1、機(jī)械工程材料的常用性能,第一章 金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能 材料的性能包括 : 使用性能 ( 力學(xué)性能、物理、化學(xué)性能) 工藝性能 ( 鑄造性、可鍛性、切削加工性) 力學(xué)性能 ( 機(jī)械性能 ) _ 材料在載荷 (外力或能量) 以及環(huán)境因素作用下表現(xiàn)出 的變形和破斷的特性。 材料受外力作用時(shí)，將會產(chǎn)生變形和破壞。其過程一般是：彈性變形 塑性變形斷裂。彈性變形是外力去除后能夠自行恢復(fù)的變形。塑性變形是外力去除后不能完全自動(dòng)恢復(fù)而保留下來的變形，又稱永久變形 。,1-1 靜載時(shí)材料的機(jī)械性能 一、靜拉伸試驗(yàn) 各種性能指標(biāo)含義、單位、及影響因素。 1. 應(yīng)力-應(yīng)變 曲線（分為四階段）： 彈性變形 屈服

2、變形 均勻塑性變形階段 局部集中塑性變形 頸縮,拉伸試樣,拉伸試驗(yàn)機(jī),* 拉伸試樣：,長試樣：L0=10d0 短試樣：L0=5d0,拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象,力伸長曲線,O,屈服,彈性變形,縮頸,斷裂,塑性變形,拉伸圖,彈性變形,彈性變形、塑性變形,非線性彈性變形,2. 強(qiáng)度 材料抵抗變形、斷裂的能力， 單位 MN/m2 ( MPa ） 屈服強(qiáng)度s 材料開始明顯塑性變形的抗力, 是設(shè)計(jì) 和選材的主要依據(jù)之一。 s = Fs / Ao 工業(yè)上的屈服強(qiáng)度規(guī)定產(chǎn)生0.2%變形時(shí)應(yīng)力值 為屈服強(qiáng)度. 即: s = 0.2, 抗拉強(qiáng)度b ( 質(zhì)量控制指標(biāo) ) 抗拉強(qiáng)度是指試樣拉斷前所承受的最大拉應(yīng)力， 用 符

3、號b表示。是零件設(shè)計(jì)的重要依據(jù),也是 評定金屬材料質(zhì)量的重要指標(biāo)。 b = Fb / Ao 鑄鐵、陶瓷、復(fù)合材料等脆性材料 b = s 中、高碳鋼等無明顯屈服現(xiàn)象. 比強(qiáng)度b /d 玻璃鋼 d = 2.0, b = 1060MN/m2， 為鋁的三倍。,3. 塑性 、 塑性是材料在靜載荷作用下產(chǎn)生變形而不破壞的能力。 評定材料塑性的指標(biāo)是斷后伸長率和斷面收縮率。 塑性直接影響到零件的成形及使用。塑性好的材料，不僅能順利地進(jìn)行軋制、鍛壓等成形工藝，而且在使用中萬一超截，由于變形而能避免突然斷裂。所以大多數(shù)機(jī)械零件除要求具有較高的強(qiáng)度外，還必須有一定的塑性。一般情況，伸長率達(dá)5或斷面收縮率達(dá)10的材

4、料，即可滿足大多數(shù)零件的使用要求。 、是表示材料塑性好壞的指標(biāo)。 塑性好的材料易加工、使用時(shí)不易突然斷裂。,(1)斷面收縮率(percentage reduction in area): 是指試樣拉斷處橫截面積A1 的收縮量與原始橫截面積A0之比。,(2)伸長率(延伸率) specific elongation: 是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長量L k與 原始標(biāo)距L 0之比。, 10% 屬塑性材料,二.硬度( hardness ):是指材料抵抗其他 硬物體壓入其表面的能力。,布氏硬度HB 洛氏硬度HR 維氏硬度HV 肖氏硬度HS 銼刀法,常用測量硬度的方法,硬度 硬度是指材料抵抗局部變形，特別是塑性

