金属工艺(2).ppt

第2章金属的力学性能,金属工艺学,第2章金属的力学性能,金属的力学性能是指金属在不同环境因素的行为。这种行为通常表现为金属的变形和断裂。因此，金属材料的力学性能可以表述为金属抵抗（温度、介质）下，承受外加载荷作用时所表现外加载荷引起的变形和断裂的能力。金属的力学性能是设计和制造机械零件或工具的主要依据，也是评定金属材料质量的重要判据。当外加载荷的性质、环境因素不同时，对金属材料要求的力学性能也将不同。常用的力学性能主要有强度、塑性、硬度、韧度和疲劳等。,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,2.1强度与塑性强度是指金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。塑性是金属材料在外力作用下，产生变形而不破坏的能力。强度和塑性的判据通过拉伸试验测定。拉伸试验是指在静拉伸力作用下，对试样进行轴向拉伸，直到拉断。通过拉伸试验绘制出力伸长曲线，计算出强度和塑性的性能指标。,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,拉伸试验,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,1.弹性极限试样产生完全弹性变形时所能承受的最大拉应力。2.屈服点试样在试验过程中力示增加（保持恒定）仍能继续伸长（变形）时的应力。3.抗拉强度试样拉断前所能承受的最大应力值。,,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,2.1.2塑性的主要指标塑性是指断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。1.断后伸长率试样拉断后标距的伸长量与原始标距的百分比，用符号δ表示。即式中l1试样拉断后对接的标距长度；l0试样原始标距长度。,,,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,拉伸试样的原始标距l0与原始直径d0之间通常有一定的比例关系。l010d0时，称为长试样；l05d0时，称为短试样。使用长试样测定的断后伸长率用符号δ10表示，通常写成δ；使用短试样测定的断后伸长率用符号δ5表示。同一种材料的短试样断后伸长率δ5大于长试样断后伸长率δ10。,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,2.断面收缩率试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的比值，用符号Ψ表示。即式中S0试样原始横截面积；S1试样拉断后缩颈处最小横截面积。断面收缩率不受试样尺寸的影响，比较确切地反映了金属材料的可塑性。,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,2.2硬度硬度是衡量金属材料软硬程度的指标。是指金属抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度是各种零件和工具必须具备的力学性能指标。机械制造业中所用的各种刃具、量具、模具都应具备足够的硬度，才能满足使用性能的要求和寿命。机械零件中的齿轮、凸轮、曲轴等也必须具备一定的硬度，以保证足够的耐磨性。,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,硬度是一项综合力学性能指标，它既反映了金属材料的硬度（抵抗局部塑性变形的能力），也反映了金属材料的塑性（压痕的大小或深浅）。硬度试验和拉伸试验都是在静载荷作用下进行的，但硬度试验在生产中应用更为广泛。拉伸试验属于破坏性试验，测定方法比较复杂。硬度试验则简便快速，基本上不损伤金属材料，甚至不需要做专门的试样，可以直接在工件上测试。因此，常常把硬度指标作为技术要求标注在零件工作图上。测试硬度的方法较多，常用有的布氏硬度试验法、洛氏硬度试验法和维氏硬度试验法三种。,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,2.2.1布氏硬度用直径为D的硬质合金球，在规定试验力F的作用下压入被测试金属的表面，保持规定时间后卸除载荷，测量试样表面压痕的直径d，用压痕单位面积的平均压力（F/S）表示为布氏硬度值。用符号HBW表示式中F试验力（N）D球体直径（mm）d压痕平均直径（mm）,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,布氏硬度试验原理图,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,布氏硬度习惯上只写明硬度的数值而不标出单位。