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第一章材料的性能

教学重点:

材料的力学性能指标及其物理意义;

重点:

材料的力学性能指标及其物理意义

一、弹性与刚度

评价材料力学性能最简单和最有效的办法就是测定材料的拉伸曲线。

将标准试样(见图1-1)施加一单轴拉伸载荷,使之发生变形直至断裂,便可得到试样伸长率(试样原始标距的伸长与原始标距之比的百分率)随应力(试验期间任一时刻的力除以试样原始横截面积之商)变化的关系曲线,称为应力-应变曲线,图1-2为低碳钢的应力-应变曲线。

图1-1圆形标准拉伸试样

图1-2低碳钢的应力-应变曲线

在应力-应变曲线中,OA段为弹性变形阶段,此时卸掉载荷,试样恢复到原来尺寸。

A点所对应的应力为材料承受最大弹性变形时的应力,称为弹性极限。

其中OA’部分为一斜直线,应力与应变呈比例关系,A’点所对应的应力为保持这种比例关系的最大应力,称为比例极限。

由于大多数材料的A点和A’点几乎重合在一起,一般不作区分。

在弹性变形范围内,应力与伸长率的比值称为弹性模量E。

E实际上是OA线段的斜率:

(MPa),其物理意义是产生单位弹性变形时所需应力的大小。

弹性模量是材料最稳定的性质之一,它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。

材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚度,其指标即为弹性模量。

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。

二、强度与塑性

1、强度

材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力称为强度。

根据加载方式不同,强度指标有许多种,如抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。

其中以拉伸试验测得的屈服强度和抗拉强度两个指标应用最多。

⑴屈服强度

在图1-2中,应力超过B点后,材料将发生塑性变形。

在BC段,塑性变形发生而力不增加,这种现象称为屈服。

B点所对应的应力称为屈服强度(sS)。

屈服强度反映材料抵抗永久变形的能力,是最重要的零件设计指标之一。

实际上多数材料的屈服强度不是很明显的,

因此规定拉伸时产生0.2%残余延伸率所对应的应力为规定残余延伸强度,记为Rr0.2(s0.2),如图1-3所示。

(注:

括弧内为旧标准符号,下同)

⑵抗拉强度Rm(sb)

