簡介:普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材,機(jī)械制造基礎(chǔ),孫學(xué)強(qiáng)主編,第一章金屬材料的力學(xué)性能,教學(xué)要求主要內(nèi)容本章重點(diǎn)本章小結(jié)習(xí)題,機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章,教學(xué)要求,通過學(xué)習(xí),學(xué)生應(yīng)掌握金屬材料的力學(xué)性能指標(biāo)和測(cè)試方法,以及各個(gè)指標(biāo)的物理意義。在設(shè)計(jì)機(jī)械零件和選擇材料時(shí)要能根據(jù)零件的工作環(huán)境,零件所承受的載荷情況重點(diǎn)考慮某些力學(xué)性能指標(biāo)。,機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章,主要內(nèi)容,第一節(jié)強(qiáng)度和塑性第二節(jié)硬度第三節(jié)沖擊韌度第四節(jié)疲勞強(qiáng)度,機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章,本章重點(diǎn),金屬材料的力學(xué)性能指標(biāo)和測(cè)試方法,以及各個(gè)指標(biāo)的物理意義。,機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章,,第一節(jié)強(qiáng)度和塑性,機(jī)器上由金屬材料研制成的零、部件,在工作過程中都要承受外力或稱載荷作用。,載荷作用的結(jié)果將引起零、部件形狀和尺寸的改變,這種改變稱為變形。,常見的變形方式有,拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切。,常用的力學(xué)性能試驗(yàn)方法有拉伸試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)等。力學(xué)性能的主要指標(biāo)有強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度等。,機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章,一、強(qiáng)度,強(qiáng)度金屬材料在靜載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。,強(qiáng)度的分類,抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度。,各種強(qiáng)度之間有一定的聯(lián)系。一般情況下多以抗拉強(qiáng)度作為判別金屬材料強(qiáng)度高低的指標(biāo)。,抗拉強(qiáng)度是通過拉伸試驗(yàn)測(cè)定的。,拉伸試驗(yàn)的方法用靜拉伸力對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行軸向拉伸,同時(shí)連續(xù)測(cè)量力和相應(yīng)的伸長,直至斷裂。,根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù),可求出有關(guān)的力學(xué)性能。,機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章,1.拉伸試樣試驗(yàn)時(shí)應(yīng)先將被測(cè)金屬材料制成標(biāo)準(zhǔn)試樣。,圖11所示為圓形拉伸試樣。,圖11圓形拉伸試樣A拉伸前B拉斷后D0試樣的直徑;L0標(biāo)距長度。根據(jù)標(biāo)距長度與直徑之間的關(guān)系,試樣可分為長試樣L010D0和短試樣L05D0。,機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章,2.力-伸長曲線,拉伸試驗(yàn)中記錄的拉伸力與伸長的關(guān)系曲線叫做力-伸長曲線,也稱拉伸圖。,低碳鋼在拉伸過程中,其載荷與變形關(guān)系有以下幾個(gè)階段,(1)彈性變形當(dāng)載荷不超過FE時(shí),拉伸曲線OE為直線,試樣的伸長量與載荷成正比。如果卸除載荷,試樣仍能恢復(fù)到原來的尺寸,即試樣的變形完全消失。這種隨載荷消失而消失的變形叫彈性變形。