符号HBW前面的数值为硬度值，符号后面的数值表示试验条件的指标，依次为球体直径、试验力大小及试验力保持时间（10～15s时不标注）。例如600HBW1/30/20表示用直径为1mm的硬质合金小球，在294N（30kgf）试验力作用下保持20s，测得的布氏硬度值为600。,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,在进行布氏硬度试验时，应根据被测试金属材料的种类和试样厚度，选择不同大小的球体直径D、施加载荷F和载荷保持时间。按GB/T231.12002规定，球体直径有10mm、5mm、2.5mm和1mm四种；试验力（单位N）与球体直径平方的比值（0.102F/D2）有30、15、10、5、2.5和1共6种（可根据金属材料的种类和布氏硬度范围，按表2.1选定0.102F/D2值）；试验力的保持时间为10～15S。对于要求试验力保持较长时间的材料，试验力保持时间允许误差为2S。,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,当试验力F与球体直径D选定时，硬度值只与压痕直径d有关。d愈大，则布氏硬度值愈小；反之，d愈小，硬度值愈大。实际测量时，用刻度放大镜测出压痕直径d，然后根据d值查表，即可求得所测的硬度值。布氏硬度试验法因压痕面积较大，能反映出较大范围内被测金属的平均硬度，故试验结果较精确。但因压痕较大，所以不宜测试成品或薄片金属的硬度。,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,HB-3000型布氏硬度计本硬度计采用了电子换向开关，可用来测定未经淬火钢、铸铁、有色金属及质地较软的轴承合金材料的布氏硬度。主要技术规格测量范围8-450HBS，8-650HBW试验力1.839、2.452、7.355、9.807、29.42千牛顿（187.5、250、750、1000、3000公斤力）试样允许最大高度230毫米压头中心至机壁距离120毫米,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,TH600布氏硬度计采用布氏硬度BRINELL测量原理，可进行布氏硬度测量，适用于未经淬火钢、铸铁、有色金属及质地较软的轴承合金等材料。具有测试精度高，测量范围宽，试验力自动加载、自动保持计时、自动卸载等特点。可广泛应用于计量、机械制造、冶金、建材等行业的检测、科研与生产。,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,2.2.2洛氏硬度金属洛氏硬度试验是目前工厂中应用最广泛的试验方法。它是用一个顶角1200的金刚石圆锥体或一定直径的钢球或硬质合金球为压头，在规定试验力作用下压入被测试金属表面，由压头在金属表面所形成的压痕深度来确定其硬度值。,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,0-0为圆锥压头的初始位置，1-1为在初试验力作用下，压头压入深度为h1；2-2为在总试验力（初试验力主试验力）作用下，压头压入深度为h2时的位置；3-3为卸除主试验力后，由于被测金属弹性变形恢复，而使压头略为提高时的位置。这时，压头实际压入试样的深度为h3。故由主试验力引起的塑性变形而产生的残余压痕深度hh3-h1，并以此来衡量被测试金属的硬度。,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,显然，h愈大时，被测试金属的硬度愈低；反之，则愈高。为了照顾习惯上数值愈大，硬度愈高的概念，根据h值及常数N和S，用下式计算洛氏硬度洛氏硬度＝N-h/S式中N给定标尺的数值，A、C标尺为100；B标尺为130。S给定标尺的单位，通常取0.002mm；h残余压痕深度mm。,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,洛氏硬度计500MRD™LED数显，硬度转换，内置打印机和数据输出LED数显15种洛氏标尺硬度值转换至各种硬度标尺，如维氏和布氏LED显示各标尺的总试验力，确保选择相应的试验力坚固的构造，刚性好内置打印机打印输出测试数据和统计数据精确，可靠，耐久外置式试验力选择旋钮，操作简单测试空间大，可放置较大的试样精度符合EN-ISO6508和ASTME-18标准配置齐全，可满足所有标尺的测试要求,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,洛氏硬度试验原理图,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,为了能用同一硬度计测定从极软到极硬材料的强度，可采用不同压头和试验力，组成了几种不同的洛氏硬度标尺。