工程材料與熱加工技術第1章材料的力學性能

1、金屬：是指具有特殊光澤而不透明，富有延展性、導熱性及導電性的一類結晶物質。金屬材料：具有金屬特性的材料通稱為金屬材料。金屬材料性能： ①使用性能：反映了金屬材料使用過程中所表現(xiàn)出來的性能，包括：物理、化學性能和力學性能等；,②工藝性能：反映金屬材料在制造加工過程中的各種性能，包括：鑄造性、鍛壓性、焊接性及切削加工性等。 力學性能：指在力或能的作用下，材料所表現(xiàn)出來的一系列力學特性，反映了金屬材料在

2、各種形式外力作用下抵抗變形或破壞的某些能力，其判據(jù)有：強度、塑性、硬度、韌性和疲勞強度等。,1.1 強?度?與?塑?性,1.1.1 拉伸曲線與應力—應變曲線　　1．拉伸曲線 GB 228—87規(guī)定了拉伸試驗的方法和拉伸試驗試樣的制作標準。在試驗時，金屬材料制作成一定的尺寸和形狀(如圖1-1所示)，將拉伸試樣裝夾在拉伸試驗機上，對試樣施加拉力，在拉力不斷增加的過程中觀察試樣的變化，直至把試樣拉斷。,圖1-1 圓形拉

3、伸試樣示意圖,根據(jù)拉伸過程中載荷(F)與試樣的伸長量(Δl)之間的關系，可以繪制出金屬的拉伸曲線。如圖1-2所示為低碳鋼的拉伸曲線，拉伸過程可分為彈性變形、塑性變形和斷裂三個階段。具體分析如下：,圖1-2 低碳鋼的拉伸曲線,Op段：試樣的伸長量與載荷呈直線關系，完全符合虎克定律，試樣處于彈性變形階段?！　e段：伸長量與載荷不再成正比關系，拉伸曲線不成直線，試樣仍處于彈性變形階段。　　s段(拉伸曲線中的平臺或鋸齒)：外力不增加或變

4、化不大，試樣仍繼續(xù)伸長，出現(xiàn)明顯的塑性變形，這種現(xiàn)象稱為屈服現(xiàn)象。　　sb段：這個階段，載荷增加，伸長沿整個試樣長度均勻伸長，同時，隨著塑性變形不斷增加，試樣的變形抗力也逐漸增加，這個階段是材料的強化階段。,b點：載荷達到最大，試樣局部面積減小，伸長增加，形成了“縮頸”?！　k段：隨著縮頸處截面不斷減小(非均勻塑性變形階段)，承載能力不斷下降，到k點時試樣發(fā)生斷裂。　　拉伸曲線中，斷裂總伸長為Of，其中塑形變形伸長為Og(試樣斷

5、后測得的伸長Δlk)，彈性伸長為gf。,2．應力—應變曲線(σ-ε曲線)應力：用承受的載荷F除以試樣的原始橫截面積S0表示，即,式中，F(xiàn)為試樣所承受的載荷；S0為試樣的原始橫截面積。 應變：用試樣的伸長量Δl除以試樣的原始標距l(xiāng)0表示，即,式中，Δl為試樣標距長度的伸長量；l0為試樣的原始標距長度。,應力—應變曲線的形狀與拉伸曲線形狀相同，只是坐標數(shù)值不同。圖1-3所示是低碳鋼的應力—應變曲線，即σ-?ε曲線。,圖1-3

6、應力—應變曲線,低碳鋼壓縮 時的力學性能,鑄鐵拉(壓)時的力學性能,1.1.2 剛度與強度 　 1．剛度　　剛度是指材料抵抗彈性變形的能力，剛度的大小一般用彈性模量E表示。彈性模量是指材料在彈性狀態(tài)下的應力與應變的比值，即,式中，σ為試樣承受的應力；ε為試樣的應變。,在應力—應變曲線上，彈性模量就是直線部分的斜率。對于材料而言，彈性模量E越大，其剛度越大。E主要取決于各種金屬材料的本性，是一個對組織不敏感的力學性能指標。對鋼進行熱

