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(共20张PPT)
模块二　金属材料及热处理基础
课题一　金属材料的力学性能
课题二　常用钢、合金钢材料
课题三　铸铁
课题四　非铁金属及新型材料
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课题一　金属材料的力学性能
一、强度、塑性、韧性
金属材料在加工和使用过程中都要承受不同外力的作用,这个外力一般称为载荷.载荷按作用方式不同,可分为拉伸、压缩、弯曲、剪切及扭转等;按大小和方向不同又可分为静载荷和动载荷.静载荷是指力的大小不变或变化缓慢的载荷,如静拉力、静压力等;动载荷是指力的大小和方向随时间而发生改变,如冲击载荷、交变载荷及循环载荷等.
当外力达到或超过某一限度时,材料就会发生变形,甚至断裂.材料在外力作用下所表现的一些性能(如强度、刚度、韧性等),称为材料的力学性能.常用的力学性能指标主要有强度、塑性、硬度和韧性等,这些力学性能指标可通过国家标准试验来测定.
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课题一　金属材料的力学性能
金属材料的强度和塑性指标,可通过金属材料室温拉伸试验来测定.将被测材料的标准试样,装夹在拉伸试验机上进行拉伸试验,可得到描绘应力的大小与试样伸长量关系的曲线,称之为应力Ｇ伸长率曲线.图２-１ 为低碳钢的应力Ｇ伸长率曲线,通过应力Ｇ伸长率曲线,即可得出强度指标和塑性指标,这些指标是评定金属材料力学性能的主要判据.
拉伸试验常用术语:
(１)标距.测量伸长用的试样圆柱或棱柱部分的长度.分原始标距L０(室温下施力前的试样标距)和断后标距Lu(在室温下将断后的两部分试样精密地对接在一起,保证两部分的轴线位于同一条直线上,测量断裂后的标距)
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课题一　金属材料的力学性能
(２)平行长度.试样平行缩减部分的长度.
(３)伸长.试验期间任一时刻原始标距的增量.
(４)伸长率.原始标距的伸长与原始标距L０ 之比的百分率.有残余伸长率(卸除指定的应力后,伸长相对于原始标距的百分率)和断后伸长率A[断后标距的残余伸长(Lu－L０)与原始标距(L０)之比的百分率].
(５)引伸计标距Le.用引伸计测量试样延伸时所使用引伸起始标距长度.
(６)延伸、延伸率e.
延伸是试验期间任一时刻引伸计标距Le 的增量.
(７)最大力Fm.对于无明显屈服的金属材料,为试验期间的最大力.对于有不连续屈服的金属材料,在加工硬化之后,试样所承受的最大力.
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课题一　金属材料的力学性能
(８)应力R0试验期间任一时刻的力除以试样原始截面积S０ 之商.
１.强度
强度是指材料抵抗永久变形和断裂的能力.根据载荷的作用方式不同,强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度、抗扭强度和抗弯强度.通常以抗拉强度代表材料的强度指标.强度的大小通常用应力表示.用符号R 加下角标表示,单位为MPa(兆帕).低碳钢拉伸时常用的强度主要有上屈服点强度ReH、下屈服点强度ReL、抗拉强度Rm、规定塑性延伸强度RP、总延伸强度Rt、残余延伸强度Rr 等.
(１)上屈服强度ReH 和下屈服强度ReL.从图２-２上可以看到,当载荷增加至超过Fe后,试样必定保留部分不能恢复的残余变形,即塑性变形.
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课题一　金属材料的力学性能
在外力达Fs 时曲线出现一个小平台.此平台表明不增加载荷试棒仍继续变形,好像材料已经失去抵抗外力能力而屈服了.我们称该平台点试棒屈服时的应力为屈服强度,屈服强度分上屈服强度ReH 和下屈服强度ReL,上屈服强度ReH是指试样发生屈服而力首次下降前的最大应力,下屈服强度ReL是指在屈服期间,不计初始瞬时效应时的最小应力,单位为MPa.如图２-２(a)所示.上、下屈服强度是衡量金属材料塑性变形抗力的指标.机械零件在工作时,所受的应力如果低于材料的屈服强度,就不会产生过量的塑性变形;但是受力过大,就会因过量的塑性变形而失效.
(２)抗拉强度Rm.抗拉强度是指相应最大力Fb 对应的应力,如图２-１所示,单位为MPa.
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零件在工作中所承受的应力,不允许超过抗拉强度,否则会产生断裂.抗拉强度Rm代表材料抵抗断裂的能力.
(３)总延伸强度Rt.当金属材料在拉伸试验过程中没有明显屈服现象发生时,应测定总延伸强度Rt、规定塑性延伸强度Rp 或规定残余延伸强度Rr.