其中常用的是A、B、C三种标尺。表2.2列出这三种标尺的试验条件和应用范围（GB/T230.12004）。洛氏硬度值为一无名数，A、C标尺用洛氏硬度值、符号HR和使用的标尺字母表示。例如，50HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为50；B标尺用洛氏硬度值、符号HR、使用的,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,标尺和球压头代号（钢球为S、硬质合金为W）表示。例如60HRBW表示用硬质合金球压头在B标尺上测得的洛氏硬度值为60。实际测量时，硬度值一般均由硬度计的刻度盘上直接读出。洛氏硬度试验法的优点是操作迅速简便，由于压痕较小，故可在工件表面或较薄的金属上进行试验。同时，采用不同标尺，可测出从极软到极硬材料的硬度。其缺点是因压痕较小，对组织比较粗大且不均匀的材料，测得的硬度不够准确。,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,2.2.3维氏硬度维氏硬度的试验是用一个相对面夹角为1360度的金刚石正四棱锥体压头，在规定试验力F作用下压入被测试金属表面，保持一定时间后卸除试验力，然后再测量压痕投影的两对角线的平均长度d，进而计算出压痕的表面积S，试验力除以压痕表面积所得的商作为被测试金属的硬度值，称为维氏硬度，用符号HV表示。,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,维氏硬度试验,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,数显维氏硬度计LCD菜单式操作洛氏和布氏标尺转换符合EN-ISO6507标准内置打印机和RS232接口应用范围渗碳层、陶瓷、钢、有色金属、薄板、金属薄片、电镀层、微小物体、材料强度，热处理，碳化层、脱碳层和淬火硬化层的深度维氏硬度计450-SVD数字式自动压痕测量编码器及LCD数字显示屏,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,与布氏硬度值一样，维氏硬度习惯上也只写出其硬度数值而不标出单位。在硬度符号HV之前的数值为硬度值，HV后面的数值依次表示试验力值（单位为kgf）和试验力保持时间（保持时间为10～15S时不标柱）。例如640HV30，表示在试验力为294.2N下，保持10～15S测得的维氏硬度为640。640HV30/20表示在试验力为294.2N下，保持20S测得的维氏硬度值为640。,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,维氏硬度试验常用的试验力有49.03N、98.07N、196.1N、294.2N、490.3N、980.7N等几种。试验时，试验力F应根据试样的软硬程度与厚度来选择。一般当试样条件允许的情况下，尽可能选用较大的试验力。以获得较大的压痕，提高测量精度。实际测量时，用装在机体上的测量显微镜测出压痕投影的两对角线平均长度d，然后根据d的数值查表（GB/T43401999），求得所测得硬度值。,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,维氏硬度试验的优点是试验时所加载荷小，压入深度浅。适于测试零件表面淬硬层及化学热处理的表面层（如渗碳层、渗氮层等）。同时维氏硬度是一个连续一致的标尺，试验时载荷可任意选择，而不影响其硬度值的大小。因此可测定从极软到极硬的各种金属的硬度。维氏硬度试验法的缺点是其硬度值的测定较麻烦，工作效率不如测定洛氏硬度高，而且对试样的表面质量要求较高。,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,2.3冲击韧度与疲劳极限强度、塑性、硬度都是在静载荷作用下测定的力学性能指标，而工程实际中许多零件和工具在工作时往往受到冲击载荷的作用，如内燃机的活塞销与连杆、冲床的冲头、锻锤的锤杆、风动工具等。还有些零件，如发动机曲轴、齿轮、弹簧及滚动轴承等都是在变动载荷下（交变应力或重复应力）工作。因此对这些零件和工具，仅具有足够的静载荷指标是不够的，还必须具有足够的抵抗冲击载荷和交变载荷的能力。,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,将被测材料制成标准U型或V型试样，缺口背向摆锤冲击方向，摆锤举至h1高度，然后自由落下，冲断试样升至高度h2。