5、變形、壓痕或劃痕的能力，是衡量材料軟硬的判據(jù)，是一個(gè)綜合的物理量。是工業(yè)上質(zhì)量檢驗(yàn)、工藝設(shè)計(jì)最常用的試驗(yàn)方法。材料的硬度越高，耐磨性越好，故常將硬度值作為衡量材料耐磨性的重要指標(biāo)之一。抵抗外物壓入的能力 。 硬度的應(yīng)用： 檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量 衡量刀具、軸承等軟硬程度和耐磨性 可換算為強(qiáng)度極限,1布氏硬度 用直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球，以相應(yīng)的試驗(yàn)力F壓入試樣表面，保持規(guī)定的時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，在試樣表面留下球形壓痕，如左圖所示。 布氏硬度值用球面壓痕單位面積上 所承受的平均壓力表示。用淬火鋼球作 壓頭時(shí)，布氏硬度用符號“HBS”表示;用 硬質(zhì)合金球作壓頭，布氏硬度用符號“HBW”表示。 布氏硬度適

6、用于未淬火的鋼、鑄鐵、有色金屬或軟質(zhì)的軸承合金。,壓頭：,淬火鋼球 HBS 硬質(zhì)合金鋼球 HBW, HB = F/S （ MPa 或 kgf/mm2 ） ， F 施加的載荷 S 壓頭表面積, 特點(diǎn)： 平均、重復(fù)性好； 壓痕面積大，不適合于成品檢驗(yàn)； HBS - 鋼球壓頭（450）； HBW - 硬質(zhì)合金鋼球壓頭（450） 表示方法：符號HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間。如:120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。,2洛氏硬度 HR ( Ro

7、ckwll hardness ),10HRCHBS,洛氏硬度 洛氏硬度是以頂角為120的金剛石圓錐體或直徑為1.588的淬火鋼球作壓頭，以規(guī)定的試驗(yàn)力使其壓入試樣表面。試驗(yàn)時(shí)，先加初試驗(yàn)力，然后加主試驗(yàn)力。壓入試樣表面之后卸除主試驗(yàn)力，在保留初試驗(yàn)力的情況下，根據(jù)試樣表面壓痕深度，確定被測金屬材料的洛氏硬度值。,優(yōu)點(diǎn)：操作簡便、可直接讀數(shù)。 壓痕??；適于各種硬度值的測量； 是目前工廠應(yīng)用最為廣泛的試驗(yàn)方法。 缺點(diǎn)：重復(fù)率低, HR （120金剛石圓錐體壓頭或1.588mm的鋼球） HRB（鋼球壓頭，100kg載荷） 測量未淬火鋼，有色金屬。 HRC（圓錐壓頭，150kg載荷） 測量調(diào)質(zhì)鋼、淬硬

8、鋼制品。 HRA（圓錐壓頭，60kg載荷） 測量硬、薄試件、硬質(zhì)合金。 表面洛氏硬度（HR15N HR30N HR45N）,3維氏硬度 HV ( diamond penetrator hardness ),適用范圍:,測量薄板類 ;,HVHBS ;,用壓痕兩對角線的平均長度來計(jì)算。,H V=F/S,維氏硬度（HV） 金剛石正四棱錐壓頭，精確，但操作復(fù)雜， 用于科學(xué)試驗(yàn)。 壓力可選5120kg間的特定值；適于各種 硬度值的測量；壓痕小，可測表面硬化層、 薄片零件。,4.肖氏硬度 HS (drop hardness ),h,5顯微硬度（HM） 壓力小于10kg的HV，可測組成相的硬度。,6. 銼刀

9、法: 一組硬度差為5HRC的銼刀。例如: 10HRC、15HRC、20HRC等。,HRA、HRB、HRC分別測得的硬度，不可直接比較大小,例如： 50HRC40HRC ,硬度之間互換的關(guān)系： 200 600HBS時(shí)： 10HRc HBS 硬度小于450HBS時(shí)： HBS HV,1-2 動(dòng)載時(shí)材料的機(jī)械性能一、沖擊韌性（impact toughness） 材料抵抗沖擊載荷的能力 aku = 沖擊破壞所消耗的功 Ak / 試樣斷口截面積 F ( J/cm2 或 MJ/m2 ) Ak變形功及斷裂功（ J ） 影響因素 ：材料、T、試樣大小、缺口形狀等。 應(yīng)用 汽車緊急制動(dòng)；蒸汽錘；沖床等動(dòng)載荷。 脆

