金属材料的理化性能与热处理.ppt
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1、第一章 金属材料的力学性能,本章导读,金属材料在现代工业中的广泛应用主要是由于其能满足各种工程构件或机械零件所需的力学性能和工艺性能要求,所以掌握各种金属材料的力学性能及其变化规律,根据工作条件及力学性能选择材料,充分发挥其性能潜力,是保证构件或零件质量的基础。,使用性能:材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能:材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。,概 述,金属材料的力学性能是指在承受各种外加载荷(拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等)时,对变形与断裂的抵抗能力及发生变形的能力。,概 述,材料在外力的作用下将发生形状和尺
2、寸变化,称为变形。外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。,力学性能,材料在力的作用下,诸如不同载荷所造成的弹性变形、塑性变形、断裂(脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂等)以及金属抵抗变形和断裂能力的衡量指标。常用的力学性能有:强度、刚度、弹性、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳极限等。,1.1 强度与塑性,强度是指金属材料在静载荷作用下,抵抗塑性变形和断裂的能力。塑性是指金属材料在静载荷作用下产生塑性变形而不致引起破坏的能力。金属材料的强度和塑性的判据可通过拉伸试验测定。,一、拉伸实验,(GB/T228-2002),1.拉伸试样,2.力伸长曲线(以低碳钢试样为例),3.
3、脆性材料的拉伸曲线,返 回,上一页,下一页,回主页,1.拉伸试样(GB6397-86),长试样:L0=10d0,短试样:L0=5d0,返 回,上一页,下一页,回主页,万能材料试验机 a)WE系列液压式 b)WDW系列电子式,2.力伸长曲线,弹性变形阶段,屈服阶段,颈缩现象,拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。,强化阶段,返 回,上一页,下一页,回主页,(a)试样(b)伸长(c)产生缩颈(d)断裂,拉伸试样的颈缩现象,3.脆性材料的拉伸曲线(与低碳钢试样相对比),脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。,返 回,上一页,下一页,回主页,应力=P/F0应变=(l-l0)/l0,二、刚度,刚度是指
4、材料抵抗弹性变形的能力,金属材料刚度的大小一般用弹性模量E表示。在拉伸曲线上,弹性模量就是直线(OP)部分的斜率。对于材料而言,弹性模量E越大,其刚度越大。,弹性模量的大小主要取决于材料的本性,除随温度升高而逐渐降低外,其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。,结构的刚度除取决于组成材料的弹性模量外,还同其几何形状、截面尺寸等因素以及外力的作用形式有关,在弹性模量E一定时,零件或构件的截面尺寸越大,其刚度越高。对于一些须严格限制变形的结构(如机翼、高精度的装配件等),须通过刚度分析来控制变形。许多结构(如建筑物、船
5、体结构等)也要通过控制刚度以防止发生振动、颤振或失稳。,弹性极限e 弹性极限是指在产生完全弹性变形时材料所能承受的最大应力,即:,式中Fe试样完全弹性变形时所能承受的最大载荷,N;Ao试样原始截面积,mm2。,在实际工程应用中,在最大许用应力条件下是否产生或产生多大微量塑性变形是重要的,具有实际意义。,三、强度,强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力,是工程技术上重要的力学性能指标。按照载荷的性质,材料强度有静强度、疲劳强度等;按照环境条件,材料强度有常温强度、高温强度等,高温强度又包括蠕变极限和持久强度。除了上述材料强度外,还有机械零件和构件的结构强度。工程上常用的强度指标有强度指标有屈服
6、强度、规定残余延伸强度、抗拉强度等。,材料强度的大小通常用单位面积上所承受的力来表示,其单位为N/m2(Pa),但Pa这个单位太小,所以实际工程中常用MPa(MPa=106Pa)作为强度的单位。一般钢材的屈服强度在2002000MPa 之间,如建造2008年北京奥运会主体育场“鸟巢”外部钢结构的Q460E钢,其屈服强度为460MPa。,1.屈服强度,(1)屈服现象,在金属拉伸试验过程中,当应力超过弹性极限后,变形增加较快,此时除了弹性变形外,还产生部分塑性变形。当外力增加到一定数值时突然下降,随后,在外力不增加或上下波动情况下,试样继续伸长变形,在力伸长曲线出现一个波动的小平台,这便是屈服现象
7、。,(2)屈服强度,在拉伸曲线上,与上、下屈服点相对应的应力称为上、下屈服强度,分别用ReH和ReL表示。ReH和ReL的计算公式如下:,(3)规定残余延伸强度,对于高碳淬火钢、铸铁等材料,在拉伸试验中没有明显的屈服现象,无法确定其屈服强度。国标GB228-2002规定,一般规定以试样达到一定残余伸长率对应的应力作为材料的屈服强度,称为规定残余延伸强度,通常记作Rr。例如Rr0.2表示残余伸长率为0.2%时的应力。,例如Rr0.2 表示规定残余延伸率为0.2时的应力。其计算公式为:Rr0.2F0.2/S0(N/mm2)式中:F0.2残余延伸率达0.2时的载荷(N);S0试样原始横截面积(mm2
8、)。,L,F,0,F0.2,工程上各种构件或机器零件工作时均不允许发生过量塑性变形,因此屈服强度ReL和规定残余延伸强度Rr是工程技术上重要的力学性能指标之一,也是大多数机械零件选材和设计的依据。,ReL 和Rr 常作为零件选材和设计的依据。传统的强度设计方法,对韧性材料,以屈服强度为标准,规定许用应力=ReL/n,安全系数n一般取2或更大。,2.抗拉强度,抗拉强度,材料在断裂前所能承受的最大应力,用符号Rm表示。,计算公式,抗拉强度Rm的物理意义是塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力。铸铁等脆性材料拉伸过程中一般不出现缩颈现象,抗拉强度就是材料的断裂强度。断裂是零件最严重的失效形式,所以,抗拉
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