摆锤冲断试样所消耗的能量，即试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的功。Amgh1-mgh2mg（h1-h2）J冲击试样缺口底部处单位横截面积上的冲击吸收功，称为冲击韧度。αkAk/SNJ/cm2冲击吸收功Ak作为材料韧性判据。冲击吸收功与温度、试样形状、尺寸、表面粗糙度、内部组织和缺陷有关。,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,2.韧脆转变温度金属材料的冲击吸收功与冲击试验温度有关。在一系列不同温度的冲击试验中，测绘的冲击吸收功与试验温度的关系曲线，称为冲击吸收功-温度曲线，如图2.7所示。,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,有些金属材料的冲击吸收功-温度曲线，具有明显的上平台区、下平台区和过渡区三部分。冲击吸收功急剧变化或断口韧脆急剧转变的温度范围，称为韧脆转变温度。金属材料的韧脆转变温度较低时，表示其低温冲击韧性较好。韧脆转变温度较高的金属材料，不宜在高寒地区使用，以免在冬季金属结构发生脆断现象。,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,2.3.2疲劳疲劳是指金属材料在循环应力和交变应力作用下，局部产生永久性积累损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生断裂的过程。循环应力是指应力的大小、方向，或大小和方向都随时间发生周期性变化的一类应力。应力值通常小于材料的屈服点。工作中循环次数达到一定数值后，发生突然断裂。这种现象称为疲劳断裂。疲劳断裂与在静载荷作用下的断裂不同，不管是脆性材料还是韧性材料，疲劳断裂都是突然发生的，事先均无明显的塑性变形，很难觉察到，危险性大，甚至造成严重事故。据统计，大部分损坏的机械零件都属于疲劳破坏。,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,材料在指定循环基数下不产生疲劳断裂所能承受的最大应力。,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,实际的疲劳强度值，规定钢进行1106～107次，有色金属进行1107～1108次交变循环而不发生疲劳破坏时的最大应力值，即为该材料的疲劳强度σ-1。疲劳强度与抗拉强度之间存在一定的比例关系，如碳素钢σ-1≈（0.4～0.55）σb，灰铸铁σ-1≈0.4σb，有色金属σ-1≈（0.3～0.4）σb。疲劳破坏的原因应力集中微裂纹扩展断裂破坏。避免措施改善内部组织、外部形状和表面状态，减小和避免应力集中，表面强化处理和减小表面粗糙度值。,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,产生疲劳的原因一般认为是由于在零件应力高度集中的部位或材料本身强度较低的部位。例如原有裂纹、软点、脱碳、夹杂、刀疤等缺陷处，在循环应力反复作用下产生疲劳裂纹，并随着应力的循环周次增加，裂纹不断扩展，使零件承受载荷的有效面积不断减小，最后当减小到不能承受外加载荷的作用时，发生突然断裂。因此，零件的疲劳失效过程可分为疲劳裂纹的产生、疲劳裂纹的扩展和断裂三个阶段。,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,研究疲劳问题时，需要测定疲劳曲线。大量试验表明，金属材料所承受的最大应力σmax愈大，则断裂前所经受的循环周次N（定义为疲劳寿命）愈小。这种最大应力σmax与疲劳寿命N的关系曲线称为疲劳曲线，或称S-N曲线。,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,钢铁材料的S-N曲线如图2.9中曲线1的形式，其特征是当循环应力小于某一数值时，循环周次可以达到很大，甚至无限大，而试样仍不发生疲劳断裂。这就是试样不发生断裂的最大循环应力，该应力值称为疲劳极限。光滑试样的对称循环旋转弯曲的疲劳极限用σ-1表示。按GB/T43371984规定，一般钢铁材料取循环周次为107次时，能承受的最大循环应力为疲劳极限。,第2章金属的力学性能,金属工艺学,,有色金属、高强度钢及腐蚀介质作用下的钢铁材料的S-N曲线属于图2.9中曲线2的形式，其特征是循环周次N随所受应力σ的降低而增加，不存在曲线1所示的水平线段。因此，对具有如曲线2所示特征的金属，要根据零件的工作条件和使用寿命，规定一个疲劳强度极限循环基数N0，并以循环基数N0所对应的应力作为“条件疲劳极限”以σrN0表示。一般规定，有色金属N0取108，腐蚀介质作用下的N0取106。,