7、處理、微量合金化及塑性變形等，其彈性模量變化很小?！　C械零件大多都是在彈性狀態(tài)下工作的，零件對剛度都有一定的要求，一般不允許有過量的彈性變形，因為過量的彈性變形會使機器的精度下降。零件的剛度主要由材料的剛度決定，另外還與零件的形狀、截面尺寸有關。例如鏜床的鏜桿，為了保證高的加工精度，要選剛度較大的材料，另外還必須有足夠的截面尺寸。,表1-1 常用材料的彈性模量及比彈性模量,2．彈性極限　　彈性極限σe是材料開始產(chǎn)生塑性變形時所承

8、受的最大應力值。按照GB 228—87規(guī)定，彈性極限和屈服極限已經(jīng)取消，兩者統(tǒng)稱為規(guī)定微量塑形伸長的應力。由于其物理意義及工程中仍有應用，這里仍保留。,式中，F(xiàn)e為試樣不發(fā)生塑性變形的最大載荷；S0為試樣的原始橫截面積。　　一些在工作中不允許有微量塑性變形的零件(精密的彈性元件、炮筒等)，在設計和選材時，彈性極限是重要的依據(jù)。,3．強度　　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。工程上常用的強度指標有規(guī)定殘余伸長應力

9、、屈服點(屈服強度)、抗拉強度等。　　1) 屈服點和屈服強度　　在圖1-3中，屈服點σs是指應力—應變曲線中平臺對應的應力值，表示材料開始產(chǎn)生明顯塑性變形的最小應力值，即,式中，F(xiàn)s為試樣發(fā)生屈服現(xiàn)象時的載荷；S0為試樣的原始橫截面積。,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，無法確定其屈服點。國家標準規(guī)定，一般以規(guī)定殘余伸長率為0.2%時對應的應力σr0.2作為材料的屈服強度，通常記作σ0.2，即,式中，F(xiàn)0.

10、2為標距發(fā)生0.2%殘余伸長時的載荷。　　屈服點σs和屈服強度σ0.2通常是機器零件設計的主要強度指標，也是評定金屬材料強度的重要指標之一。我們知道，工程上各種機器零件工作時是不允許發(fā)生過量殘余變形而失效的，設計的許用應力以σs或σ0.2來確定。,2) 抗拉強度　　抗拉強度σb是指材料在斷裂前所承受的最大應力值，即,式中，F(xiàn)b為試樣拉斷前承受的最大載荷?！　≡嚇釉诶爝^程中，達到最大載荷之前是均勻塑性變形，因此抗拉強度σb是塑性材

11、料抵抗大量均勻塑性變形的能力。塑性材料的σb沒有直接意義；鑄鐵等脆性材料在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，脆性材料制成的零件以σb確定其許用應力。,1.1.3 塑性　　1．斷后伸長率　　斷后伸長率是指拉斷后標距的伸長量l1?-?l0與原始標距l(xiāng)0的比值，即,式中，l1為試樣拉斷后標距的長度；l0為試樣的原始標距。　　同一材料長試樣和短試樣測得的斷后伸長率是不相等的，測得的結果分別用δ10和δ5表示，且δ

12、5>δ10，長試樣的斷后伸長率也可以不加下標。,2．斷面收縮率　　斷面收縮率ψ是指試樣拉斷處橫截面積的減小量S0- S1與原始橫截面積S0的比值，即,式中，S1為試樣拉斷后斷裂處的最小橫截面積。,,1.2 硬 度,1.2.1 布氏硬度　　布氏硬度試驗法的測試原理：在一定的載荷F作用下，將一定直徑D的淬火鋼球或硬質合金球壓入到被測材料的表面，保持一定的時間t后將載荷卸掉，測量被測材料表面留下壓痕的直徑d，根據(jù)d計算出壓

13、痕的面積S，最后求出壓痕單位面積上承受的平均壓力，以此作為被測金屬材料的布氏硬度值，如圖1-4所示。,圖1-4 布氏硬度試驗原理示意圖,布氏硬度值(HBS或HBW)的計算公式為：當載荷F的單位為千克力(kgf?)時，,當載荷F的單位為牛頓(N)時，,式中，F(xiàn)表示載荷大小，D表示壓頭的直徑(單位為mm)，d表示壓痕表面的直徑(單位為mm)，S表示壓痕的面積(單位為mm2)，布氏硬度值的單位為kgf / mm2或者N / mm2，習慣

