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第一章 金属材料的种类与性能(定稿)

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工程材料及热加工

工程材料及热加工
杭州电子科技大学 2010.7
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第一章 金属材料的力学性能
重点内容:金属材料的力学性能,包括材料的强 重点内容:金属材料的力学性能,包括材料的强 硬度、塑性、冲击韧性、 度 、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳 强度等 强度等。 本章难点: 本章难点:各性能指标的物理意义和测定方法

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材料性能
物理性能:密度、比热 物理性能:密度、 强度 刚度 塑性 硬度 冲击韧性 动载特性: 动载特性: 疲劳强度 化学性能 力学(机械) 力学(机械) 性能

使用 性能

静载特性: 静载特性:

材料性能 工艺 性能

铸造性 焊接性 压力加工性 切削性 热处理性

经济 性能

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强度、刚度、 1.1 强度、刚度、塑性

杭州电子科技大学 强度的拉伸试验

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? 不同材料的拉伸曲线

退火低碳钢

中碳调质钢

淬火钢及铸铁
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低、中回火钢

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拉伸曲线分析
? 应力σ: σ= F/A0 ? 应变ε: ε= △L/L0

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拉伸曲线分析 颈缩阶段

强度极限σ 强度极限σB 屈服极限σ 屈服极限σS 强化阶段 屈服阶段 弹性极限σP 弹性极限σ 弹性阶段

三阶段:弹性变形、弹性 塑性变形 塑性变形、 三阶段:弹性变形、弹性-塑性变形、断裂 杭州电子科技大学

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1 强度 材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。 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、 种类 抗拉强度、 抗压强度、 抗弯 抗扭强度等。 强 度 、 抗剪强度 、 抗扭强度等。 (1) 屈服点 与屈服强度 与屈服强度: 屈服点: 屈服点:产生明显塑性变形的最低 应力值, 应力值,通常针对具有明显屈服现 象的材料,如碳素钢。 象的材料,如碳素钢。

σs

概念:力不增加仍能继续伸长时的应力 力不增加仍能继续伸长时的应力。用符号:σs 表示 力不增加仍能继续伸长时的应力 Fs σs = S0 试样屈服时的载荷( 试样屈服时的载荷 N ) ( M Pa ) 试样原始横截面积 试样原始横截面积( mm2) 原始横截面积
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屈服强度( 塑性变形量为0.2%的应力,针对无明显屈服材料 的应力, 屈服强度 塑性变形量为 的应力 针对无明显屈服材料) F0.2 试样产生0.2%残余塑性变 试样产生 残余塑性变 σ0.2

=
S
0

形时的载荷(N) 形时的载荷
( M Pa ) 试样原始横截面( 试样原始横截面 mm2)

σ0.2:试样产生残余塑性变形 试样产生残余塑性变形0.2%时的应力 时的应力

试样产生0.2%残余塑性变形 残余塑性变形 试样产生

屈服强度σ 是零件设计的主要依据; 屈服点 σs 、屈服强度 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。 也是评定金属强度的重要指标之一。
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(2)抗拉强度: 抗拉强度: 抗拉强度 概念:试样拉断前所承受的最大拉应力 试样拉断前所承受的最大拉应力。用符号:σb表示 试样拉断前所承受的最大拉应力
? 它表示材料抵抗断裂的能力。 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 是零件设计的重要依据; 的重要指标之一。 的重要指标之一。

σe σs σb F σb = S 注:σs

0 b

试样断裂前的最大载荷(N) 试样断裂前的最大载荷 ( M Pa ) 试样原始横截面积( 试样原始横截面积 mm2)

σb 是设计与选材的重要依据
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补充材料

比强度 ( specific strength ): 材料的强度值与密度值之比。 材料的强度值与密度值之比。

名称

强度 密度 (g / cm3) ( Mpa ) 2.7 纯铝 80~100 ~ 纯铁 纯钛 7.87 4.5

比强度 30~37 ~

180~280 23~36 ~ ~ 405~500 90~111 ~ ~
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变形强化

补充材料

? 在外力作用下,晶粒的形状随着工件外形的变化 而变化。当工件的外形被拉长或压扁时,其内部 晶粒的形状也随之被拉长或压扁,导致晶格发生 畸变,使金属进一步滑移的阻力增大,因此金属 的强度和硬度显著提高,塑性和韧性明显下降, 产生所谓“变形强化”现象。

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σ=

F S0

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(2)刚度 )