图1-3条件屈服强度的确定

图1-2中的CD段为均匀塑性变形阶段。

在这一阶段,应力随应变增加而增加,产生应变强化。

变形超过D点后,试样开始发生局部塑性变形,即出现颈缩,随应变增加,应力明显下降,并迅速在E点断裂。

D点所对应的应力为材料断裂前所承受的最大应力,称为抗拉强度Rm。

抗拉强度反映材料抵抗断裂破坏的能力,也是零件设计和评价材料的重要指标。

2、塑性

塑性是指材料受力破坏前承受最大塑性变形的能力,指标为断后伸长率和断面收缩率。

试样被拉断后,标距部分的残余伸长与原始标距之比的百分率称为断后伸长率A(d)。

()。

式中,为原始标距,为断后标距。

试样断裂后,断口处横截面积的减少值与原始横截面积的比值称为断面收缩率Z(y)。

()。

式中,为原始横截面积,为断后最小横截面积。

显然,A与Z值越大,材料的塑性越好。

两者相比,用Z表示塑性比A更接近于真实应变。

当A>Z时,试样无颈缩,是脆性材料的表征,反之,A<Z时,试样有颈缩,是塑性材料的表征。

试样d()不变时,随增加,A下降,只有当为常数时,不同材料的伸长率才有可比性。

当时,断后伸长率用(d10)表示,当时,断后伸长率用A()表示,很明显,A>。

从拉伸曲线我们还可以得到材料韧性的信息,所谓材料的韧性是指材料从变形到断裂整个过程所吸收的能量,具体地说就是拉伸曲线与横坐标所包围的面积。

三、硬度

硬度是指材料抵抗局部塑性变形的能力,现在多用压入法测定。

根据测量方法不同,常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。

用各种方法所测得的硬度值不能直接比较,可通过硬度对照表换算。

1、布氏硬度

布氏硬度的试验原理如图1-4所示。

将直径为D的钢球或硬质合金球,在一定载荷P的作用下压入试样表面,保持一定时间后卸除载荷,所施加的载荷与压痕表面积的比值即为布氏硬度。

布氏硬度值可通过测量压痕平均直径d查表得到。

当压头为钢球时,布氏硬度用符号HBS表示,适用于布氏硬度值在450以下的材料。

压头为硬质合金时用符号HBW表示,适用于布氏硬度在650以下的材料。

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。

布氏硬度的优点是测量误差小、数据稳定;缺点是压痕大,不能用于太薄件或成品件。

最常用的钢球压头适于测定退火钢、正火钢、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。

材料的Rm(sb)与HB之间的经验关系为:

对于低碳钢:

Rm(MPa)≈3.6HB

对于高碳钢:

Rm(MPa)≈3.4HB

对于灰铸铁:

Rm(MPa)≈1HB

或Rm(MPa)≈0.6(HB-40)

图1-4布氏硬度的试验原理

2、洛氏硬度

洛氏硬度的试验原理如图1-5所示。

在初载荷和总载荷(初载荷与主载荷之和)的先后作用下,将压头(金刚石圆锥体或钢球)压入试样表面,保持一定时间后卸除主载荷,用测量的残余压痕深度增量计算硬度值(为初载荷压入的深度,为卸除主载荷后残余压痕的深度)。

洛氏硬度用符号HR表示,根据压头类型和主载荷不同,分为九个标尺,常用的标尺为A、B、C,如表1-1所示。

符号HR前面的数字为硬度值,后面为使用的标尺,如50HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为50。

图1-5洛氏硬度的试验原理

表1-1常用洛氏硬度的符号、试验条件及应用

硬度标尺

硬度

符号

压头类型

初载荷

P0/N

主载荷

P1/N

K

表盘刻度颜色

硬度范围

应用举例

A

HRA

金刚石圆锥

98.07

490.3

100

黑色

20~88

碳化物、硬质合金、表面淬火钢等

B

HRB

1.588mm钢球

98.07

882.6

130

红色

20~100

软钢、退火钢、铜合金等

C

HRC

金刚石圆锥

98.07

1373

100

黑色

20~70

淬火钢、调质钢等

实际测量时,硬度值可直接从洛氏硬度计的表盘上直接读出。

洛氏硬度的优点是操作简便、压痕小、适用范围广。

缺点是测量结果分散度大。

3、维氏硬度

维氏硬度的试验原理如图1-6所示。

将顶部两相对面具有规定角度(136°)的正四棱锥体金刚石压头在载荷P的作用下压入试样表面,保持一定时间后卸除载荷,所施加的载荷与压痕表面积的比值即为维氏硬度。

维氏硬度可通过测量压痕对角线长度d查表得到。

维氏硬度用符号HV表示,符号前的数字为硬度值,后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。

如640HV30/20表示在294.2N载荷作用下保持20s测定的维氏硬度值为640。

根据施加的载荷范围不同,规定了三种维氏硬度的测定方法,如表1-2所示。

图1-6维氏硬度的试验原理

维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点,既可测量由极软到极硬的材料的硬度,又能互相比较。

既可测量大块材料、表面硬化层的硬度,又可测量金相组织中不同相的硬度。

表1-2维氏硬度的测定方法(GB/T4340.1-1999)

