金屬材料的力學性能

1、第一章 金屬材料的力學性能,使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。包括力學性能、物理性能和化學性能。工藝性能：材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削性能等。金屬材料的力學性能是指在承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應力等）時，對變形與斷裂的抵抗能力及發(fā)生變形的能力。,概 述,材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。外力去處后能夠恢復的變形稱為彈性變形。外力去處后

2、不能恢復的變形稱為塑性變形。,力學性能,材料在力的作用下，諸如不同載荷所造成的彈性變形、塑性變形、斷裂（脆性斷裂、韌性斷裂、疲勞斷裂等）以及金屬抵抗變形和斷裂能力的衡量指標。常用的力學性能有：強度、剛度、彈性、塑性、硬度、沖擊韌性及疲勞極限等。,強度與塑性,強度是指金屬材料在靜載荷作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。塑性是指金屬材料在靜載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不致引起破壞的能力。金屬材料的強度和塑性的判據(jù)可通過拉伸試驗測定。,一、拉

3、伸實驗,（GB/T228-2002）,,1. 拉伸試樣（GB6397-86）,長試樣：L0=10d0,短試樣：L0=5d0,返 回,上一頁,下一頁,回主頁,,,,,萬能材料試驗機 a) WE系列液壓式 b) WDW系列電子式,2. 力－伸長曲線,彈性變形階段,屈服階段,頸縮現(xiàn)象,拉伸試驗中得出的拉伸力與伸長量的關(guān)系曲線。,強化階段,返 回,上一頁,下一頁,回主頁,,(a)試樣 (b)伸長 (c)

4、產(chǎn)生縮頸 (d)斷裂,拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象,,3. 脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對比）,脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象。,返 回,上一頁,下一頁,回主頁,應力? = P/F0應變? = (l-l0)/l0,1.彈性極限σe 彈性極限是指在產(chǎn)生完全彈性變形時材料所能承受的最大應力，即：,,式中Fe——試樣完全彈性變形時所能承受的最大載荷，N ； Ao——試樣原始截面積，mm2。,,二、強度,在實際工

5、程應用中，在最大許用應力條件下是否產(chǎn)生或產(chǎn)生多大微量塑性變形是重要的，具有實際意義。,強度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，是工程技術(shù)上重要的力學性能指標。按照載荷的性質(zhì)，材料強度有靜強度、疲勞強度等；按照環(huán)境條件，材料強度有常溫強度、高溫強度等，高溫強度又包括蠕變極限和持久強度。除了上述材料強度外，還有機械零件和構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強度。工程上常用的強度指標有強度指標有屈服強度、規(guī)定殘余延伸強度、抗拉強度等。,材料強度的大小通常用單位

6、面積上所承受的力來表示，其單位為N/m2(Pa)，但Pa這個單位太小，所以實際工程中常用MPa（MPa=106Pa）作為強度的單位。一般鋼材的屈服強度在200～2000MPa 之間，如建造2008年北京奧運會主體育場“鳥巢”外部鋼結(jié)構(gòu)的Q460E鋼，其屈服強度為460MPa。,（1） 屈服現(xiàn)象,在金屬拉伸試驗過程中，當應力超過彈性極限后，變形增加較快，此時除了彈性變形外，還產(chǎn)生部分塑性變形。當外力增加到一定數(shù)值時突然下降，隨后，在外

7、力不增加或上下波動情況下，試樣繼續(xù)伸長變形，在力－伸長曲線出現(xiàn)一個波動的小平臺，這便是屈服現(xiàn)象。,2.屈服強度,,（2）屈服強度,在拉伸曲線上，與上、下屈服點相對應的應力稱為上、下屈服強度，分別用ReH和ReL表示。ReH和ReL的計算公式如下：,,（3） 規(guī)定殘余延伸強度,對于高碳淬火鋼、鑄鐵等材料，在拉伸試驗中沒有明顯的屈服現(xiàn)象，無法確定其屈服強度。國標GB228-2002規(guī)定，一般規(guī)定以試樣達到一定殘余伸長率對應的應力作為材料

8、的屈服強度，稱為規(guī)定殘余延伸強度，通常記作Rr。例如Rr0.2表示殘余伸長率為0.2%時的應力。,,例如Rr0.2 表示規(guī)定殘余延伸率為0.2％時的應力。 其計算公式為： 　　Rr0.2＝F0.2 / S0 （N/ mm2）　　式中：F0.2－殘余延伸率達0.2％時的載荷（N）； 　S0－試樣原始橫截面積（mm2）。,,,,,,,,,ΔL,F,0,,,,F0.2,,工程上各種構(gòu)件或機器零件工作時均不允許

