金属材料力学性能及实验

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1、 第 一 章 金 属 的 力 学 性 能 及 试 验 方 法 金 属 材 料 性 能 ： 使 用 性 能 和 工 艺 性 能 使 用 性 能 ： 为 保 证 机 械 零 件 或 工 具 正 常 工 作 ， 材 料 应 具 备的 性 能 ， 它 包 括 物 理 性 能 （ 如 导 电 性 、 导 热 性 、 热 膨 胀 性等 ） 、 化 学 性 能 （ 如 抗 腐 蚀 性 、 抗 氧 化 性 等 ） 和 力 学 性 能 。 工 艺 性 能 ： 在 制 造 机 械 零 件 或 工 具 的 过 程 中 ， 材 料 适 应 各种 冷 、 热 加 工 和 热 处 理 的 性 能 ， 它 包 括 铸 造

2、、 锻 造 、 焊 接 、切 削 加 工 等 工 艺 性 能 以 及 热 处 理 工 艺 性 等 。 力 学 性 能 ： 材 料 在 外 力 作 用 下 所 显 示 的 性 能 ， 又 称 机 械 性能 ， 如 强 度 、 硬 度 、 塑 性 、 韧 性 、 抗 疲 劳 性 等 。 一 、 强 度 强 度 ： 金 属 抵 抗 永 久 变 形 和 断 裂 的 能 力 拉 伸 试 验 法 ： 拉 伸 试 验 在 拉 伸 试 验 机 上 进 行 一 、 强 度 强 度 ： 金 属 抵 抗 永 久 变 形 和 断 裂 的 能 力 拉 伸 试 验 法 ： 拉 伸 试 验 在 拉 伸 试 验 机 上 进

3、行 拉 伸 试 样 ： 圆 形 试 样 （ 断 面 为 圆 形 ） ， 根 据 GB639786的 规 定 ， 拉 伸 试 样 分 为 长 比 例 试 样 或 短 比 例 试 样 。对 圆 形 试 样 ： 长 试 样 l=10d。 ； 短 试 样 l=5d。 拉 伸 曲 线 ： 在 开 始 的 阶 段 ， 材 料 处 于 弹 性 变 形 阶 段 ；超 过 e点 后 ， 除 弹 性 变 形 外 ， 材 料 开 始 产 生 塑 性 变 形 ， 曲线 在 S点 处 出 现 一 小 段 水 平 线 段 ， 这 种 现 象 称 为 “ 屈 服 ” ，标 志 着 材 料 发 生 微 量 塑 性 变 形 。

4、 当 拉 伸 力 达 到 后 ， 在试 样 的 标 距 长 度 内 某 处 ， 横 截 面 发 生 局 部 收 缩 ， 即 产 生“ 缩 颈 ” 现 象 ， 此 时 拉 伸 力 开 始 减 小 ， 故 b点 为 曲 线 上 集中 干 预 部 ， 直 至 断 裂 （ k点 ） 。 Fboe 拉 伸 曲 线 ： 在 开 始 的 阶 段 ， 材 料 处 于 弹 性 变 形 阶 段 ；超 过 e点 后 ， 除 弹 性 变 形 外 ， 材 料 开 始 产 生 塑 性 变 形 ， 曲线 在 S点 处 出 现 一 小 段 水 平 线 段 ， 这 种 现 象 称 为 “ 屈 服 ” ，标 志 着 材 料 发

5、生 微 量 塑 性 变 形 。 当 拉 伸 力 达 到 后 ， 在试 样 的 标 距 长 度 内 某 处 ， 横 截 面 发 生 局 部 收 缩 ， 即 产 生“ 缩 颈 ” 现 象 ， 此 时 拉 伸 力 开 始 减 小 ， 故 b点 为 曲 线 上 集中 干 预 部 ， 直 至 断 裂 （ k点 ） 。 Fboe 内 力 ： 试 样 受 拉 伸 力 F作 用 后 ， 导 致 材 料 内 部 之 间 产 生 同 样 大 小 的 相 互 作 用 力应 力 ： 单 位 横 截 面 积 上 的 内 力 ， 。 屈 服 点 （ 屈 服 极 限 ） ： 金 属 产 生 屈 服 现 象 时 的 应 力

6、。 屈 服 强 度 ： 工 程 技 术 上 一 般 规 定 ， 以 试 样 产 生 的 塑 性 变 形 伸长 量 达 到 0 2 时 的 应 力 ， 0.2 。抗 拉 强 度 （ 强 度 极 限 ） ： 金 属 拉 断 前 承 受 的 最 大 拉 应 力 ，AFs sAF oss AF o2.02.0 AF obb b 二 、 塑 性 塑 性 ： 金 属 材 料 断 裂 前 发 生 永 久 变 形 的 能 力 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 由 于 同 一 材 料 用 不 同 长 度 的 试 样 测 得 的 断 后 伸 长