,圖12低碳鋼的力伸長曲線,機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章,2塑性變形,當(dāng)載荷超過FE后,試樣將進(jìn)一步伸長。此時(shí)若卸除載荷,彈性變形消失,而另一部分變形卻不能消失,即試樣不能恢復(fù)到原來的尺寸,這種載荷消失后仍繼續(xù)保留的變形叫塑性變形。,當(dāng)載荷達(dá)到FS時(shí),拉伸曲線出現(xiàn)了水平或鋸齒形線段,表明在載荷基本不變的情況下,試樣卻繼續(xù)變形,這種現(xiàn)象稱為“屈服”。,(3)斷裂,當(dāng)載荷繼續(xù)增加到某一最大值FB時(shí),試樣的局部截面縮小,產(chǎn)生所謂的“縮頸”現(xiàn)象。由于試樣局部截面的逐漸縮小,故載荷也逐漸降低,當(dāng)達(dá)到拉伸曲線上K點(diǎn)時(shí),試樣隨即斷裂。FK為試樣斷裂時(shí)的載荷。,機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章,在試樣產(chǎn)生縮頸以前,由載荷所引起試樣的伸長,基本上是沿著整個(gè)試樣標(biāo)距長度內(nèi)發(fā)生的,屬于均勻變形;縮頸后,試樣的伸長主要發(fā)生在頸部的一段長度內(nèi),屬于集中變形。,3.強(qiáng)度指標(biāo),強(qiáng)度指標(biāo)是用應(yīng)力值來表示的。試樣受到載荷作用時(shí),則內(nèi)部產(chǎn)生大小與載荷相等而方向相反的抗力即內(nèi)力。,單位截面積上的內(nèi)力,稱為應(yīng)力,用符號(hào)Σ表示。,彈性極限金屬材料能保持彈性變形的最大應(yīng)力,用ΣE表示。,式中FE彈性變形范圍內(nèi)的最大載N;S0試樣原始橫截面積MM2。,機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章,抗拉強(qiáng)度試樣斷裂前能夠承受的最大應(yīng)力,稱為抗拉強(qiáng)度,用ΣB表示。,式中FB試樣斷裂前所能承受的最大載荷N;S0試樣的原始橫截面積MM2。,低碳鋼的屈服強(qiáng)度ΣS約為240MPA,抗拉強(qiáng)度ΣB約為400MPA。,工程上所用的金屬材料,不僅希望具有較高的ΣS,還希望具有一定的屈強(qiáng)比ΣS/ΣB。,屈強(qiáng)比越小,結(jié)構(gòu)零件的可靠性越高,萬一超載也能由于塑性變形而使金屬的強(qiáng)度提高,不致于立即斷裂。但屈強(qiáng)比太小,則材料強(qiáng)度的有利用率就太低。,機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章,二、塑性,金屬發(fā)生塑性變形但不破壞的能力稱為塑性。在拉伸時(shí)它們分別為伸長率和斷面收縮率。,1.伸長率,伸長率是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長量與原始標(biāo)距的百分比,用符號(hào)Δ表示。即,式中L0試樣的原始標(biāo)距長度MM;L1試樣拉斷后的標(biāo)距長度MM。,機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章,2.?dāng)嗝媸湛s率,斷面收縮率是指試樣拉斷處橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比,用符號(hào)Ψ表示。即,式中SO試樣原始橫截面積MM2;S1試樣斷裂處的橫截面積MM2。,伸長率的大小與試樣的尺寸有關(guān)。試樣長短不同,測(cè)得的伸長率是不同的。長、短試樣的伸長率分別用Δ10和Δ5表示,Δ10也常寫成Δ。,Δ和Ψ是材料的重要性能指標(biāo)。它們的數(shù)值越大,材料的塑性就越好,故可以進(jìn)行壓力加工;普通鑄鐵的塑性差,因而不能進(jìn)行壓力加工,只能進(jìn)行鑄造。,機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章,第二節(jié)硬度,硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標(biāo),是指金屬抵抗局部彈性變形、塑性變形、壓痕或劃痕的能力。,硬度是金屬材料的重要性能之一,也是檢驗(yàn)工、模具和機(jī)械零件質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。