14、上布氏硬度是不標單位的。實際測試布氏硬度時，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查附錄A即可查出硬度值。,進行布氏硬度試驗時，當用淬火鋼球作為壓頭時，用HBS表示，適用于布氏硬度低于450的材料；當用硬質合金球作為壓頭時，用HBW表示，適用于硬度值為450～650的材料?！　〔际嫌捕鹊谋硎痉椒椋河捕戎担捕确枺囼灄l件。例如，210HBS10/1000/30表示用10 mm直徑的淬火鋼球作為壓頭，在1000

15、kgf作用下，保持時間為30 s，測得的布氏硬度值為210；500HBW5/750表示用5 mm直徑的硬質合金球壓頭，在750 kgf作用下，保持10～15 s(持續(xù)時間10～15 s時，可以不標注)，測得的布氏硬度值為500?！　≡谶M行布氏硬度試驗時，GB 231—1984做出了規(guī)定，0.102F/D2常用30、10、2.5三種。,表1-2 布氏硬度試驗規(guī)范,1.2.2 洛氏硬度　　洛氏硬度試驗法是目前應用最廣泛的硬度測試方法

16、，它是直接用壓痕深度來確定硬度值的。試驗時，用頂角為120°的金剛石圓錐體或者用直徑為1.588 mm的淬火鋼球作為壓頭，先加初載荷為98.07 N(10 kgf)，再加規(guī)定的主載荷，將壓頭壓入金屬材料的表面，卸去主載荷后，根據(jù)壓頭壓入的深度最終確定其硬度值。,洛氏硬度試驗原理如圖1-5所示，先加初載荷，使壓頭與試樣表面之間有良好的接觸，并以此作為測量的基準；再施加主載荷，試樣壓到最深處；卸去主載荷后，被測試樣的彈性變形恢復，

17、壓頭略微抬高，測得的深度就是基準與壓頭頂點最后位置之間的距離e。e越大，被測金屬的硬度越低，為了和習慣(數(shù)值越大，硬度越高)相符，用常數(shù)k減e來表示硬度大小，用0.002 mm表示一個硬度單位，洛氏硬度值的計算公式為,式中，k為常數(shù)，用金剛石圓錐體壓頭時，k=0.2 mm；用淬火鋼球作為壓頭時，k=0.26 mm；e為卸去主載荷后測得的壓痕深度。,圖1-5 洛氏硬度試驗原理示意圖,洛氏硬度沒有單位，是一個無量綱的力學性能指標。為了能用

18、同一硬度計測定從軟到硬的材料硬度，就需要不同的壓頭和載荷組成不同的洛氏硬度標尺，最常用的是A、B、C三種標尺，分別記作HRA、HRB、HRC。表1-3給出了三種標尺的實驗規(guī)范及應用范圍。,表1-3 常用三種洛氏硬度的試驗條件及應用范圍,實際測量時，洛氏硬度是在硬度計上直接讀出硬度值的。洛氏硬度的表示方法為：硬度值＋硬度符號。例如，60HRC表示用C標尺測得的洛氏硬度值為60?！　÷迨嫌捕仍囼灥膬?yōu)點是測量迅速簡便，壓痕較小，可用于測量

19、成品零件；缺點是壓痕較小，測得的硬度值不夠準確，并且各硬度標尺之間沒有聯(lián)系，不同標尺硬度值之間不能直接比較大小。洛氏硬度C標尺應用最廣泛。,對于極薄工件和化學熱處理后的表面層，在測定硬度時，由于常用洛氏硬度法施加的載荷較大，不適合這類材料的表面硬度測定。為此，根據(jù)洛氏硬度試驗原理，設計出了載荷較小的表面洛氏硬度試驗。其初載荷為29.4 N(3 kgf)，總載荷有147.1 N(15 kgf)、249.3 N(30 kgf)、441.3

20、N(45 kgf)三種，如果用金剛石圓錐壓頭，常用來測量滲氮鋼、滲碳鋼、刀刃、零件邊緣部分等，硬度符號表示為HR15N、HR30N、HR45N；如果用淬火鋼球壓頭，常測量低碳鋼、銅合金、鋁合金等薄板，硬度符號表示為HR15T、HR30T、HR45T。,1.2.3 維氏硬度　　為了在同一種硬度標尺上測定從極軟到極硬金屬材料的硬度，特制定了維氏硬度試驗法。　　維氏硬度試驗法原理與布氏硬度的基本相同，如圖1-6所示。用一個相對面夾角為1

