22金属的力学性能汇编.pptx
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1、菏泽高级技工学校想一想:1、金属材料受力后会有什么反应?2、金属的力学性能的指标一般有哪些?怎样获得这些指标?3、金属材料为什么会发生断裂?2-2金属的力学性能金属的力学性能金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形或不破坏的能力,这种能力就是材料的力学性能。1.定义:定义:金属材料在承受外力(静、冲击、交变)作用下金属材料在承受外力(静、冲击、交变)作用下,没没有超过许可变形或不破坏的能力有超过许可变形或不破坏的能力称作称作金属的力学性能。金属的力学性能。2.力学性能指标力学性能指标 主要主要包括:包括:强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度。强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度。力学性
2、能指标力学性能指标是选择、使用金属材料的重要是选择、使用金属材料的重要依据依据。一、强度强度1 1)定义定义 金属在静载荷作用下抵抗塑形变形和断裂的能金属在静载荷作用下抵抗塑形变形和断裂的能力。力。2 2)分类分类 根据载荷作用方式不同:根据载荷作用方式不同:a a)抗拉强度)抗拉强度主要的常用强度指标;主要的常用强度指标;b b)抗压强度;)抗压强度;c c)抗剪强度;)抗剪强度;d d)抗扭强度;)抗扭强度;e e)抗弯强度。)抗弯强度。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
3、。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,其屈服强度为460MPa。抗拉强度通过拉伸实验测定 拉伸实验1.1.拉伸试样拉伸试样2.2.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)3.3.脆性材料的拉伸曲线脆性材料的拉伸曲线1、拉伸试样 圆形、矩形、六方形。L0=5d 短试样,L0=10d 长试样d0:原始直径,L0:原始标距L=5d0 L0 =kL=10d0 S0=d2/4 k=5.65 k=11.3所以长试样:L=10d0 短试样:L=5d0长试样和短试样长试样和短试样2、力伸长曲线2.力伸长曲线力伸
4、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 拉拉伸伸试试样样的的颈颈缩缩现现象象LF0 03.3.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)注意:脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。注意:脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。3 3强度指标强度指标(1 1)屈服强度)屈服强度当金属材料出现屈服现象时,在实验期间发生塑性变形而力不增加的应力点。屈服强度分为上屈服强度ReH和下屈服强度ReL。ReL
5、试样的下屈服强度,N/mm2;或MPa.FeL试样屈服时的最小载荷,N;So试样原始横截面面积,mm2。或很重要,大多数零件很重要,大多数零件不允许有塑性变形不允许有塑性变形除除低低碳碳钢钢、中中碳碳钢钢及及少少数数合合金金钢钢有有屈屈服服现现象象外外,对对于于大多数没有明显的大多数没有明显的屈服现象的屈服现象的金属材料金属材料。定义:定义:条件条件屈服屈服强度:强度:Rp0.2(0.2 )规定:规定:产生产生0.2%残余伸长时的应力作为残余伸长时的应力作为条件屈服条件屈服强度。强度。指出:指出:是工程技术中最重要的机械性能指标之一;是工程技术中最重要的机械性能指标之一;是设计零件时作为选用金
6、属材料的重要依据。是设计零件时作为选用金属材料的重要依据。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Rp0.2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。ReL 和Rp0.2 常作为零件选材和设计的依据。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=ReL/n,安全系数n一般取2或更大。3)抗拉强度抗拉强度定义:定义:指在外力作用下由产生大量塑性变形到断裂前所承受的指在外力作用下由产生大量塑性变形到断裂前所承受的 最大应力,故又称最大应力,故又称强度极限强度极限。公式:公式:式中:式中:R Rm m
7、 抗拉强度,抗拉强度,MPaMPa;Fm指试样被拉断前所承受的最大外力,指试样被拉断前所承受的最大外力,即拉伸曲线上即拉伸曲线上b点所对应的外力(点所对应的外力(N);S0 试样原始横截面面积(试样原始横截面面积(mm2)或很重要,表示零件破坏很重要,表示零件破坏很重要,表示零件破坏很重要,表示零件破坏前能抗的最大应力值前能抗的最大应力值前能抗的最大应力值前能抗的最大应力值抗拉强度Rm的物理意义是塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力。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。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