,常用的硬度試驗(yàn)方法有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度三種。,一、布氏硬度,測(cè)定原理是用規(guī)定的試驗(yàn)力F,把直徑為D的硬質(zhì)合金球壓人被測(cè)金屬表面,保持一定時(shí)間后卸除載荷,在放大鏡下測(cè)量被測(cè)試金屬表面的壓痕直徑D,由此計(jì)算壓痕的球缺面積S,然后再求出壓痕的單位面積所承受的平均壓力(F/S),以此作為被測(cè)試金屬的布氏硬度值,如圖13所示。,機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章,布氏硬度用符號(hào)HBW表示,習(xí)慣上只寫明硬度的數(shù)值而不標(biāo)出單位。硬度符號(hào)HBW前面的數(shù)值為硬度值,符號(hào)后面的數(shù)值表示試驗(yàn)條件的指標(biāo),依次為球體直徑、試驗(yàn)力大小及試驗(yàn)力保持時(shí)間(10~15S時(shí)不標(biāo)注)。,例如600HBW1/30/20表示用直徑為1MM的硬質(zhì)合金球,在294N的試驗(yàn)力作用下保持20S,測(cè)得的布氏硬度值為600。,機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章,進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)時(shí),應(yīng)根據(jù)被測(cè)試金屬材料的種類和試樣厚度,選擇不同大小的球體直徑D、試驗(yàn)載荷F和載荷保持時(shí)間。,GB/T2311-2002規(guī)定,1、球體直徑有10MM、5MM、25MM和1MM四種;,2、試驗(yàn)力(單位N)與球體直徑平方的比值(0102F/D2)有30、15、10、5、25和1共6種(根據(jù)金屬材料的種類和布氏硬度范圍,按教材中表11選定0102F/D2);,3、試驗(yàn)力的保持時(shí)間為10~15S。對(duì)于要求試驗(yàn)力保持較長時(shí)間的材料,試驗(yàn)力保持時(shí)間允許誤差為±2S。,布氏硬度試驗(yàn)法因壓痕面積較大,能反映出較大范圍內(nèi)被測(cè)金屬的平均硬度,故試驗(yàn)結(jié)果較精確。但因壓痕較大,所以不宜測(cè)試成品或薄片金屬的硬度。,機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章,二、洛氏硬度,測(cè)定原理用頂角為120°的金剛石圓錐或直徑為1588MM的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球作壓頭,在初試驗(yàn)力F0及總試驗(yàn)力F分別作用下壓入金屬表面,然后卸除主試驗(yàn)力F1,在初試驗(yàn)力F0下測(cè)定殘余壓入深度,用深度的大小來表示材料的洛氏硬度值,并規(guī)定每壓人0002MM為一個(gè)硬度單位。,圖14洛氏硬度試驗(yàn)原理,如圖14所示。圖中00為金剛石圓錐壓頭沒有和試樣接觸時(shí)的位置,11為壓頭在初試驗(yàn)力100N作用下,壓頭壓入深度為H1時(shí)的位置;22為在總試驗(yàn)力作用下,壓頭壓入深度為H2時(shí)的位置;33為卸除主試驗(yàn)力保留初試驗(yàn)力后壓頭的位置H3。,機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章,這樣,壓痕的深度HH3-H1,洛氏硬度的計(jì)算公式為,洛氏硬度,式中H壓痕深度;N給定標(biāo)尺的數(shù)值,A、C標(biāo)尺為100;B標(biāo)尺為130。,淬火鋼球壓頭用于退火件、有色金屬等較軟材料的硬度測(cè)定;金剛石壓頭適用于淬火鋼等較硬材料的硬度測(cè)定。,洛氏硬度所加載荷根據(jù)被測(cè)材料本身硬度不同而組成不同的洛氏硬度標(biāo)尺,其中最常用的是A、B、C三種標(biāo)尺,其試驗(yàn)規(guī)范見教材中表12(GB/T2301-2004)。,機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章,優(yōu)點(diǎn)操作迅速、簡便,可從表盤上直接讀出硬度值,不必查表或計(jì)算,而且壓痕小,可測(cè)量較薄工件的硬度。,缺點(diǎn)精確性較差,硬度值重復(fù)性差,需要在材料的不同部位測(cè)試數(shù)次,取其平均值來代表材料的硬度。