21、36°的金剛石正四棱錐體壓頭，在規(guī)定載荷的作用下壓入被測金屬的表面，保持一定時間后卸除載荷，用壓痕單位面積上承受的載荷(F/S)來表示硬度值，維氏硬度的符號為HV。,圖1-6 維氏硬度試驗原理示意圖,當載荷的單位是千克力(kgf)時，,當載荷的單位是牛頓(N)時，,式中，F(xiàn)為試驗所加載荷；S為壓痕的面積；d為兩對角線的平均長度。維氏硬度的面積S是通過測定壓痕表面的對角線平均長度d來計算的。,計算出的維氏硬度值有單位(kgf

22、/ mm2或者N / mm2)，但通常不標單位。實際測定時，測出壓痕對角線長度，然后通過查表即可查出維氏硬度值?！　【S氏硬度的表示方法為：硬度值＋硬度符號＋測試條件。例如，620HV30/20表示在30 kgf(249.3 N)載荷作用下，保持20 s測得的維氏硬度值為620，如果保荷時間10～15 s可以不標注，如620HV30。,維氏硬度常用的載荷包括49.1(5)、98.1(10)、196.2(20)、294.3(30)、490

23、.5(50)、981(100)等，單位為N(kgf)。測量時，如果厚度允許的話，盡量用較大的載荷，以便獲得較大的壓痕，提高測量精度。 　　維氏硬度的優(yōu)點是試驗載荷小，壓痕較淺，適合測定零件表面淬硬層及化學熱處理的表面層等；可以測量極軟到極硬的材料，由于維氏硬度只用一種標尺，材料的硬度可以直接通過維氏硬度值比較大??；由于測量載荷可任意選擇，因此既可測尺寸厚大的材料，又能測很薄的材料。缺點是試樣表面要求高，硬度值的測定較麻煩，工作效率不如

24、洛氏硬度高。,維氏顯微硬度試驗用于測定顯微組織硬度。維氏顯微硬度計施加的載荷為0.0981(0.01)、0.1961(0.02)、0.4903(0.05)、0.9807(0.1)、1.961(0.2)等，單位為N(kgf)。測量壓痕對角線長度用μm做單位，符號仍用HV表示。由于顯微硬度載荷小，壓痕很小，可以測定金屬箔、金屬粉末、極薄表層及金屬組織中的晶粒及合金組成相的硬度值。 　　由于各種硬度試驗的條件不同，因此相互之間沒有理論換算關

25、系。但根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析，得到粗略換算公式為：當硬度在200～600HBS(HBW)范圍內時，HRC≈1/10HBS(HBW)；當硬度小于450HBS時，HBS=HV。,,1.3 韌 性,1.3.1 沖擊韌性,1．擺錘式一次沖擊彎曲試驗　　擺錘式?jīng)_擊試驗原理如圖1-7所示，試驗時，將標準試樣[1]放在試驗機的支座上，把質量為m的擺錘抬升到一定高度H1，然后釋放擺錘、沖斷試樣，擺錘依靠慣性運動到高度H2。,沖擊過程中如果忽略各種

26、能量損失(空氣阻力及摩擦等)，擺錘的位能損失mgH1-mgH2＝mg(H1-H2)就是沖斷試樣所需要的能量，即試樣變形和斷裂所消耗的功，也稱為沖擊吸收功AK，即AK=mg(H1-H2)。其中，G表示擺錘的重量；AK表示沖擊吸收功。U型缺口試樣和V型缺口試樣分別表示為AKU和AKV，其單位是焦耳(J)。沖擊吸收功的大小直接由試驗機的刻度盤上直接讀出。,圖1-7 擺錘式?jīng)_擊試驗原理示意圖,沖擊韌度用αK=AK/S來計算。其中，S表示試樣缺

27、口處的橫截面積(單位為cm2)?！　“褯_擊吸收功值低的材料稱為脆性材料，沖擊吸收功值高的材料稱為韌性材料。脆性材料在斷裂前沒有明顯的塑性變形，斷口較平直，呈晶狀或瓷狀，有金屬光澤；而韌性材料在斷裂前有明顯的塑性變形，斷口呈纖維狀，無光澤。,2．低溫脆性　　有些金屬材料，如工程上用的中低強度鋼，當溫度降低到某一程度時，會出現(xiàn)沖擊吸收功明顯下降的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為冷脆現(xiàn)象。歷史上曾經(jīng)發(fā)生過多次由于低溫冷脆造成的船舶、橋梁等大型結構脆斷的

