机械基础材料的力学性能.docx

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机械基础材料的力学性能

第三章常用金属材料及热处理

第一节材料的力学性能

一、力学性能的概念：

力学性能是指金属在外力作用下所表现出来的性能。

力学性能包括：

强度、硬度、塑性、硬度、冲击韧性。

二、载荷的概念及分类：

1.金属材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷。

2.按载荷作用性质分：

1静载荷：

是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。

2冲击载荷：

在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。

③交变载荷：

是指大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化析载荷。

三、变形的概念及分类

1.概念：

金属材料受到载荷作用而产生的几何形式和尺寸的变化称为变形。

2.分类：

弹性变形和塑性变形两种

四、强度：

1.概念：

金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。

强度的大小用应力来表示。

2.根据载荷作用方式不同，强度可分为：

抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等。

一般情况下多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。

拉伸试样：

拉伸试样的形状一般有圆形和矩形。

d0：

直径L0：

标距长度长试样：

L0=10d0短试样：

L0=5d0

3.强度指标：

屈服点：

在拉伸试验过程中，载荷不增加（保持恒定），试样仍能继续伸长时的应力称为屈服点。

用符号σs表示，计算公式：

σs=Fs/S0对于无明显屈服现象的金属材料可用规定残余伸长应力表示，计算公式：

σ0.2=F0.2/So

屈服点σs和规定残余伸长应力σ0.2都是衡量金属材料塑性变形抗力的指标。

抗拉强度:

材料在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用符号σb表示。

计算公式为：

σb=Fb/S0零件在工作中所承受的应力，不于允许超过抗拉强度，否则会产生断裂。

五、塑性：

1.概念：

断裂前金属材料产生永久变形的能力称为塑性。

塑性由拉伸试验测得的。

常用伸长率和断面收率表示。

伸长率：

试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。

用δ表示，

计算公式：

δ=（l1-l0）/l0×100%

断面收缩率：

试样拉断后，缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率。

用ψ表示，计算公式：

ψ=（SO-S1）/SO×100%

金属材料的伸长率（δ）和断面收缩率（ψ）数值越大，表示材料的塑性越好。

六、硬度：

1.概念：

材料抵抗局部变形特别是塑性变形压痕或划痕的能力称为硬度。

2.布氏硬度：

（1）布氏硬度的测试原理：

用一定直径的球体（钢球或硬质合金），以规定的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，然后用测量表面压痕直径来计算硬度

用HBS（HBW）表示，当F、D一定时，布氏硬度与d有关，d越小，布氏硬度值越大，硬度越高。

（2）布氏硬度的表示方法：

符号HBS之前的数字为硬度值符号后面按以下顺序用数字表示条件：

1）球体直径；2）试验力；3）试验力保持的时间（10~15不标注）。

170HBS10/100/30：

表示用直径10mm的钢球，在9807N的试验力作用下，保持30S时测得的布氏硬度值为170。

530HBW5/750：

表示用直径5mm的硬质合金球，在7355N的试验力作用下，保持10~5s时测得的布氏硬度值为530。

（3）应用范围及优缺点：

测定灰铸铁、有色金属各种软钢等硬度不是很高的材料。

优点：

能准确反映出金属材料的平均性能。

缺点：

操作时间长，压痕测量较费时。

3.洛氏硬度：

（1）测试原理：

采用金刚石圆锥体或淬火钢球压头，压入金属表面后，经规定保持时间后即除主试验力，以测量的压痕深度来计算洛氏硬度值。

表示符号：

HR

（2）标尺及其适用范围：

每一标尺用一个字母在洛氏硬度符号HR后面加以注明。

常用的洛氏硬度标尺是A、B、C三种，其中C标尺应用最为广泛。

不同标尺的洛氏硬度值不能直接进行比较，可换算。

表示方法：

符号HR前面的数字表示硬度值，HR后面的字母表示不同洛氏硬度的标尺。

（3）优缺点：

优点：

①操作简单迅速，能直接从刻度盘上读出硬度值；②压痕小，可测成品及较薄工件；③测硬度范围大。

缺点：

数值波动大

4.维氏硬度。

（1）测试原理：

与布氏硬度试验相同。

测量压痕对角线长度，从表中查出。

表示：

与布氏硬度相同。

如：

640HV30表示用294.2N试验力，保持10S~15S测定的维氏硬度值为640。

（2）优缺点：

可测较薄的材料，也可测量表面渗碳、渗透层的硬度，可测定很软到很硬的各种金属材料的硬度、准确。

七、冲击韧性：

1.概念：

金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。

2.冲击试样的原理及方法：

冲击韧度越大，表示材料的冲击韧性越好。

八、疲劳强度

1.疲劳概念：

在交变应力作用下，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后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。