,三、維氏硬度維氏硬度的測(cè)定原理基本上和布氏硬度相同,不同的是所用壓頭為錐面夾角為136O的金剛石正四棱錐體,如圖15所示。,試驗(yàn)時(shí)用規(guī)定的試驗(yàn)力F,在試樣表面上壓出一個(gè)正方形錐面壓痕,測(cè)量壓痕對(duì)角線的平均長度D,借以計(jì)算壓痕的面積S,以F/S的數(shù)值來表示試樣的硬度值,用符號(hào)HV表示。,機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章,維氏硬度試驗(yàn)常用的試驗(yàn)力有4903N、9807N、1961N、942N、4903N、9807N等幾種。在試樣厚度允許的情況下盡可能選用較大的試驗(yàn)力,以獲得較大的壓痕,提高測(cè)量精度。,維氏硬度標(biāo)注時(shí),在符號(hào)HV前面標(biāo)出硬度值,在HV后面的數(shù)值依次表示試驗(yàn)力值和試驗(yàn)力保持時(shí)間保標(biāo)出。,例如640HV300表示在試驗(yàn)力為2942N下,保持10~15S測(cè)得的維氏硬度為640;640HV300/20表示在試驗(yàn)力為2942N下,保持20S測(cè)得的維氏硬度值為640。,實(shí)際測(cè)量時(shí),用裝在機(jī)體上的測(cè)量顯微鏡,測(cè)出壓痕投影的兩對(duì)角線的平均長度D,然后根據(jù)D的大小查表(GB/T4340-1999),求得所測(cè)的硬度即可。,機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章,維氏硬度可測(cè)軟、硬金屬,尤其是極薄零件和滲碳層、滲氮層的硬度,它測(cè)得的壓痕輪廓清晰,數(shù)值較準(zhǔn)確。維氏硬度值需要測(cè)量壓痕對(duì)角線,經(jīng)計(jì)算或查表才能獲得,效率不如洛氏硬度試驗(yàn)高,所以不宜用于成批零件的常規(guī)檢驗(yàn)。由于各種硬度試驗(yàn)的條件不同,因此相互間沒有理論的換算關(guān)系。,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,可獲得粗略換算公式如下當(dāng)硬度在200~600HBW范圍內(nèi)HRC≈1/10HBW當(dāng)硬度小于450HBW時(shí)HBW≈HV,機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章,第三節(jié)沖擊韌度,金屬材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力稱為沖擊韌度。通常用一次擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)來測(cè)定金屬材料的韌度,其試驗(yàn)原理如圖16所示。,試驗(yàn)時(shí),把標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣的缺口背向擺錘方向放在沖擊試驗(yàn)機(jī)上,將擺錘揚(yáng)起到規(guī)定高度H1,然后自由落下,將試樣沖斷。,機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章,擺錘沖斷試樣所消耗的功為AKMGH1-H2,稱做沖擊吸收功,可從沖擊試驗(yàn)機(jī)上直接讀出,單位為焦耳(J)。用試樣缺口處的橫截面積S去除AK所得的商即為該材料的沖擊韌度值,用符號(hào)ΑK表示,單位為焦耳/厘米2J/CM2。即,試樣缺口有U形和V形兩種,沖擊韌度值分別以ΑKU和ΑKV表示。,ΑKV值越大,材料的沖擊韌度越好,斷口處則會(huì)發(fā)生較大的塑性變形,斷口呈灰色纖維狀;,ΑKV值越小,材料的沖擊韌度越差,斷口處無明顯的塑性變形,斷口具有金屬光澤而較為平整。,強(qiáng)度、塑性兩者均好的材料,ΑKV值也高。加載速度越快,溫度越低,表面及冶金質(zhì)量越差,則ΑKV值越低。,機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章,第四節(jié)疲勞強(qiáng)度,有許多零件如齒輪、彈簧等是在交變應(yīng)力指大小和方向隨時(shí)間作用期性變化下工作的,零件在這種交變載荷作用下經(jīng)過長時(shí)間工作也會(huì)發(fā)生破壞,通常這種破壞現(xiàn)象叫做金屬的疲勞斷裂。,圖17是某材料的疲勞曲線,橫坐標(biāo)表示循環(huán)周次,縱坐標(biāo)表示交變應(yīng)力。