28、事故。例如，1965年，英國北海油田海上鉆井平臺由于溫度突然下降而斷裂，造成巨大損失?！　⊥ㄟ^測定材料在不同溫度下的沖擊吸收功，就可測出某種材料沖擊吸收功與溫度的關系曲線。如圖1-8所示，沖擊吸收功隨溫度降低而減小，在某個溫度區(qū)間，沖擊吸收功發(fā)生急劇下降，試樣斷口由韌性斷口過渡為脆性斷口，這個溫度區(qū)間就稱為韌脆轉變溫度范圍。,圖1-8 沖擊吸收功—溫度曲線,3．沖擊韌性的用途　　AK是一個由強度和塑性共同決定的綜合性力學性能指標，

29、零件設計時，雖不能直接計算，但它是一個重要參考。由于沖擊吸收功對材料內部組織十分敏感，因此在生產(chǎn)、科研中得到廣泛應用。其主要應用如下：　　(1) 評定材料的低溫脆性情況，可以測定材料的韌脆轉變溫度范圍。,(2) 評定材料的冶金質量和熱加工產(chǎn)品質量。通過測定AK和對試樣斷口進行分析，能揭示材料的內部缺陷，如氣泡、夾渣、偏析等冶金缺陷和過熱、過燒、回火脆性等熱加工缺陷。這些缺陷使材料的沖擊吸收功明顯下降，因此，目前用沖擊試驗來檢驗冶煉、熱

30、處理及各種熱加工工藝和產(chǎn)品的質量?！　?3) 評定材料對大能量沖擊載荷的抵抗能力。實踐表明，塑性、韌性越高，材料抵抗大能量沖擊的能力越強；但在小能量多次沖擊的情況下，決定材料抗沖擊能力的主導作用是強度，提高材料的沖擊吸收功值并不能有效提高使用壽命。,1.4 疲 勞 強 度,1.4.1 疲勞及疲勞強度　　1．疲勞現(xiàn)象　　疲勞斷裂是指在變動載荷的作用下，零件經(jīng)過較長時間工作或多次應力循環(huán)后所發(fā)生的突然斷裂現(xiàn)象。變動應力通常包括交變

31、應力和重復應力。交變應力(如圖1-10所示)是指應力的大小和方向隨著時間周期性變化的應力。變動應力的變化可以是周期性的、規(guī)律的變化，也可以是無規(guī)律的變化。許多零件，如齒輪、曲軸、彈簧和滾動軸承等，都是在交變應力下工作的。據(jù)統(tǒng)計，各類斷裂失效中，80%是由于各種不同類型的疲勞破壞所造成的。,圖1-10 交變應力示意圖,疲勞斷裂具有突然性，危害很大。人們對于疲勞的研究已經(jīng)有了很大的進展。疲勞斷裂的特點如下：　　(1) 疲勞斷裂是一種低應

32、力脆斷，斷裂應力低于材料的屈服強度，甚至低于材料的彈性極限?！　?2) 斷裂前，零件沒有明顯的塑性變形，即使伸長率δ和斷面收縮率ψ很高的塑性材料也是如此。 　　(3) 疲勞斷裂對材料的表面和內部缺陷非常敏感，疲勞裂紋常在表面缺口(如螺紋、刀痕、油孔等)、脫碳層、夾渣物、碳化物及孔洞等處形成?！　?4) 實驗數(shù)據(jù)分散性較大(手冊上的數(shù)據(jù)是統(tǒng)計數(shù)據(jù))。,產(chǎn)生疲勞的原因，一般認為是由于零件應力高度集中的部位或材料本身強度較低的部位，在交

33、變應力作用下產(chǎn)生了疲勞裂紋，并隨著應力循環(huán)周次的增加，裂紋不斷擴展使零件有效承載面積不斷減小，最后突然斷裂。零件疲勞失效的過程可分為疲勞裂紋產(chǎn)生、疲勞裂紋擴展和瞬時斷裂三個階段。疲勞斷口一般可明顯地分成三個區(qū)域，即疲勞源、疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)，如圖1-11所示。,圖1-11 疲勞斷口示意圖,2．疲勞強度 　　大量實驗表明，材料所受的交變應力的最大值σmax越大，則疲勞斷裂前所經(jīng)歷的應力循環(huán)次數(shù)N越低，反之越高。根據(jù)交變應力σm