9、發(fā)生過量塑性變形，因此屈服強度ReL和規(guī)定殘余延伸強度Rr是工程技術(shù)上重要的力學性能指標之一，也是大多數(shù)機械零件選材和設計的依據(jù)。,ReL 和Rr 常作為零件選材和設計的依據(jù)。傳統(tǒng)的強度設計方法，對韌性材料，以屈服強度為標準，規(guī)定許用應力[σ]= ReL /n，安全系數(shù)n一般取2或更大。,,3.抗拉強度,材料在斷裂前所能承受的最大應力，用符號Rm表示。,,計算公式,,抗拉強度Rm的物理意義是塑性材料抵抗大量均勻塑性變形的能力。鑄鐵等

10、脆性材料拉伸過程中一般不出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，抗拉強度就是材料的斷裂強度。斷裂是零件最嚴重的失效形式，所以，抗拉強度也是機械工程設計和選材的主要指標，特別是對脆性材料來講。,,,強度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，一般鋼材的屈服強度在200～1000MPa 之間。強度越高，表明材料在工作時越可以承受較高的載荷。當載荷一定時，選用高強度的材料，可以減小構(gòu)件或零件的尺寸，從而減小其自重。因此，提高材料的強度是材料科學中的重要課題，稱之為

11、材料的強化。,4.強度的意義,（二）衡量指標,金屬材料斷裂前發(fā)生永久變形的能力。,斷面收縮率：,伸長率：,試樣拉斷后，標距的伸長與原始標距的百分比。,試樣拉斷后，頸縮處的橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比。,返 回,上一頁,下一頁,回主頁,（一） 定義,三、塑性,,斷后伸長率（ A ）,,,,l1——試樣拉斷后的標距,mm;,l0——試樣的原始標距,mm。,返 回,上一頁,下一頁,回主頁,,同一材料的試樣長短不同，測得的

12、斷后伸長率略有不同。由于大多數(shù)韌性金屬材料的集中塑性變形量大于均勻塑性變形量，因此，比例試樣的尺寸越短，其斷后伸長率越大，用短試樣（L0＝5d0）測得的斷后伸長率A略大于用長試樣（L0＝10d0）測得的斷后伸長率A11.3。,,斷面收縮率（ Z ）,,S0——試樣原始橫截面積,mm2；,S1——頸縮處的橫截面積,mm2 。,返 回,上一頁,下一頁,回主頁,塑性的意義,任何零件都要求材料具有一定的塑性。很顯然，斷后伸長率A和斷面收

13、縮率Z越大，說明材料在斷裂前發(fā)生的塑性變形量越大，也就是材料的塑性越好。意義： a）安全，防止產(chǎn)生突然破壞； b）緩和應力集中； c）軋制、擠壓等冷熱加工變形。,四、剛度,剛度是指材料抵抗彈性變形的能力，金屬材料剛度的大小一般用彈性模量E表示。在拉伸曲線上，彈性模量就是直線（OP）部分的斜率。對于材料而言，彈性模量E越大，其剛度越大。,彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強化材料的手段

14、如熱處理、冷熱加工、合金化等對彈性模量的影響很小。可以通過增加橫截面積或改變截面形狀來提高零件的剛度。,結(jié)構(gòu)的剛度除取決于組成材料的彈性模量外，還同其幾何形狀 、截面尺寸等因素以及外力的作用形式有關(guān)，在彈性模量E一定時，零件或構(gòu)件的截面尺寸越大，其剛度越高。對于一些須嚴格限制變形的結(jié)構(gòu)（如機翼、高精度的裝配件等），須通過剛度分析來控制變形。許多結(jié)構(gòu)（如建筑物、船體結(jié)構(gòu)等）也要通過控制剛度以防止發(fā)生振動、顫振或失穩(wěn)。,小結(jié),強度與塑性

15、是一對相互矛盾的性能指標。在金屬材料的工程應用中，要提高強度，就要犧牲一部分塑性。反之，要改善塑性，就必須犧牲一部分強度。正所謂“魚和熊掌二者不能兼得”。但通過細化金屬材料的顯微組織，可以同時提高材料的強度和塑性。,通常情況下金屬的伸長率不超過90% ，而有些金屬及其合金在某些特定的條件下，最大伸長率可高達1000%～2000% ，個別的可達6000% ，這種現(xiàn)象稱為超塑性。由于超塑性狀態(tài)具有異常高的塑性，極小的流動應力，極大的活性及