总延伸强度Rt 是总延伸率等于规定的引伸计标距Le 百分率时的应力,如图２-２(b)所示.
规定塑性延伸强度Rp 是塑性延伸率等于规定的引伸计标距Le 百分率时对应的应力,如图２-２(c)所示
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(４)规定残余延伸强度Rr.规定残余延伸强度Rr 是原始卸除应力后残余延伸率等于规定的原始标距L０ 或引伸计标距Le 百分率时对应的应力,如图２-２(d)所示.Rr０.２表示规定残余延伸率为０.２％时的应力,其中的０.２表示试样施加并卸除应力后引伸计标距的延伸等于引伸计标距的０.２％.
塑性是指金属材料在断裂前产生永久变形的能力.塑性指标也是由拉伸试验测得的,低碳钢塑性是常用断后伸长率和断面收缩率来表示.
(１)试样.对于试验试样的形状与尺寸取决于要试验的金属产品的形状与尺寸,通常从压制坯或铸锭切取样坯经机加工制成试样;也有恒定截面积的试样(型材、棒材、线材)可以不经过机加工而进行试验.如图２-３所示,为低碳钢试样拉断前后的比较.
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课题一　金属材料的力学性能
①试样横截面可以为圆形、矩形、多边形、环形,特殊情况可以为某些其他形状.
②试样有比例试样和非比例试样.
比例试样,试样原始标距L０ 和原始截面积S０ 之间关系为L０＝K √S０ ,国际上使用的比例系数K 的值为５.６５. 原始标距应不小于１５mm.当试样横截面积太小,以至采用比例系数K 为５.６５不符合最小标距要求时,可以采用较高的值(优先１１.３的值)或采用非比例试样.
非比例试样其原始标距(L０)与原始横截面积无关(S０).
③试样的尺寸公差应符合相应的规定要求.
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(２)断后伸长率.断后伸长率是指试样拉断后,标距的伸长与原始标距的百分比.拉伸试验一般采用比例试样:K ＝５.６５的试样称为短比例试样,其断后伸长率用符号A 表示(对应８７版的符号δ５);K＝１１.３的试样称为长比例试样,其断后伸长率为A１１.３(对应８７版的符号δ１０);
试验时,一般优先选用短比例试样,但要保证原始标距不小于１５mm,否则,建议选用长比例试样或其他类型试样.对于非比例试样,符号A 应附下标注说明所使用的原始标距,以毫米(mm)表示,例如A８０ mm 表示原始标距为８０mm 的断后伸长率.
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课题一　金属材料的力学性能
伸长率:A(A１１.３)＝(Lu－L０)/L０
(３)断面收缩率.断面收缩率是指,断裂后试样横截面积的最大缩减量(S０－Su)与原始横截面积(S０)之比的百分率,用符号Z 表示.
断面收缩率:Z＝(S０－Su)/S０
断面收缩率不受试棒标距长度的影响,因此能更可靠的反映材料的塑性.
常用力学性能名称和符号新旧对照表见表２-１.
金属材料的断后伸长率A(A１１.３)和断面收缩率Z 数值越大,表示材料的塑性越好.首先产生塑性变形而不致发生突然断裂,因此比较安全.塑性好的金属可以发生大量塑性变形而不破坏,易于通过塑性变形加工成复杂形状的零件.
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课题一　金属材料的力学性能
３.韧性　
机械零件在工作中往往要受到冲击载荷的作用,如活塞销、锻锤杆、冲模等.制造此类零件所用的材料必须考虑其抗冲击载荷的能力,韧性就是指金属在断裂前吸收变形能量的能力.在冲击力作用下的零件,需测定其在冲击断裂前吸收变形的能量,即冲击韧性指标.冲击吸收功是衡量其冲击韧性的主要判据.
冲击吸收功是指规定形状和尺寸的试样在冲击试验力一次性作用拆断时所吸收的功.一般通过金属夏比缺口冲击试验进行测定.
金属夏比缺口冲击试验是一种动态力学试验,夏比冲击试验机如图２-４所示.
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课题一　金属材料的力学性能
试验时,选取３个试样,要求试样放置好后,用规定的摆锤对处于简支梁状态的缺口(V型或V 型缺口)试样进行一次性打击,让摆锤从一定的高度落下,将试样冲断,测量折断时的冲击吸收功,如图２-５所示.
试样被冲断时所吸收的能量即是摆锤冲击试样所作的功,称为冲击吸收功,用符号AKU 或AKV 表示.用下标数字２或８表示摆锤刀刃半径,冲击吸收功可以表示为AKU－２或AKV－２、AKU－８或AKV－８.冲击吸收功除以试样缺口处截面积,即可得到材料的冲击韧度,用符号αKU表示,单位J/cm２.冲击试验时,一般要求取３个试样,取其三个试样冲击吸收功的平均值,作为材料的冲击吸收功.小尺寸冲击试样的冲击吸收功见图２-６.