2.疲劳破坏的特征：

①、疲劳断裂时无明显的宏观朔性变形，断裂前没有预兆，而是突然破坏；②、引起疲劳断裂的应力很低，常常低于材料的屈服点；③、疲劳破坏的宏观断口由两部分组成。

3.疲劳曲线和疲劳极限：

疲劳曲线是指交变应力与循环次数的关系曲线。

【教材全程导学】（课堂探析）

例1拉伸试验时，试样拉断前能承受的最大应力称为材料的。

A.抗拉强度B.弹性极限C.屈服点D.硬度

【思路分析】抗拉强度是指试样拉断前能承受的最大应力；屈服点是指试样拉伸过程中，力保持恒定试样继续伸长的应力；弹性极限是指试样拉伸过程中保持弹性变形的最大应力；硬度是指抵抗局部抵抗塑性变形，压痕或划痕的能力；疲劳强度是指材料在无数次交变载荷的作用下而不断裂的最大应力。

本题答案：

A

例2作检测材料强度试验时，试样承受的载荷为。

A.交变载荷B.冲击载荷C.静载荷D.动载荷

【思路分析】在做金属材料力学性能测试时，所用的载荷类型是不一样的。

测试强度和塑性指标（拉伸试验）用静载荷；测试硬度指标（压入法）也用静载荷；测试韧性指标一般用冲击载荷；测试疲劳强度用交变载荷。

本题答案：

C

例3洛氏硬度C标尺所用的压头是。

A.淬火钢球B.1200金刚石圆锥体C.硬质合金球D.1360金刚石正四棱锥

【思路分析】各种硬度的测试所用压头不同，布氏（HBS）用淬火钢球；布氏（HBW）用硬质合金球；洛氏（HRC）用1200金刚石圆锥体；洛氏（HRB）用Φ1.588小钢球；洛氏（HRA）用1200金刚石圆锥体；维氏（HV）用1360金刚石正四棱锥。

本题答案：

B

例4测定灰铸铁坯料的硬度一般应选用何种方法测定。

A.布氏硬度B.洛氏硬度（HRC）C.维氏硬度D.洛氏硬度（HRB）

【思路分析】硬度的测试方法很多，布氏（HB）多作为原坯料和软材料的测量；洛氏（HRC）多测量成品淬火钢件；洛氏（HRB）一般测量材质较软的成品件或半成品件；洛氏（HRA）多测量硬质合金；维氏（HV）多测量表面硬度（表面渗碳和表面渗氮等）。