16、擴散能力，在壓力加工、熱處理、焊接、鑄造、甚至切削加工等很多領(lǐng)域被中應用。,,超塑性,延伸閱讀,材料抵抗表面局部塑性變形的能力。,五、 硬 度,（一）布氏硬度,（二）洛氏硬度,1. 原理,2. 應用,3. 優(yōu)缺點,1. 原理,2. 應用,3. 優(yōu)缺點,返 回,上一頁,下一頁,回主頁,（一）布氏硬度,布氏硬度試驗是指用一定直徑的 硬質(zhì)合金球以相應的試驗力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后卸除試驗力，用測量的表面壓痕直徑計算硬度的一

17、種壓痕硬度試驗。,返 回,上一頁,下一頁,回主頁,,布氏硬度試驗原理圖,1. 原理,,（一）布氏硬度,返 回,上一頁,下一頁,回主頁,,布氏硬度實際測試時，硬度值是不用計算的，利用刻度放大鏡測出壓痕直徑d，根據(jù)值d查平面布氏硬度表即可查出硬度值（詳見附表B）。目前，金屬布氏硬度試驗方法執(zhí)行時GB/T231-2002標準，用符號HBW表示，布氏硬度試驗范圍上限為650HBW。,測量比較軟的材料。測量范圍 <650HBW

18、的金屬材料。,3. 優(yōu)缺點,2. 應用,壓痕大，測量準確，但不能測量成品件。,返 回,上一頁,下一頁,回主頁,1. 原理,（二）洛氏硬度,返 回,上一頁,下一頁,回主頁,返 回,上一頁,下一頁,回主頁,2. 應用范圍,20~67,1500N,120°金剛石圓錐體,HRC,25~100,1000N,1.588mm鋼球,HRB,70~85,600N,120°金剛石圓錐體,HRA,,,,,,,,返

19、回,上一頁,下一頁,回主頁,常用洛氏硬度標度的試驗范圍,優(yōu)點：操作簡便、迅速，效率 高，可直接測量成品件 及高硬度 的材料。,3. 優(yōu)缺點,缺點：壓痕小，測量不準確， 需多次測量。,返 回,上一頁,下一頁,回主頁,（三）維氏硬度(HV) (1)測試原理 和布氏硬度試驗原理基本相同。 (2)表示方法 例如：640HV30/20。 (3)適用范圍

20、 用于測量金屬鍍層薄片材料和化學熱處理后的表面硬度。,維氏硬度測試原理示意,,各硬度值之間大致有以下關(guān)系：布氏硬度值在200～450HBW范圍內(nèi)， HBW=10HRC；布氏硬度值小于450HBW， HBW≈HV,引言： 強度、硬度、塑性等力學性能指標都是材料在靜載荷作用下的表現(xiàn)。 材料在工作時還經(jīng)常受到動載荷的作用，沖擊載荷就是常

21、見的一種。,靜載荷,包括不隨時間變化的恒載（如自重）和加載變化緩慢以至可以略去慣性力作用的準靜載（如鍋爐壓力）；,六、沖擊韌性,動載荷,動載荷包括短時間快速作用的沖擊載荷（如空氣錘）、隨時間作周期性變化的周期載荷（如空氣壓縮機曲軸）其對材料的作用效果或破壞效應大于靜載荷。,沖擊載荷沖擊韌性的概念沖擊試驗溫度對金屬材料韌性的影響提高金屬材料韌性的措施,1.沖擊載荷,在很短時間內(nèi)作用物體上的載荷稱為沖擊載荷。加載時間短，加載速率

22、高；有時利用，有時盡量避免或減小。載荷作用效果大，所以必須考慮材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力，即沖擊韌性。,,沖擊載荷與靜載荷的主要區(qū)別在于加載時間短、加載速率高、應力集中。由于加載速率提高，金屬形變速率也隨之增加，一般沖擊試驗時金屬形變速率ε=102～104 s-1。提高應變率將使金屬材料的變脆傾向增大，因此沖擊載荷對材料的作用效果或破壞效應大于靜載荷。,2.沖擊韌性的概念,材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力，稱為沖擊韌性。