10、性材料 斷裂前無明顯變形，斷口呈結(jié)晶狀，有金屬光澤。 韌性材料 斷裂前明顯塑變，斷口呈灰色纖維狀，無光澤。,沖擊韌性( notch toughness ):,材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。,沖擊試驗(yàn)機(jī),沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖,試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功A k為:,A k = m g H m g h (J),沖擊韌性值a k 就是試樣缺口處單位 截面積上所消耗的沖擊功。,TITANIC,建造中的Titanic 號,TITANIC的沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān),Titanic 號鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果,二、疲勞強(qiáng)度( fatigue strength ): 疲勞：材

11、料在交變應(yīng)力作用下，在遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限， 甚至小于屈服極限的應(yīng)力下發(fā)生斷裂。 疲勞占失效零件的70%以上，80%的斷裂由疲勞造成。 疲勞極限：表示材料經(jīng)無數(shù)次交變載荷作用而不致引 起斷裂的最大應(yīng)力值。 對稱彎曲疲勞強(qiáng)度-1 疲勞原因 劃痕、內(nèi)應(yīng)力集中引起微裂紋展 影響因素：循環(huán)應(yīng)力特征、溫度、材料成分和組織、 夾雜物、表面狀態(tài)、殘余應(yīng)力等。 陶瓷、高分子材料的疲勞抗力很低； 金屬材料，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料疲勞強(qiáng)度較高。,鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 107,有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 108,鋼材的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系: -1 = (0.450.55) b,疲勞斷口的特點(diǎn),疲勞源區(qū)和疲

12、勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌,疲勞源區(qū),疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū),本節(jié)中所講的材料的力學(xué)性能指標(biāo)及應(yīng)用,剛度：在設(shè)計(jì)中，考慮構(gòu)件在受力時(shí)發(fā)生的彈性變形量，需要用剛度。主要力學(xué)性能是材料的彈性模量。如鏜床的鏜桿、齒輪軸等,彈性指標(biāo)：彈性極限和彈性模量是設(shè)計(jì)彈性零件考慮的性能指標(biāo)。如汽車板簧和各類彈簧等,強(qiáng)度和塑性指標(biāo)：屈服強(qiáng)度和塑性用于一般零件的抗斷裂設(shè)計(jì)。,硬度：在耐磨零件中必須考慮的性能指標(biāo)。如滾珠軸承、活塞環(huán)等.,1-3 高溫下的機(jī)械性能 溫度升高 硬度、強(qiáng)度、彈性模量下降；塑性、韌性 增加。 蠕變 常溫下工作的有機(jī)材料，隨時(shí)間的延長，應(yīng)變量 緩慢增加，甚至發(fā)生斷裂。 1-4 斷裂韌性 KIC 低應(yīng)力脆斷

13、 應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度時(shí)發(fā)生突然脆性 斷裂 機(jī)理 微裂紋、缺陷、應(yīng)力集中 裂紋擴(kuò)展 失穩(wěn)擴(kuò)展 。 斷裂韌性 裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展抗力 影響因素 成分、熱處理、加工工藝。,低應(yīng)力脆斷： 有些零件在工作應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于屈服點(diǎn)時(shí)就會發(fā)生 脆性斷裂.這種現(xiàn)象稱為低應(yīng)力脆斷 。 如1943.1.16日, 美國T-2型油船停泊在裝貨碼頭時(shí)沿甲板擴(kuò)展,斷成兩半,計(jì)算的甲板應(yīng)力為7kg/mm2.破壞是突然發(fā)生的, 當(dāng)時(shí)海面平靜,天氣溫和,其計(jì)算的甲板應(yīng)力只有 7.0kg/mm2，遠(yuǎn)低于b(30-40kg/mm2)。,1-5 工藝性能 是力學(xué)性能、物理化學(xué)性能的綜合 鑄造性：包括流動(dòng)性、收縮性、熱裂傾向性、偏析等。 鍛造性：包括可鍛性、冷墩性、沖壓性、鍛后冷卻要求等 碳鋼的可鍛性：低碳鋼 中碳鋼 高碳鋼 低合金鋼的可鍛性近似于中碳鋼；高合金鋼的 可鍛性比碳鋼差。 焊接性：是指它在一定生產(chǎn)條件下接受焊接的能力，一般 以焊接不出現(xiàn)裂縫、氣孔或其它缺陷來衡量。 切削加工：一般以切削抗力大小、加工零件表面粗糙度、 加工時(shí)切屑排除難易及刃機(jī)具磨損大小來衡量、 切削加工的合適硬度為160-250HBS,目的,選擇合適的材料,制定合理的加工工藝,