34、ax和應力循環(huán)次數(shù)N建立起來的曲線稱作疲勞曲線，如圖1-12所示?！　∑趶姸仁侵覆牧辖?jīng)受無限次循環(huán)應力也不發(fā)生斷裂的最大應力值，記作σD，就是疲勞曲線中的平臺位置對應的應力。通常，材料的疲勞強度是在對稱彎曲條件下測定的，對稱彎曲疲勞強度記作σ－1。實踐表明，如果107周次應力循環(huán)下，仍不發(fā)生疲勞斷裂，則在經(jīng)過相當多次的應力循環(huán)后一般也不會疲勞斷裂。GB 4337—84規(guī)定，一般鋼鐵材料循環(huán)周次取107周次時能承受的最大循環(huán)應力為疲勞

35、強度。,圖1-12 疲勞曲線示意圖,一般非鐵金屬(有色金屬)、高強度鋼和腐蝕介質作用下的鋼鐵材料的疲勞曲線沒有平臺，見圖1-12。這類材料的疲勞強度定義為：在規(guī)定循環(huán)周次N0下，不發(fā)生疲勞斷裂的最大循環(huán)應力值稱為條件疲勞強度，記作 ?。一般規(guī)定非鐵金屬N0取108，腐蝕介質作用下的N0取106。　　金屬材料的疲勞強度受到很多因素的影響，如材料本質、材料的表面質量、工作條件、零件的形狀、尺寸及表面殘余壓應力等。,3．提高疲勞強

36、度的途徑　　提高疲勞強度有以下途徑：　　(1) 合理地選擇材料。實踐證明，金屬材料在其他條件相同的情況下，疲勞強度隨抗拉強度的增加而增加。因此，那些能提高金屬材料抗拉強度的因素，一般也能提高疲勞強度。例如，結構鋼中的含碳量，通常，含碳量越高，抗拉強度越高；結構鋼中合金元素主要通過提高淬透性和改善組織來提高疲勞強度；細化晶粒、獲得下貝氏體及回火馬氏體等也可以提高疲勞強度。,(2) 零件設計時形狀、尺寸合理。盡量避免尖角、缺口和截面突變

37、，這些地方容易引起應力集中從而導致疲勞裂紋；另外，伴隨著尺寸的增加，材料的疲勞強度降低，強度越高，疲勞強度下降越明顯?！　?3) 降低零件表面粗糙度，提高表面加工質量。因為疲勞源多數(shù)位于零件的表面，應盡量減少表面缺陷(氧化、脫碳、裂紋、夾雜等)和表面加工損傷(刀痕、磨痕、擦傷等)。,(4) 采用各種表面強化處理。如滲碳、滲氮、表面淬火、噴丸和滾壓等都可以有效地提高疲勞強度。這是因為表面強化處理不僅提高了表面疲勞強度，而且還在材料表面形

38、成一定深度的殘余壓應力；在工作時，這部分壓應力可以抵消部分拉應力，使零件實際承受的拉應力降低，提高了疲勞強度?！　∪鐖D1-13(a)所示，在彎曲疲勞試驗中，未強化表面的應力分布距表面一定距離內，交變應力大于疲勞強度，該區(qū)域產(chǎn)生疲勞破壞；在圖1-13(b)中，表面的殘余壓應力抵消了部分交變應力，其合力用箭頭表示，這時的合力小于材料的疲勞強度，因此不會發(fā)生疲勞斷裂。,圖1-13 表面強化提高疲勞強度示意圖,1.4.2 不同形式的疲勞

39、　　1．低周疲勞　　低周疲勞是指零件或構件在較大應力(接近、甚至于超過屈服強度)作用下，導致在循環(huán)周次較低的情況下造成疲勞斷裂，一般為102～105周次，甚至幾十周次?！　〉椭芷谠趹刑帟l(fā)生一定的塑性變形并不斷擴張直至斷裂。因此，提高低周疲勞壽命，應在滿足強度的要求下，設法提高材料的塑性，不能一味提高材料的強度；另外，表面強化對提高低周疲勞并不明顯?！　」こ讨杏性S多機件是由于低周疲勞而破壞的。例如，飛機起落架、常年陣風吹

