单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,机械工程材料,第一章 材料的性能,机械工程系,第一章 材料的性能,工程材料的性能,使用性能,工艺性能,力学性能,物理性能,化学性能,铸造性能,可锻性能,可焊性能,切削加工性能,热处理性工艺性,材料的力学性能,定义,:,金属材料的力学性能是指金属材料在不同环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。,指标,:,弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧性、断裂韧度和疲劳强度等。,材料的其他性能,物理性能,：,密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等；,化学性能,：,耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等；,工艺性能,：,铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性、热处理工艺性等。,1.1 材料的力学性能,拉伸实验与拉伸曲线,1.拉伸试样,GB6397-86规定金属拉伸试样有：,常用标准圆截面试样。,长试样：L,0,=10d,0,;,短试样：L,0,=5d,0,拉伸试样,拉伸试验机,1.1.2 强度和塑性,1.拉伸过程,op,段：比例弹性变形阶段；,pe,段：非比例弹性变形阶段；,平台或锯齿（,s段,）：屈服阶段；,sb,段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。,b点,：形成了“缩颈”。,bk,段：非均匀变形阶段，承载下降，到,k,点断裂。,断裂总伸长为,Of，,其中塑形变形O,g(试样断后测得的伸长),，弹性伸长,gf,。,l,F,l,b,l,u,l,F,b,b,k,F,s,s,o,g,f,e,F,e,p,F,p,2.拉伸曲线,3.应力与应变曲线,(1),应力,：,单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积S,0,表示:,F 载荷(N),R=(M pa),S,0,原始横截面积(mm,2,),(2),应变,：单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原始标距表示:,l伸长量(mm),=,l,0,原始长度(mm),(3)应力应变曲线（-,曲线）:,形状和拉伸曲线相同，单位不同,b,s,e,退火低碳钢,低、中回火钢,淬火钢及铸铁,中碳调质钢,4.,不同材料的拉伸曲线,刚度和强度,2,.刚度,：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。,弹性模量：弹性下应力与应变的比值,表示材料抵抗弹性变形的能力。即：,E=R/,材料的E越大，刚度越大；E对组织不敏感；,零件的刚度主要决定于E，也与形状、截面等有关。,E=R/,1.,弹性,:金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。,弹性变形:随载荷撤除而消失的变形,。,3.弹性极限:,Fe 弹性极限载荷(N),Re=,(M pa),S,0,试样原始横截面积(mm2),R,e,e,4.强度:,材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。,种类:抗拉强度、抗压强度、抗弯强 度、抗剪强度、抗扭强度等。,(1)屈服点 与屈服强度:,产生明显塑性变形的最低应力值.,F,s,R,s,=,(M Pa),S,0,试样屈服时的载荷(N),试样,原始横截面积(mm,2,),R,s,屈服强度(塑性变形量为0.2%，微量塑性变形),F,0.2,R,0.2,=,(M Pa),S,0,试样原始横截面(mm,2,),试样产生0.2%残余塑性变,形时的载荷(N),R,0.2,：试样产生残余塑性变形0.2%时的应力,试样产生0.2%残余塑性变形,屈服点 R,s,、屈服强度R,0.2,是零件设计的主要依据；也是评定金属强度的重要指标之一。,(2)抗拉强度,：,试样在断裂前所能承受的最大应力。,它表示材料抵抗断裂的能力。,是零件设计的重要依据；也是评定金属强度的重要指标之一。,F,b,试样断裂前的最大载荷(N),R,b,=,(M Pa),S,0,试样原始横截面积(mm,2,),R,b,R,s,R,e,塑性:,是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。,(1),断面收缩率,(Z):,是指试样拉断处横截面积的收缩量,S,与原始横截面积,S,0,之比。,(2),伸长率,(A),:,是指试样拉断后的标距伸长量,L,与原始标距,L,0,之比。,S,0,-S,1,Z=-100%,S,0,l,1,-,l,0,A,=-100%,l,0,A 10%属塑性材料,思考,:,同一材料,A,5,A,10,？,l=,l,u,b,A=,l/l,0,=,l,u,/l,0,+,l,b,/l,0,A,u,A,b,R,b,R,s,R,e,E,A,塑性指标不直接用于计算，但任何零件都需要一定塑性。,防止过载断裂；塑性变形可以缓解应力集中、削减应力峰值。,练习题一,拉力试样的原标距长度为50mm，直径为10mm，经拉力试验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为71mm，颈缩区的最小直径为4.9mm，试求该材料的伸长率和断面收缩率的值？