1.弹性:金属材料受外力作用时产生变 弹性: 弹性 形,当外力去掉后能恢复到原来形状及 当外力去掉后能恢复到原来形状及 尺寸的性能。 尺寸的性能。 弹性变形: 随载荷撤除而消失的变形。 弹性变形 随载荷撤除而消失的变形。

E=σ / ε

2.刚度:将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。 刚度:将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。 刚度 弹性模量:弹性下应力与应变的比值 表示材料 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。 抵抗弹性变形的能力。即: E=σ / ε 材料的E越大,刚度越大; 对组织不敏感 对组织不敏感; 材料的 越大,刚度越大; E对组织不敏感; 越大 零件的刚度主要决定于E,也与形状、 零件的刚度主要决定于 ,也与形状、截面等有 关。 杭州电子科技大学

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e

σe 3.弹性极限 弹性极限: 弹性极限 Fe σe = S0 弹性极限载荷( 弹性极限载荷 N ) ( M pa ) 试样原始横截面积( 试样原始横截面积 mm2)

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工程材料及热加工 3)、塑性 plasticity )、 概念:在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力 概念 在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。 在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力 判据:断后伸长率 、断后断面收缩率 判据 断后伸长率 ◆断后伸长率 断后伸长率 概念:试样拉断后标距的伸长量与原始标距的百分比 概念 试样拉断后标距的伸长量与原始标距的百分比。 试样拉断后标距的伸长量与原始标距的百分比

δ=

◆断后断面收缩率 断后断面收缩率

其中: 其中:Lk—断后试样长度 断后试样长度 Lk ? Lo X100% Lo—试样原始长度 试样原始长度 Lo

概念:断后截面处面积的最大缩减量与原始截面面积百分比 概念 断后截面处面积的最大缩减量与原始截面面积百分比。 断后截面处面积的最大缩减量与原始截面面积百分比 说明:伸长率和收缩率在实际应用中, 表示塑性大小。 说明:伸长率和收缩率在实际应用中,一般是用δ表示塑性大小。 δ、 Ψ越大, 越 材料的塑性越好。通常认为δ 脆性材料。 材料的塑性越好。通常认为δ<5%脆性材料 脆性材料
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塑性的测量

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1.2.冲击韧性(ak) (动载特性) 冲击韧性 动载特性)

材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。 许多机械零件和工具在工作中, 往往要受到冲击载荷的作用, 如活 塞销、锤杆、冲模和锻模等常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。

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冲击试验机

冲击试样和冲击试验示意图
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试样冲断时所消耗的冲击功A 试样冲断时所消耗的冲击功 k为: A k = m g H – m g h (J) 冲击韧性值a 冲击韧性值 k 就是试样缺口处单位 截面积上所消耗的冲击功。 截面积上所消耗的冲击功。 AK

a k=
S0
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(J/cm?)

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冲击韧性的测量实验

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温度对冲击韧性的影响 ? 某些材料在低于某个温度 时它的冲击韧性大为下降, 该温度即为韧脆转变温度 或韧脆敏感温度,因此在 低温工作的材料必须对此 引起重视。

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建造中的Titanic 号 建造中的

TITANIC

TITANIC的沉没 的沉没 与船体材料的质量
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直接有关

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Titanic 号钢板(左图)和*代船用钢板(右图)的冲击 号钢板(左图) *代船用钢板(右图) 试验结果

Titanic

*代船用钢板

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1.3 疲劳强度

(2).疲劳强度 (2).疲劳强度 材料在多次交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力 轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件,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)。 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而产生裂纹或突然发生完 全断裂的过程称为金属的疲劳。 材料承受的交变应力(σ )与材料断裂前承受交变应力 的循环次数(N)之间的关系可用疲劳曲线来表示。金属承受 的交变应力越大, 则断裂时应力循环次数N越少。当应力低 于一定值时, 试样可以经受无限周期循环而不破坏, 此应 力值称为材料的疲劳极限(亦叫疲劳强度),用σ-1 表示。
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疲劳强度的测量实验

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钢材的循环次数一般取 N = 10 8 有色金属的循环次数一般取 N = 10 钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系: 钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系 σ-1 = (0.45~0.55) b (0.45~0.55)σ

7

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疲劳断口

轴的疲劳断口

疲劳辉纹(扫描电镜照片) 疲劳辉纹(扫描电镜照片)

通过改善材料的形状结构,减少表面缺陷, 通过改善材料的形状结构,减少表面缺陷,提高表面 改善材料的形状结构 光洁度,进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。 光洁度,进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。 等方法可提高材料疲劳抗力 杭州电子科技大学