23、 示例：玻璃在沖擊載荷作用下非常容易破裂，說明其沖擊韌性很低。,3.沖擊試驗,沖擊試樣沖擊試驗原理一次擺錘沖擊試驗沖擊韌性的表示方法,如不能制備標準試佯，可采用寬度7.5mm或5mm等小尺寸試祥,試樣的其他尺寸及公差與相應缺口的標準試樣相同，缺口應開在試樣的窄面上。其中5mm×10mm×55mm試樣常用于薄板材料的檢驗。焊接接頭沖擊試樣的形狀和尺寸與相應的標準試樣相同，但其缺口軸線應當垂直焊縫表面。,

24、原理,沖擊韌性可以通過一次擺錘沖擊試驗來測定，試驗時將帶有U型或V型缺口的沖擊試樣放在試驗機架的支座上，將擺錘升至高度H1，使其具有勢能mgH1；然后使擺錘由此高度自由下落將試樣沖斷，并向另一方向升高至H2，這時擺錘的勢能為mgH2。所以，擺錘用于沖斷試樣的能量 AK=mg（H1-H2），即為沖擊功（焦耳/J）。,4.材料沖擊韌性的表示方法,國標GB/T229－1994沖擊功吸收功：表征金屬材料沖擊韌性高低的指標是

25、沖擊功吸收功，也就是材料在斷裂前所吸收的能量。根據(jù)試樣缺口的不同，沖擊吸收功用AKV和AKU表示，單位為焦耳，數(shù)值可從試驗機的刻度盤上讀出。,4.材料沖擊韌性的表示方法,國標GB/T229－2007沖擊吸收能量：表征金屬材料沖擊韌性高低的指標是沖擊吸收能量; K＝mg（H1-H2）,4.材料沖擊韌性的表示方法,按照國標GB/T229－2007，U型缺口試樣和V型缺口試樣的沖擊能量分別表示為KU和K

26、V，并用下標數(shù)字2或8表示擺錘刀刃半徑，如KU2 ，其單位是焦耳（J）。沖擊吸收能量的大小直接由試驗機的刻度盤上直接讀出。,沖擊吸收能量的值越大，材料的韌性越大，越可以承受較大的沖擊載荷。沖擊吸收能量K或沖擊韌性值K越大，材料的韌性越大，越可以承受較大的沖擊載荷。一般把沖擊吸收能量低的材料稱為脆性材料，沖擊吸收能量高的材料稱為韌性材料。,【小資料】GB/T 229－2007與GB/T 229－1994相比，在金屬沖擊韌性的名稱和符號

27、等方面有較大變化，為方便讀者學習，將關(guān)于金屬材料沖擊韌性的新、舊標準名稱和符號對照列于下表中。,缺口沖擊試驗最大的優(yōu)點就是測量迅速簡便用于控制材料的冶金質(zhì)量和鑄造、鍛造、焊接及熱處理等熱加工工藝的質(zhì)量。 用來評定材料的冷脆傾向（測定韌脆轉(zhuǎn)變溫度）。設計時要求機件的服役溫度高于材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。,5.沖擊試驗的應用,5.沖擊試驗的應用,缺口沖擊試驗由于其本身反映一次或少數(shù)次大能量沖擊破斷抗力，因此對某些特殊服役條件下的零件，如彈殼、

28、裝甲板、石油射孔槍等，有一定的參考價值。通過一次擺錘沖擊試驗測定的沖擊吸收吸收能量K是一個由強度和塑性共同決定的綜合性力學性能指標，不能直接用于零件和構(gòu)件的設計計算，但它是一個重要參考，所以將材料的沖擊韌性列為金屬材料的常規(guī)力學性能，ReL(Rr0.2)、Rm、A、Z和K被稱為金屬材料常規(guī)力學性能的五大指標。,低溫脆性——隨溫度降低，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的現(xiàn)象 。冷脆：材料因溫度降低導致沖擊韌性的急劇下降并引起脆性破壞的現(xiàn)象

29、。對壓力容器、橋梁、汽車、船舶的影響較大。,低溫脆性,延伸閱讀,體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而大多數(shù)面心立方金屬沒有。,沖擊韌性與溫度有密切的關(guān)系，溫度降低，沖擊韌性隨之降低。當?shù)陀谀骋粶囟葧r材料的韌性急劇下降，材料將由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。這一溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度（ Tt ）。轉(zhuǎn)變溫度（ Tt ）越低，表明材料的低溫韌性越好，對于在寒冷地區(qū)使用的材料要十分重要。,,金屬材料的成分對韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響很大，一般的碳素鋼，其韌脆轉(zhuǎn)變溫