8、来讲。若零件在使用时不允许产生过量塑性变形,应以材料的s或0.2进行设计计算。若零件在使用时只要求不发生破坏,则以材料的b来设计计算。因此s和b是机械零件设计计算的主要依据。强度的意义强度的意义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。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。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。二、塑性二、塑性 在外力作用下金属材料在断裂前产生不在外力作用下金属材料在断裂前产生不可逆永久变形的能力可逆永久变形的能力 常用的塑
9、性判据常用的塑性判据:拉伸时的拉伸时的断后伸长率断后伸长率和和断面收缩率断面收缩率1、断后伸长率A()L0试样原始标距长度,mm。Lu试样拉断后的标距长度,mm。同一材料的试样长短不同,测得的断后伸长率略有不同。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。2、断面收缩率Z()S0试样原始横截面面积,mm2。Su试样拉断后缩颈处的横截面面积,mm2。塑性的意义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
10、断裂前发生的塑性变形量越大,也就是材料的塑性越好。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。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。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、
11、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Rp0.2规定残余延伸应力0.2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【例例例例】有一直径有一直径 d d=10mm=10mm,L Lo o=100mm=100mm 的低碳钢试样,拉身实的低碳钢试样,拉身实验时测得验时测得F FeLeL=21kN=21kN,F Fm m=29kN=29kN,d du u=5.65mm=5.65mm,L
12、Lu u=138mm=138mm。求此试。求此试样的样的R ReLeL、R Rm m、A A11.311.3、Z Z。解:(1)计算SO,S1 SO=d2/4=3.14102/4=78.5mm2 S1=du2/4=3.14(5.65)2/4=25mm2 (2)计算ReL、Rm ReL=FeL/SO=21103/78.5=267.5MPa Rm=Fb/SO=29103/78.5=369.4MPa (3)计算A11.3、Z。A11.3=(Lu-Lo)/Lo100%=(138-100)/100100%=38%Z=(SO-S1)/SO100%=(78.5-25)/78.5100%=68%习题:某厂购进
13、一批40钢材,按国家标准规定,其力学性能的指标不低于下列数值:Rel=340MPa,Rm=540MPa,A=19Z=45.验收时,用该材料制成d0=10mm的短试样(原始标距为50mm)做拉伸试验:当载荷达到28260N时,试样产生屈服现象;载荷加至45530N时,试样发生缩颈现象,然后被拉断。拉断后标距长为60.5mm,断裂处直径d1为7.3mm.试检验这批钢材是否合格。总结:强度与塑性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。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。金属材料的强度和塑性的判据可通过拉伸试验测定。三、硬度三、硬度 材料抵抗局部变形,特别
14、是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度。常用的硬度实验法有布氏硬度实验法、洛氏硬度实验法、维氏硬度实验法。三、硬 度硬度:硬度:硬度试验方法硬度试验方法:压入法压入法 它是材料性能的一个综合的物理量。它是材料性能的一个综合的物理量。(表示金属材料在一个小的体积范围内金属表示金属材料在一个小的体积范围内金属材料抵抗局部变形,特别是塑性变形、压痕材料抵抗局部变形,特别是塑性变形、压痕或划痕的能力)或划痕的能力)硬度是各种零件和工具必须具备的力学性能硬度是各种零件和工具必须具备的力学性能指标。指标。布氏硬度(布氏硬度(HB)洛氏硬度(洛氏硬度(HR)维氏硬度(维氏硬度(HV)材料抵抗表面局部塑性变形的
15、能力。材料抵抗表面局部塑性变形的能力。一、布氏硬度1、测定原理布氏硬度计布氏硬度计 2、计算公式HBS:淬火钢球作压头;适用于450HBSHBW:硬质合金作压头;适用于650HBW试验时,根据被测的材料不同,球直径、试验力及试试验时,根据被测的材料不同,球直径、试验力及试验力保持时间按表验力保持时间按表1-1选择选择材料材料种类种类布氏硬度范布氏硬度范围围HBSHBS(HBWHBW)试样厚试样厚度度/mmmm0.1020.102球的直球的直径径/mmmm试验力试验力F/KNF/KN(k k g f)g f)试验力试验力保持时保持时间间/s s钢、钢、铸铁铸铁140-450140-4506 63
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