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冲击韧度是冲击试样缺口处单位横截面积上的冲击吸收功.冲击韧度越大,表示材料的冲击韧性越好.
必须说明的是,使用不同类型的试样(U 形缺口或V 形缺口)进行试验时,其冲击吸收功应分别标为AKU或AKV,冲击韧度则标为αKU或αKV.
二、硬度
硬度是指材料抵抗局部变形特别是塑性变形、压痕或划痕的能力.它是衡量材料软硬程度的指标.硬度越高,材料的耐磨性越好.机械加工中所用的刀具、量具、磨具以及大多数机械零件都应具备足够的硬度,以保证使用性能和寿命,否则容易因磨损而失效.
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因此,硬度是金属材料一项重要的力学性能.硬度值可以间接地反映金属的强度及金属在化学成分、金相组织和热处理工艺上的差异,而与拉伸试验相比,硬度试验简便易行,因而硬度试验应用十分广泛.
工业上应用广泛的是静试验力压入法硬度试验,即在规定的静态试验力下将压头压入材料表面,用压痕面积或压痕深度来评定硬度.常用的有布氏硬度试验法、洛氏硬度试验法等.
１.布氏硬度
布氏硬度值是通过布氏硬度试验确定的.在布氏硬度试验计(图２-７)上,用一直径为D 的球体(硬质合金球),以规定的试验力F 压入试样表面,经规定保持时间后卸除试验力,根据压痕直径d 的大小(图２-８),从专门的硬度表中查出相应的布氏硬度值.
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布氏硬度用符号HB表示.只允许使用硬质合金球压头时用HBW 来表示,一般适用于布氏硬度值在６５０以下的材料.
布氏硬度习惯上只定出硬度值而不注明单位.其标注方法是:符号HBW 之前的数字为硬度值,符号后面按以下顺序用数字表示试验条件:球体直径、试验力、试验力保持的时间(１０~１５s不标注).
２.洛氏硬度
洛氏硬度值是通过洛氏硬度试验测定获得.试验时,在洛氏硬度试验计(如图２-９所示)上,采用金刚石圆锥体或硬质合金球压头,压入金属表面,经规定保持时间后卸除主试验力,以测量的压痕深度来计算洛氏硬度值,如图２-１０所示.
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课题一　金属材料的力学性能
实际测定时,试件的洛氏硬度值由洛氏硬度计的表盘上直接读出,材料越硬,则表盘上的示值越大.
洛氏硬度试验方法最新的国家标准是２０１０年４月１日开始实施的GB/T２３０.１－２００９ 金属材料洛氏硬度试验第１部分:试验方法(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T标尺) ,如表２-２洛氏硬度新旧标准对照表所示.洛氏硬度用符号HR表示.根据压头和试验力的不同,常用的A、B、C三种标尺,其中C标尺应用最为广泛.洛氏硬度表示方法:例如４５HRC表示用C 标尺测定的洛氏硬度值为４５,符号HR 前面的数字表示硬度值,HR后面的字母表示不同洛氏硬度的标尺,也可以用７０HR３０N 表示总试验力为２９４.２N的３０N 标尺测得的表面洛氏硬度值为７０.
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３.维氏硬度　　
维氏硬度是将顶部两相对面具有规定角度的正四棱锥体金刚石压头用试验力压入试样表面,保持规定时间后,卸除试验力,测量试样表面压痕对角线长度.维氏硬度值是试验力除以压痕表面积所得的商,压痕被视为具有正方形基面并与压头角度相同的理想形状.
维氏硬度用符号HV 表示,符号前为硬度值,符号后按如下顺序:
①选择的试验力值;
②试验力保持的时间(５~１０s不标注).
维氏硬度计算方法如表２-３所示.
试验力测定范围见表２-４.
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三、疲劳的概念
许多机械零件,如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等,在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化,这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力(也称循环应力).金属的疲劳就是指在交变应力作用下,虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点,但经过较长时间的工作后仍然产生裂纹或突然发生完全断裂的现象.
机械零件产生疲劳破坏的原因是材料表面或内部有缺陷.显微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展,使承力面积大大减小,以致承力面积减小到不能承受所加载荷而突然断裂.
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课题一　金属材料的力学性能
疲劳破坏的宏观断口由两部分组成,即疲劳裂纹的产生及扩展区(光滑部分)和最后断裂区(粗糙部分),如图２-１１所示.疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一.据统计,在机械零件失效中大约有８０％以上属于疲劳破坏,而且疲劳破坏前没有明显的变形,所以疲劳破坏经常造成重大事故.
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