本题答案：

A

【能力检测】

一、填空题

1．载荷可分为　　载荷，　　　载荷和　　　　载荷三类。

2．260HBW5/650／30表示压头直径为　mm，以　　为压头，在　　N压力下，保持　　s,测得的　　硬度值为　　。

3．硬度测试的方法很多，最常用的有、及试验法三种。

4.布氏硬度主要适用于测定硬度_____（很高，高，不是很高）的材料，不宜于测量_______。

5.洛氏硬度试验采用______或______做压头，以测量压痕的__来计算其值。

6.金属材料抵抗_____作用而不破坏的能力称为冲击韧性，材料的疲劳强度值___（大于，等于，小于）其屈服点。

7.力学性能是指金属在作用下所表现出来的性能，包括、、、韧性及等。

8.断后伸长率是指标距的和之比的百分率，用符号δ表示。

9.布氏硬度是测量压痕的来计算其值，洛氏硬度是测量压痕的来计算其值，维氏硬度是根据压痕的____查表得到的。

10．强度是指金属材料在载荷作用下，抵抗或的能力，强度常用的衡量指标有和。

11.断裂前金属材料产生的能力称为塑性，金属材料的和的数值越大，表示材料的塑性越。

12．如果零件工作时所受的应力低于材料的或，则不会产生过量的塑性变形。

二、判断题

1.在实际应用中，维氏硬度值是根据测定压痕对角线长度再查表得到的。

（）

2.零件在工作中所承受的应力，不允许超过屈服点，否则会产生断裂。

（）

3.做布氏硬度测试时，当试验条件相同时，其压痕直径越小，材料的硬度越低。

（）

4.弹性变形能随载荷的去除而消失，称为可逆变形。

（）　　　　　　　　　　　　　　　　　

5.材料的屈服点越低，则允许的工作应力越高。

（）　　　　　　　　　　

6.低碳钢的强度、硬度低，但具有良好的塑性、韧性及焊接性能。

（）

7.只有在材料所受的应力高于材料的抗拉强度时，材料才会断裂。

（）

8.金属的塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。

（）

9.材料硬度低，其切削加工性能就越好。

（）

三、选择题

1.用拉伸试验不可以测定材料的性能指标是。

A.抗拉强度B.硬度C.塑性D.屈服点

2.拉伸试验所用的载荷是。

A．动载荷B．冲击载荷C．静载荷D．交变载荷

3.用压痕的深度来确定材料的硬度值为。

A.布氏硬度B.洛氏硬度C.维氏硬度D.以上均不是

4.现需测定某灰铸铁的硬度一般应选用何种方法测定。

A.布氏硬度机B.洛氏硬度机C.维氏硬度机D.三种方法均可

5.材料抵抗局部变形，压痕及划痕的能力称为。

A.强度B.韧性C.硬度D.塑性

6.检测材料的韧性，试样承受的载荷为。

A.动载荷B.静载荷C.冲击载荷D.交变载荷

7.维氏硬度所用的压头是。

A.淬火钢球B.1200金刚石圆锥体C.硬质合金球D.1360金刚石四棱锥

8.测量硬质合金刀片的硬度一般应选用。

A.布氏硬度B.洛氏硬度C.维氏硬度D.三种方法均可

9．拉伸试验时，试样拉断前能承受的最大应力称为材料的。

A.抗拉强度B.弹性极限C.屈服点D.条件屈服应力

10．金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为。

A.塑性B.强度C.硬度D.韧性

11.洛氏硬度C标尺所用的压头是。

A.淬火钢球B.120°金刚石圆锥体C.硬质合金球D.136°金刚石四棱锥

12.金属材料的ακ值表示材料的。

A.抵抗冲击载荷的能力B.抵抗静载荷的能力

C.抵抗交变载荷的能力D.抵抗拉伸载荷的能力

13.零件在工作中所承受的应力，不允许超过抗拉强度，否则会产生。

A.弹性变形　B.断裂　C.塑性变形　D.屈服

14.下列材料中在拉伸试验时，不产生屈服现象的是。

A.纯铜　B.低碳钢　C.铸铁D.纯铝

15.作疲劳试验时，试样承受的载荷为。

A.交变载荷B.冲击载荷C.静载荷D.动载荷

四、计算题

1．现有一批进口的钢材，据国家标准规定，该种钢的力学性能指标不应低于以下数值：

ReL≥340Mpa，Rm≥540Mpa,A≥19％，Z≥45％。

验收时用该材料制成d0＝1×10－2m的短试样作拉伸试验：

当载荷达到28.26KN时，产生屈服现象；载荷至45.33KN时，试样发生缩颈现象，然后被拉断。

拉断后标距长为6.05×10－2m，断裂处直径为7.3×10－3m。

该材料是否合格（写出判断过程）？

第三章常用金属材料及热处理

第一节材料的力学性能

一、填空题

1.静冲击交变

2.5硬质合金球637030布氏260

3.布氏硬度洛氏硬度维氏硬度

4.不是很高成品件

5.1200金刚石圆锥体Φ1.588钢球深度

6.冲击小于7.外力强度塑性硬度疲劳强度8.伸长量原始标距9.直径深度对角线长度10.静塑性变形断裂屈服点抗拉强度

11.塑性变形伸长率断面收缩率好

12.屈服点规定残余伸长应力

二、判断题

1.√2.×3.×4.√5.×6.√7.×8.√9.×

三、选择题

1.B2.C3.B4.A5.C6.C7.D8.B9.A10.B11.B12.A13.B14.C15.A

四、计算题

解：

S0=πd02/4=3.14×（1×10-2）2/4=7.85×10-4m2

Su=πdu2/4=3.14×（7.3×10-3）2/4=4.2×10-5m2

ReL=FeL/S0=28.26×103/7.85×10-4Pa=360Mpa＞340Mpa

Rm=Fm/S0=45.33×103/7.85×10-4Pa=577.5Mpa＞540Mpa

A=Lu-L0/L0=21%＞19％

Z=S0-Su/S0=46.7%＞45％

所以该材料合格。