,從該曲線可以看出,材料承受的交變應(yīng)力越大,疲勞破壞前能循環(huán)工作的周次越少;當(dāng)循環(huán)交變應(yīng)力減少到某一數(shù)值時(shí),曲線接近水平,即表示當(dāng)應(yīng)力低于此值時(shí),材料可經(jīng)受無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不破壞。,機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章,人們把材料在無數(shù)次交變載荷作用下而不破壞的最大應(yīng)力值稱為疲勞強(qiáng)度。,通常光滑試樣在對(duì)稱彎曲循環(huán)載荷作用下的疲勞強(qiáng)度用Σ1表示。,對(duì)鋼材來說,我們把經(jīng)受107周次或更多周次而不破壞的最大應(yīng)力定為疲勞強(qiáng)度。,對(duì)于有色金屬,一般則需規(guī)定應(yīng)力循環(huán)次數(shù)在108或更多周次,才能確定其疲勞強(qiáng)度。,影響疲勞強(qiáng)度的因素主要有循環(huán)應(yīng)力、溫度、材料的化學(xué)成分及顯微組織、表面質(zhì)量和殘余應(yīng)力等。,機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章,上述力學(xué)性能指標(biāo),都是用小尺寸的光滑試樣或標(biāo)準(zhǔn)試樣,在規(guī)定性質(zhì)的載荷作用下測(cè)得的。光滑試樣或標(biāo)準(zhǔn)試樣的力學(xué)性能指標(biāo)不能直接代表材料制成零件后的性能。,理由,1、因?yàn)閷?shí)際零件尺寸往往很大,尺寸增大后,材料中出現(xiàn)缺陷如孔洞、夾雜物,表面損傷等的可能性也增大;,2、零件在實(shí)際工作中所受的載荷往往是復(fù)雜的,零件的形狀、表面粗糙度值等也與試樣差異很大。,金屬材料制成零件后的性能將在以后的課程中研究。,機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章,小結(jié),金屬材料的力學(xué)性能是指材料在不同形式的載荷作用下所表現(xiàn)出來的特性。由于載荷的形式不同,材料可表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能,如強(qiáng)度、塑性、硬度、韌度和疲勞強(qiáng)度等。強(qiáng)度是指金屬材料在靜載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力,通常以抗拉強(qiáng)度作為判別材料強(qiáng)度高低的指標(biāo)。通過靜拉伸試驗(yàn)可測(cè)得強(qiáng)度和塑性。硬度也是在靜載荷作用下測(cè)試的,常用的有布氏硬度和洛氏硬度。沖擊韌度在一次沖擊載荷下測(cè)試。疲勞強(qiáng)度是在交變應(yīng)力作用下測(cè)試。金屬材料的各種力學(xué)性能之間有一定的聯(lián)系。一般提高金屬的強(qiáng)度和硬度,往往會(huì)降低其塑性和韌度;反之若提高塑性和韌度,則會(huì)削弱其強(qiáng)度。,機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章,習(xí)題,11什么是金屬的力學(xué)性能根據(jù)載荷形式的不同,力學(xué)性能主要包括哪些指標(biāo)12什么是強(qiáng)度什么是塑性衡量這兩種性能的指標(biāo)有哪些各用什么符號(hào)表示13低碳鋼做成的D010MM的圓形短試樣經(jīng)拉伸試驗(yàn),得到如下數(shù)據(jù)FS21100N,F(xiàn)B34500N,L165MM,D06MM。試求低碳鋼的ΣS、ΣB、Δ5、Ψ。14什么是硬度HBW、HRA、HRB、HRC各代表什么方法測(cè)出的硬度15下列硬度要求和寫法是否正確HBW150HRC40NHRC70HRB10478HVHRA79474HBW16什么是沖擊韌度AK和ΑKV各代表什么17什么是疲勞現(xiàn)象什么是疲勞強(qiáng)度18用標(biāo)準(zhǔn)試樣測(cè)得的金屬材料的力學(xué)性能能否直接代表材料制成零件的力學(xué)性能為什么,機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章,
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