工程材料及热加工 北

油轮断裂和北极星导 弹发动机壳体爆炸与 材料中存在缺陷有关
1943年美国 油轮发生断裂 年美国T-2油轮发生断裂 年美国

极 星 导 弹

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思 考 题
1 将钟表发条拉成一直线,问这是弹 将钟表发条拉成一直线, 性变形还是塑性变形? 性变形还是塑性变形?怎样判断它的 变形性质? 变形性质? 疲劳破坏有什么危害? 2 疲劳破坏有什么危害?在什么情 况下发生疲劳破坏, 况下发生疲劳破坏,产生原因是什 么?如何提高零件的疲劳强度? 如何提高零件的疲劳强度?

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1.4 硬 度

?硬度 hardness ):是指材 硬度( 硬度 是指材 料抵抗其他硬物体压入 其表面的能力 ?常用测量硬度的方法 常用测量硬度的方法

布氏硬度HB 布氏硬度 洛氏硬度HR 洛氏硬度 维氏硬度HV 维氏硬度

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如何理解硬度?
? 硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要 的性能指标。 的性能指标。 ? 它既可理解为是材料抵抗弹性变形、塑性 它既可理解为是材料抵抗弹性变形、 变形或破坏的能力,也可表述为材料抵抗 变形或破坏的能力, 残余变形和反破坏的能力。 残余变形和反破坏的能力。 ? 硬度不是一个简单的物理概念,而是材料 硬度不是一个简单的物理概念, 弹性、塑性、 弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综 合指标。 合指标。
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(1)布氏硬度 HB ( Brinell-hardness ) 布氏硬度

布氏硬度计
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(1)布氏硬度 HB ( Brinell-hardness ) 布氏硬度

适用范围: 适用范围 <450HBS; <650HBW;

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(1)布氏硬度 HB ( Brinell-hardness ) 布氏硬度 符号HBS或HBW之前的数字表示硬度 或 符号 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。 直径、载荷及载荷保持时间。 如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的 表示直径为 的 表示直径为 钢球在1000kgf(9.807kN)载荷作用下保 ( 钢球在 ) 测得的布氏硬度值为120。 持30s测得的布氏硬度值为 。 测得的布氏硬度值为
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(2)洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness ) 洛氏硬度
10HRC≈HBS
洛氏硬度测试示意图

洛氏硬度计

h1-h0

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?2).洛氏硬度 洛氏硬度(HR) 洛氏硬度
优点:方便,能测太薄和硬度较高材料;不足:准确程度差

?

将金刚石压头(或钢球压头), 在先后施加两个载 荷(预载荷F0和总载荷F)的作用下压入金属表面。 总载荷F为预载荷F0和主载荷F1之和。卸去主载荷 F1后, 测量其残余压入深度h, 用h与h0之差△h来 , h, h h h 计算洛氏硬度值。 ? HR=(h0-h)/0.002 ? △h 越大, 表示材料硬度越低, 实际测量时硬度 可直接从洛氏硬度计表盘上读得。根据压头的种 类和总载荷的大小洛氏硬度常用的表示方式有 HRA、HRB、HRC三种。
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洛氏硬度三种常用测量方法 ? HRA:是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得 :是采用 载荷和钻石锥压入器求得 的硬度,用于硬度极高的材料(如硬质合金等 如硬质合金等)。 的硬度,用于硬度极高的材料 如硬质合金等 。 HRB:是采用100kg载荷和直径 :是采用 载荷和直径1.58mm淬 载荷和直径 淬 硬的钢球,求得的硬度,用于硬度较低的材料(如 硬的钢球,求得的硬度,用于硬度较低的材料 如 退火钢、铸铁等)。 退火钢、铸铁等 。 HRC:是采用150kg载荷和钻石锥压入器求 :是采用 载荷和钻石锥压入器求 得的硬度,用于硬度很高的材料(如淬火钢等 如淬火钢等)。 得的硬度,用于硬度很高的材料 如淬火钢等 。
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?

?