40、刮的橋梁、風暴席卷海船的殼體、經(jīng)常充氣的高壓容器等發(fā)生的疲勞常為低周疲勞。,2．熱疲勞　　零件工作時溫度循環(huán)變化而產(chǎn)生熱應力循環(huán)變化，熱應力循環(huán)變化造成的疲勞破壞稱為熱疲勞。工程上許多零件會由于熱疲勞而失效，例如，熱鍛模、熱擠壓模、壓鑄模、熱軋輥、汽輪機葉片、加熱爐零件、熱處理夾具等常產(chǎn)生熱疲勞。,熱應力產(chǎn)生的原因是由于溫度變化時，材料不能自由收縮或膨脹而導致的。如果零件整體可以自由收縮或膨脹，則不會產(chǎn)生熱應力。實際工作時，零件往往受

41、熱不均勻，零件截面內存在溫度差，一部分材料約束另一部分材料，于是就產(chǎn)生了熱應力。當熱應力超過材料的高溫彈性極限時，就會產(chǎn)生局部塑性變形，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)之后，這種循環(huán)的塑性變形就導致了零件的熱疲勞?！　√岣邿崞诘耐緩接校禾岣卟牧系乃茼g性和高溫強度；降低材料的線膨脹系數(shù)；提高材料的導熱性；盡量避免零件工作時的應力集中等。,3．沖擊疲勞　　工程上受沖擊載荷的零件，很少只經(jīng)過一次或幾次沖擊就斷裂，大多是承受小能量多次沖擊的斷裂，一般大

42、于105次。沖擊疲勞是指小能量多次沖擊導致的斷裂。沖擊疲勞不能用沖擊吸收功AKU或AKV來衡量，應采用沖擊疲勞抗力指標。　　大量試驗表明：沖擊能量低時，提高材料的強度，可使沖擊疲勞抗力明顯提高；沖擊能量較大時，沖擊疲勞抗力主要取決于材料的塑性和韌性。例如，某鍛錘錘桿用40Cr鋼油淬＋高溫回火，使用中常發(fā)生早期疲勞斷裂；后來改用鹽水淬火＋中溫回火，提高了強度，結果錘桿壽命明顯延長。,4．接觸疲勞　　接觸疲勞(也稱疲勞磨損)是指滾動軸承

43、、齒輪及鋼軌等零件的接觸表面在交變壓應力長期作用下，引起零件表面疲勞剝落現(xiàn)象。接觸疲勞大多位于表層一定深度下，在材料的缺陷或薄弱處產(chǎn)生，也存在疲勞裂紋的產(chǎn)生和疲勞裂紋的擴展?！　〗佑|疲勞破壞形式有麻點剝落(點蝕)、淺層剝落和深層剝落三種形式。深度在0.1～0.2 mm以下的針狀或痘狀凹坑稱為麻點剝落；深度在0.2～0.4 mm的小片剝落稱為淺層剝落，剝塊底部大致和表面平行；深層剝落面積較大，剝落深度和表面強化層深度相當。,提高接觸疲勞

44、強度的途徑有：盡可能減少材料中的非金屬夾雜物；獲得適當?shù)男牟坑捕群捅韺佑捕?，適當?shù)膹娀瘜由疃?；使表面強化層中的化合物形態(tài)、大小、數(shù)量分布合理；提高表面加工質量并保持良好的潤滑狀態(tài)。,5．腐蝕疲勞　　腐蝕疲勞是零件在腐蝕環(huán)境中承受變動載荷所產(chǎn)成的一種疲勞破壞現(xiàn)象。腐蝕疲勞是由于循環(huán)應力和腐蝕介質共同作用造成的，比這兩個因素單獨作用時的危害性大得多。腐蝕疲勞是很多零件經(jīng)常遇到的問題，例如，艦船中的推進器、軸、車輛彈簧、壓縮機葉片等。　　

45、腐蝕疲勞是一個很復雜的問題，腐蝕疲勞強度和抗拉強度之間不存在比例關系，提高材料的抗拉強度對提高腐蝕疲勞沒有多大影響，腐蝕的影響較大。,可通過如下途徑提高腐蝕疲勞抗力：選擇在預定環(huán)境介質中耐腐蝕的材料；在腐蝕介質中加入緩蝕劑；采用電化學保護；采用表面涂層提高耐腐蝕性；通過表面強化處理，使零件產(chǎn)生表面殘余壓應力等。,,知識窗——材料的性能,1．物理性能　　密度：單位體積的質量，ρ＝m/V?！　∪埸c：金屬或合金從固態(tài)向液態(tài)轉變的溫度。　