载荷范围/N

硬度符号

实验名称

P≥49.03

≥HV5

维氏硬度试验

1.961≤P<49.03

HV0.2~<HV5

小负荷维氏硬度试验

0.09807≤P<1.961

HV0.01~<HV0.2

显微维氏硬度试验

四、冲击韧性

许多机械零件、构件或工具在服役时,会受到冲击载荷的作用,如活塞销、冲模和锻模等。

材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。

可用一次摆锤实验测得冲击吸收功(单位为J),用Ak表示。

试样缺口处单位横截面积上的冲击吸收功称为冲击韧性值,用表示。

冲击试验所用试样为标准夏比缺口试样。

材料的冲击韧性随温度下降而下降。

在某一温度范围内Ak值发生急剧下降的现象称为韧脆转变,发生韧脆转变的温度范围称为韧脆转变温度,如图1-9所示。

常在低温下服役的船舶、桥梁等结构材料的使用温度应高于其韧脆转变温度,如果使用温度低于韧脆转变温度,则材料处于脆性状态,可能发生低应力脆性破坏。

应当指出的是,并非所有材料都有韧脆转变现象,如铝和铜合金等就没有韧脆转变。

图1-9韧脆转变温度曲线示意图

五、疲劳

实际工作中的构件常常是在交变载荷的作用下。

所谓交变载荷是指大小或方向随时间而变化的载荷。

在这种载荷的作用下,材料常常在远低于其屈服强度的应力下发生断裂,这种现象称为疲劳。

如发动机的轴、齿轮等均受交变载荷作用。

实际服役的金属材料有90%是因为疲劳而破坏。

疲劳破坏是脆性破坏,它的一个重要特点是具有突发性,因而更具灾难性。

材料承受的交变应力σ与断裂时应力循环次数N之间的关系可用疲劳曲线来描述(见图1-10)。

随σ下降,N值增加,材料经无数次应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。

对于对称循环交变应力的疲劳极限用σ-1表示。

实际当中,作无限次应力循环的疲劳试验是不可能的,对于钢铁材料,一般规定疲劳极限对应的应力循环次数为107,有色金属为108。

图1-10疲劳曲线示意图

提高零件的疲劳抗力,除应合理选材外,还应注意其结构形状,避免应力集中,减少缺陷,还可采用提高表面光洁度和表面强化等方法。

六、断裂韧性

工程上有时会出现材料在远低于σb的情况下发生断裂的现象。

断裂力学认为,材料中存在缺陷是绝对的,常见的缺陷是裂纹。

在应力的作用下,这些裂纹将发生扩展,一旦扩展失稳,便会发生低应力脆性断裂。

材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力称为断裂韧性。

研究表明,断裂应力与裂纹长度2之间的关系为,因此便提出一个描述裂纹尖端附近应力场强度的指标—应力强度因子:

()。

式中,Y是与裂纹形状、加载方式及试样几何尺寸有关的系数,可查手册得到,为名义外加应力(MPa),为裂纹的半长(m)。

随或增加或两者同时增加,也增加,当增大到某一定值时,裂纹便失稳扩展而发生断裂。

这个的临界值就称作断裂韧性,用表示,(为断裂应力,为临界裂纹半长)。

与的关系,相同于σ与Rm的关系。

因此与Rm一样都是材料本身的一种力学性能指标。

七、高温蠕变

所谓高温蠕变是指在高于0.5T熔的温度及远低于屈服强度的应力下,材料随加载时间的延长缓慢地产生塑性变形的现象。

可利用变形量随时间变化的蠕变曲线来描述蠕变过程,如图1-11所示。

可以看出,蠕变分为三个阶段,第Ⅰ阶段为减速蠕变阶段,第Ⅱ阶段为稳态蠕变阶段,此时变形速率恒定,第Ⅲ阶段为加速蠕变阶段。

图1-11典型的蠕变曲线示意图

表征高温结构材料力学性能的基本强度指标有两个,一个是蠕变极限,即在一定温度、一定时间内产生一定变形量时的应力,用表示,如表示在700C°下保持1000小时变形量达到0.2%时的应力。

另一个是持久强度,即在一定温度、一定时间内发生断裂时的应力,用表示,如表示在700C°下经10000小时发生断裂时的应力。

与高温蠕变有关的另一重要现象是应力松弛。

应力松弛是指在总变形量不变的条件下,材料应力随时间逐渐下降的现象对于在高温下使用的弹簧和紧固件,如螺栓、铆钉等,其松弛性能是很重要的,因为松弛将使这些零件不同程度地丧失弹性或紧固作用。

松弛除与材料有关外,还与工作应力和工作温度有关。

金属材料性能为更合理使用金属材料充分发挥其作用必须掌握各种金属材料制成的零、构件在正常工作情况下应具备的性能使用性能及其在冷热加工过程中材料应具备的性能工艺性能。

材料的使用性能包括物理性能如比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性

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