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2、洛氏硬度 Rockwell Hardness 表示。没有单位。 常用的是用符号 HRC 表示。没有单位。
91规定 有九种表示硬度方法,常见的有A 注:GB/T230—91规定 有九种表示硬度方法,常见的有A、B、C GB/T230 91 三种, HRA、HRB、HRC、HRD、HRE等 三种,如HRA、HRB、HRC、HRD、HRE等,因施加压力 和压头材料不同而出现了不同的标尺A 和压头材料不同而出现了不同的标尺A、B、C、D、E等 说明: 说明: 1.数字在前 字母在后, 45HRC;35HRC~ 数字在前、 1.数字在前、字母在后,如45HRC;35HRC~38HRC .HRC适用范围数值20 70; HRC适用范围数值20~ 2 .HRC适用范围数值20~70;小于或大于这个范围均为标注 错误! 17HRC;75HRC;HRC=15~19等 错误!如17HRC;75HRC;HRC=15~19等。 3.在图纸标注时注意数值差应 在图纸标注时注意数值差应≯ 否则为标注错误。 3.在图纸标注时注意数值差应≯5,否则为标注错误。 4.洛氏硬度与布氏硬度之间有一定的 经验)数量关系, 洛氏硬度与布氏硬度之间有一定的( 4.洛氏硬度与布氏硬度之间有一定的(经验)数量关系,即: 10HBS≈1HRC,仅仅是粗略换算,准确值须查表知。 10HBS≈1HRC,仅仅是粗略换算,准确值须查表知
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(3)维氏硬度 HV 维氏硬度 ( diamond penetrator hardness )

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适用范围: 适用范围 测量薄板类 ; HV≈HBS ;

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(3)维氏硬度 HV 维氏硬度
? 1、原理:与布氏硬度试验基本同。压头为136° 的正四棱锥体金刚石;测压痕对角线长度查表。 ? 2、表示方法: ? HV符号前为硬度值,符号后为:试验力、试 验力的保持时间。 ? 3、优点:力小压痕较浅,适较薄件;可测表面 渗C和渗N层深度;从软~极硬;准确度高。 ? 缺点:工作效率不如洛氏硬度

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硬度测量小结
? 布氏硬度以HB[N(kgf/mm2)]表示(HBS\HBW) 表示( 布氏硬度以 表示 ) 参照GB/T231-1984),生产中常用布氏硬度法测定 ),生产中常用布氏硬度法测定 (参照 - ), 经退火、正火和调质的钢件,以及铸铁、有色金属、 经退火、正火和调质的钢件,以及铸铁、有色金属、低合 金结构钢等毛胚或半成品的硬度。 金结构钢等毛胚或半成品的硬度。 洛氏硬度可分为HRA、HRB、HRC、HRD等九种, 、 等九种, 洛氏硬度可分为 、 、 等九种 它们的测量范围和应用范围也不同。一般生产中HRC用 它们的测量范围和应用范围也不同。一般生产中 用 得最多。压痕较小, 得最多。压痕较小,可测较薄的材料和硬的材料和成品件 的硬度。 的硬度。 维氏硬度以HV表示(参照 ),测量 维氏硬度以 表示(参照GB/T4340-1999),测量 表示 ), 极薄试样。 极薄试样。
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?

?

复*与思考题: 复*与思考题:
1.下列硬度要求或写法是否恰当?为什么? 1.下列硬度要求或写法是否恰当?为什么? 下列硬度要求或写法是否恰当 HRC12~17;( ;(2 (1)HRC12~17;(2)HRC = 50~ 70HRC~ 50~60 Kgf/mm2; (3)70HRC~ ;(4 75HRC ;(4)230 HBW ; 2.整体硬度要求230HBS~250HBS的轴类零件 整体硬度要求230HBS 的轴类零件, 2.整体硬度要求230HBS~250HBS的轴类零件,精 加工后再抽查,应选用什么硬度计测量硬度较合适? 加工后再抽查,应选用什么硬度计测量硬度较合适? 3.一紧固螺钉在使用过程中发现有塑性变形, 3.一紧固螺钉在使用过程中发现有塑性变形, 一紧固螺钉在使用过程中发现有塑性变形 是因为螺钉材料的力学性能哪一判据的值不足? 是因为螺钉材料的力学性能哪一判据的值不足? 4.用洛氏硬度试验方法能否直接测量成品或较 4.用洛氏硬度试验方法能否直接测量成品或较 薄工件?为什么? 薄工件?为什么?
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本章要求
? 1.熟悉拉伸曲线 ? 2.掌握强度及塑性指标,了解这些指 掌握强度及塑性指标, 标在工程上的应用。 标在工程上的应用。 ? 3.掌握几种常用的硬度指标,了解这 .掌握几种常用的硬度指标, 些指标在工程上的应用。 些指标在工程上的应用。
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小结
材料的机械力学性能是机械设计中选材 材料的机械力学性能是机械设计中选材 机械力学性能 的重要依据

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