,解：,=（71-50）/50 x100%=42%,S,0,=3.14x(10/2),2,=78.5(mm,2,),S,1,=3.14x(4.9/2),2,=18.85(mm,2,),=(S,0,-S,1,)/S,0,x100%=24%,练习题二,某工厂买回一批材料（要求：,s,230MPa；,b,410MPa；,5,23%；50%）做短试样（,0,=5,0,；,0,=10mm）拉伸试验，结果如下：F,s,=19KN，F,b,=34.5KN；l,1,=63.1mm；d,1,=6.3mm;问买回的材料合格吗？,解：根据试验结果计算如下：,s,F,s,s,(19x1000)/(3.14x5,2,)=242 230MPa,b,F,b,s,(34.5x1000)/(3.14x5,2,)=439.5 410MPa,5,l,l,0,x100%(63.1-50)/50 x100%=26.2%23%,S,S,0,x100%60.31%50%,材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格。,1.1.3 硬 度,布氏硬度HB 洛氏硬度HR 维氏硬度HV,锉刀法,硬度(hardness):,是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力,是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。它直接影响到材料的耐磨性及切削加工性。,常用测量硬度的方法,1.布氏硬度 HB(Brinell-hardness),布氏硬度 HB(Brinell-hardness),适用范围:,450HBS;,650HBW;,HBS表示用,淬火钢球,作为压头测出的硬度值。,HBW表示用,硬质合金球,作为压头测出的硬度值。,布氏硬度 HB(Brinell-hardness),符号,HBS,或,HBW,之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如:,120HBS10/1000/30,表示直径为,10mm,的钢球在,1000kgf（9.807kN）,载荷作用下保持,30s,测得的布氏硬度值为,120,。,布氏硬度的应用,通常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等材料的硬度。,2.洛氏硬度 HR(Rockwll hardness),h,1,-,h,0,洛氏硬度测试示意图,洛氏硬度计,10HRCHBS,试验时，先加初试验力，然后加主试验力，压入试样表面之后，去除主试验力，在保留初试验力的情况下，根据试样残余压痕深度增量来衡量试样的硬度大小。,洛氏硬度HRC,洛氏硬度,HR,可以用于硬度很高的材料，而且压痕很小，几乎不损伤工件表面，故在钢件热处理质量检查中应用最多。,3.维氏硬度 HV (diamond penetrator hardness),适用范围:,测量薄板类,;,HVHBS,;,4.锉刀法:,一组硬度差为5HRC的锉刀。,例如:,10HRC、15HRC、20HRC等。,1.1.4 冲击韧性,(notch toughness):,材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。,冲击试验机,冲击试样和冲击试验示意图,试样冲断时所消耗的冲击功A,k,为:,A,k,=m g H m g h(J),冲击韧性值a,k,就是试样缺口处单位,截面积上所消耗的冲击功。,A,K,a,k,=(J/cm,),S,0,标准冲击试样有两种，一种是夏比形缺口试样，另一种是夏比形缺口试样,同一条件下同一材料制作的两种试样，其形试样的,a,k,值明显大于形试样的,a,k,，所以这两种试样的值,a,k,不能相互比较。,对于脆性材料试样一般不开缺口。,1.1.5 疲劳强度(fatigue strength):表示材料经无数次交变载荷作 用而不致引起断裂的最大应力值。,在循环载荷作用下，材料承受一定的循环应力R和断裂时相应的循环次数N之间的关系可以用曲线来描述，即R之间的关系曲线，称,疲劳曲线,钢材的循环次数一般取 N=10,7,有色金属的循环次数一般取 N=10,8,钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:,R,-1,=,(0.450.55),R,b,1943年美国T-2油轮发生断裂,比强度(specific strength):,材料的强度值与密度值之比。,名称,密度,(g/cm,3,),强度,(Mpa),比强度,纯铝,2.7,80100,3037,纯铁,7.87,180280,2336,纯钛,4.5,405500,90111,1.1.6,断裂韧性,断裂韧性：材料在外力作用下，抵抗内部裂纹失稳扩展的能力，称为断裂韧性k,1C,。,根据外加载荷的方式不同，裂纹扩展的方式可分为三种：,1、张开型 2、滑移型 3、撕开型,应力强度因子K,1,1.2 材料的其他性能,物理性能：,密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等；,化学性能：,耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等,；,工艺性能：,铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性、热处理工艺性等。,作业,材料常用的塑性指标有()和(),其中用()表示塑性更接近材料的真实值。,2.材料的使用温度（）。,3.在设计拖拉机缸盖螺钉时应选用的强度指标是（）。,