢的车轮“内部疲劳 断裂”引起的。首先是一个车轮的轮箍发生断裂,导致车 轮脱轨,进而造成车厢横摆,此时列车正好过桥,横摆 的车厢以其巨大的力量将桥墩撞断,造成桥梁坍塌,压 住了通过的列车车厢,并使已通过桥洞的车头及前5节车 厢断开,而后面的几节车厢则在巨大惯性的推动下接二 连三地撞在坍塌的桥体上,从而导致了这场近50年来德 国最惨重的铁路事故。 1.变动载荷和循环应力 v1.变动载荷 v——引起疲劳破坏的外力,指载荷大小、甚至方 向均随时间变化的载荷,其在单位面积上的平均 值即为变动应力。 v变动应力可分为规则周期变动应力(也称循环应力 )和无规则随机变动应力两种。 金属疲劳产生的原因 a)应力大小变化 b)c)应力大小和方向都变化 d) 应力大小和方向无规则变化 1.平均应力 2.应力幅 t σ 一个应力循环 2.疲劳断裂 零件在循环应力作用下,在一处或几处产生 局部永久性累积损伤,经一定循环次数后突然产 生断裂的过程,称为疲劳断裂. 疲劳断裂由疲劳裂纹产生—扩展—瞬时断 裂三个阶段组成。 v尽管疲劳失效的最终结果是部 件的突然断裂,但实际上它们是 一个逐渐失效的过程,从开始 出现裂纹到最后破断需要经过 很长的时间。 v疲劳断裂的宏观断口一般由三 个区域组成,即疲劳裂纹产生 区(裂纹源)、裂纹扩展区和 最后断裂区。 3.疲劳断口 3.疲劳断口 轴的疲劳断口疲劳辉纹(扫描电镜照片) v当应力低于某值时,材料经受无限次循 环应力也不发生疲劳断裂,此应力称为材 料的疲劳极限,记作σR(R为应力比), 就是S-N曲线中的平台位置对应的应力。 v通常,材料的疲劳极限是在对称弯曲疲 劳条件下(R=-1)测定的,对称弯曲 疲劳极限记作σ-1。 4.疲劳强度 v若疲劳曲线上没有水平部分,常以规定断 裂循环次数对应的应力为条件疲劳极限。 v 对一般低、中强度钢:107周次 v 对高强度钢:108周次 v 对铝合金,不锈钢:108周次 v 对钛合金:107周次 v在工程中,有时根据零件寿命的要求,在规 定的某一循环周次下,测出σmax,并称之为疲 劳强度,实际上就是条件疲劳极限。 5.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。 (2) 提高零件表面加工质量。 (3) 对材料表面进行强化处理。
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