30、度（ Tt ）大約為-20℃，某些合金鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度（ Tt ）可達-40℃以下。,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),1912年4月號稱永不沉沒的泰坦尼克號（Titanic）首航沉沒于冰海，成了20世紀令人難以忘懷的悲慘海難。20世紀80年代后，材料科學家通過對打撈上來的泰坦尼克號船板進行研究，回答了80年的未解之謎。由于Titanic 號采用了含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低

31、溫呈脆性。所以，當船在冰水中撞擊冰山時，脆性船板使船體產(chǎn)生很長的裂紋，海水大量涌入使船迅速沉沒。下圖中左面的試樣取自海底的Titanic號，沖擊試樣是典型的脆性斷口，右面的是近代船用鋼板的沖擊試樣。,6.提高沖擊韌性的途徑,沖擊韌性是一個對材料組織結(jié)構(gòu)相當敏感的量，所以提高材料的沖擊韌性的途徑有： 改變材料的成分，如加入釩、鈦、鋁、氮等元素，通過細化晶粒來提高其韌性，尤其是低溫韌性； 提高材料的冶金質(zhì)量，減少偏析

32、、夾渣、 氣泡等缺陷；,,人工作久了就會感到疲勞，難道金屬工作久了也會疲勞嗎？金屬的疲勞能得到恢復嗎？,金屬材料在受到交變應力或重復循環(huán)應力時，往往在工作應力小于屈服強度的情況下突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。,七、 疲勞極限,1998年6月3日，德國發(fā)生了戰(zhàn)后最慘重的一起鐵路交通事故。一列高速列車脫軌，造成100多人遇難。事故的原因已經(jīng)查清，是因為一節(jié)車廂的車輪“內(nèi)部疲勞斷裂”引起的。首先是一個車輪的輪箍發(fā)生斷裂，導致車輪脫軌，

33、進而造成車廂橫擺，此時列車正好過橋，橫擺的車廂以其巨大的力量將橋墩撞斷，造成橋梁坍塌，壓住了通過的列車車廂，并使已通過橋洞的車頭及前5節(jié)車廂斷開，而后面的幾節(jié)車廂則在巨大慣性的推動下接二連三地撞在坍塌的橋體上，從而導致了這場近50年來德國最慘重的鐵路事故。,1.變動載荷和循環(huán)應力,1.變動載荷——引起疲勞破壞的外力，指載荷大小、甚至方向均隨時間變化的載荷，其在單位面積上的平均值即為變動應力。變動應力可分為規(guī)則周期變動應力(也稱循環(huán)應

34、力)和無規(guī)則隨機變動應力兩種。,金屬疲勞產(chǎn)生的原因,a)應力大小變化 b)c）應力大小和方向都變化 d) 應力大小和方向無規(guī)則變化,1.平均應力,2.應力幅,2.疲勞斷裂 零件在循環(huán)應力作用下,在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累積損傷,經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后突然產(chǎn)生斷裂的過程,稱為疲勞斷裂. 疲勞斷裂由疲勞裂紋產(chǎn)生—擴展—瞬時斷裂三個階段組成。,盡管疲勞失效的最終結(jié)果是部件的突然斷裂,但實際上它們是一個逐漸失效的過程，從

35、開始出現(xiàn)裂紋到最后破斷需要經(jīng)過很長的時間。疲勞斷裂的宏觀斷口一般由三個區(qū)域組成，即疲勞裂紋產(chǎn)生區(qū)（裂紋源）、裂紋擴展區(qū)和最后斷裂區(qū)。,3.疲勞斷口,3.疲勞斷口,當應力低于某值時，材料經(jīng)受無限次循環(huán)應力也不發(fā)生疲勞斷裂，此應力稱為材料的疲勞極限，記作σR（R為應力比），就是S-N曲線中的平臺位置對應的應力。通常，材料的疲勞極限是在對稱彎曲疲勞條件下（R＝－1）測定的，對稱彎曲疲勞極限記作σ-1。,4.疲勞強度,若疲勞曲線上沒有水平部

36、分，常以規(guī)定斷裂循環(huán)次數(shù)對應的應力為條件疲勞極限。 對一般低、中強度鋼：107周次 對高強度鋼：108周次 對鋁合金，不銹鋼：108周次 對鈦合金：107周次,在工程中，有時根據(jù)零件壽命的要求，在規(guī)定的某一循環(huán)周次下，測出σmax，并稱之為疲勞強度，實際上就是條件疲勞極限。,5.提高疲勞極限的途徑,(1)在零件結(jié)構(gòu)設計中盡量避免尖角、缺口和截面突變。 (2) 提高零件表面加工質(zhì)量。 (3) 對材料表面