46、　導熱性：金屬材料傳導熱量的性能。通常用熱導率來衡量?！　щ娦裕航饘俨牧蟼鲗щ娏鞯男阅?。通常用電阻率來衡量?！　崤蛎浶裕航饘俨牧想S溫度的變化而膨脹或收縮的性能。通常用線膨脹系數(shù)或體膨脹系數(shù)來表示?！　〈判裕航饘俨牧显诖艌鲋惺艿酱呕男阅?。根據(jù)磁化程度不同，金屬材料可分為鐵磁性材料、順磁性材料和抗磁性材料三類。,2．化學性能　　耐腐蝕性：金屬材料在常溫下抵抗氧、水蒸氣和其他化學介質腐蝕破壞的性能?！　】寡趸裕航饘俨牧显诩訜?/p>

47、時抵抗氧化作用的能力?！　』瘜W穩(wěn)定性：對金屬材料耐蝕性和抗氧化性的總稱。金屬材料在高溫下的化學穩(wěn)定性稱為“熱穩(wěn)定性”。,3．工藝性能　　鑄造性能：材料在鑄造過程中呈現(xiàn)出的工藝性能，包括流動性、收縮性等。　　鍛造性能：材料在鍛壓過程中表現(xiàn)出的工藝性能，包括可鍛性、沖壓性、冷鐓性等。　　焊接性能：材料在一定生產(chǎn)條件下接受焊接的能力。　　切削加工性：材料能夠進行切削加工的能力。用切削抗力、刃具磨損等衡量?！　崽幚硇裕翰牧显跓崽幚?/p>

48、過程中的工藝性能，包括淬透性、回火脆性等。,4．力學性能除了前面所學的力學性能之外，還包括以下常用力學性能：抗彎強度 ：試樣彎曲至斷裂前所達到的最大彎應力。抗壓強度 ?：試樣在壓縮破壞過程中承受的最大應力。 抗扭強度 ?：試樣在扭斷前承受的最大扭矩。,自 測 習 題,一、選擇題1．表示金屬材料屈服強度的符號是___________。Σe B. σs C.σbD. σ－12．金屬材料

49、在靜載荷作用下，抵抗變形和破壞的能力稱為___________。塑性B. 硬度C. 強度D. 彈性3．在測量薄片工件的硬度時，常用的硬度測試方法的表示符號是___________?！　. HBSB. HRCC. HVD. HBW4．做疲勞試驗時，試樣承受的載荷為___________。A. 靜載荷B. 交變載荷C. 沖擊載荷D. 動載荷,二、填空題　　1．材料的力學性能通常是指在載荷作用下材料抵抗___

50、_______或___________的能力。　　2．金屬塑性的指標主要有___________和___________兩種?！　?．金屬的性能包括___________性能、___________性能、___________性能和___________性能。 　　4．常用測定硬度的方法有___________、___________和維氏硬度測試法?！　?．疲勞強度是表示材料經(jīng)___________作用而___________

51、的最大應力值。,6．材料的工藝性能包括___________、___________、___________、___________、___________等?！　?．零件的疲勞失效過程可分為___________、___________、___________三個階段。,三、判斷題　　1．拉伸試驗可以測定材料的強度、塑性等性能指標，因此材料的力學性能都可以通過拉伸試驗測定。( )　　2．用布氏硬度測試法測量硬度時，壓頭為

52、鋼球，用符號HBS表示。( )　　3．金屬材料的力學性能可以理解為金屬材料的失效抗力。( )　　4．材料的斷裂韌度大于材料的應力場強度因子的，材料的宏觀裂紋就會擴展而導致材料的斷裂。( ),四、練習與思考　　1．說明下列符號的意義和單位?！　?1) σe　(2) σs或σ0.2　(3) σb(4) δ　　(5) ψ　　(6) σ－1(7) AK 　　2．在測定強度指標時，σ0.2和σs有什么不

53、同？　　3．拉伸試樣的原標距長度為50 mm，直徑為10 mm。試驗后，將已斷裂的試樣對接起來測量，標距長度為73 mm，頸縮區(qū)的最小直徑為5.1 mm。試求該材料的延伸率和斷面收縮率的值。,精品課件！,精品課件！,4．材料的彈性模量E的工程含義是什么？它和零件的剛度有何關系？　　5．將6500 N的力施加于直徑為10 mm、屈服強度為520 MPa的鋼棒上，試計算并說明鋼棒是否會產(chǎn)生塑性變形?！　?．塑性指標在工程上有哪些實際意