7、率 数 值不 同 ， 因 此 应 注 明 试 样 尺 寸 比 例 。 断 面 收 缩 率 ： 试 样 拉 断 处 横 截 面 积 的 减 小 量 与 原 始 横 截 面积 的 百 分 比 ， 强 度 是 表 征 材 料 变 形 抗 力 指 标 ， 而 塑 性 是 描 述 变形 能 力 的 指 标 。 %1000 01 l ll %100 0 01 A AA 第 二 节 硬 度 及 硬 度 试 验 硬 度 ： 金 属 材 料 抵 抗 局 部 变 形 ， 特 别 是 塑 性 变 形 、压 痕 或 划 痕 的 能 力 一 、 布 氏 硬 度 试 验 法 布 氏 硬 度 试 验 的 原 理 ： 用 一

8、 定 直 径 D（ mm） 的钢 球 或 硬 质 合 金 球 ， 以 相 应 的 试 验 力 F（ N） 压 入试 件 表 面 ， 并 保 持 一 定 的 时 间 ， 然 后 卸 除 试 验 力 ，测 量 试 件 表 面 的 压 痕 直 径 d（ mm） ， 用 试 验 力 除以 压 痕 球 形 表 面 积 A（ mm2） 所 得 的 商 作 为 布 氏 硬度 值 ， 符 号 为 HBS（ 压 头 为 钢 球 时 ） 或 HBW（ 压头 为 硬 质 合 金 球 时 ） 。 HBS适 用 于 测 量 低 于 布 氏 硬 度 值 450的 材 料 ；HBW适 用 于 测 量 低 于 布 氏 硬 度

9、 值 650的 材 料 。 试 验 时 ， 根 据 被 测 的 材 料 不 同 ， 球 直 径 、试 验 力 及 试 验 力 保 持 时 间 按 表 -1选 择 。 金 属 种 类 布 氏 硬 度 范 围 H B S（ HBW） 试 样 厚 度 /mm 0.102 球 的 直 径 /mm 试 验 力 F/KN（ k g f) 试 验 力 保 持 时间 /s黑 色 金 属 140-450 6 34 22 30 10.05.02.5 29.42(3000)7.355(750)1.839(187.5) 1266 3 10 10.05.0 9.807(1000)2.452(250) 12非 铁 金 属

10、 130 6 34 2 6 2.5 10.0 2.452(250) 60表 120HBS10 1000 30代 表 用 10mm钢 球 ， 在 1000kgf（ 10kN） 试 验 力 作 用 下 保 持 30s， 测 得 的 布 氏 硬 度 值 。 布 氏 硬 度 试 验 法 一 般 用 于 试 验 各 种 硬 度 不 高 的 钢 材 、 铸 铁 、有 色 金 属 等 ， 也 用 于 试 验 经 淬 火 、 回 火 但 硬 度 不 高 的 钢 件 。 由 于 布 氏 硬 度 试 验 的 压 痕 较 大 ， 试 验 结 果 能 更 好 地 代 表 试件 的 硬 度 。 二 、 洛 氏 硬 度

11、实 验 洛 氏 硬 度 试 验 法 原 理 ： 根 据 压 痕 的 塑 性 变 形 深 度 来 衡 量 硬度 。 试 验 时 ， 先 加 初 始 试 验 力 98N（ 10kgf） ， 使 压 头 紧密 接 触 试 件 表 面 a， 并 压 入 到 b处 ， 以 此 作 为 衡 量 压 入 深 度的 起 点 ， 再 加 主 试 验 力 使 压 头 压 入 到 c处 ， 然 后 去 掉 主 试验 力 ， 由 于 被 试 金 属 弹 性 变 形 的 消 除 ， 压 头 向 上 回 升 到 d处 。 洛 氏 硬 度 计 表 盘 上 读 出 即 可 。 二 、 洛 氏 硬 度 实 验 洛 氏 硬 度

12、试 验 法 原 理 ： 根 据 压 痕 的 塑 性 变 形 深 度 来 衡 量 硬度 。 试 验 时 ， 先 加 初 始 试 验 力 98N（ 10kgf） ， 使 压 头 紧密 接 触 试 件 表 面 a， 并 压 入 到 b处 ， 以 此 作 为 衡 量 压 入 深 度的 起 点 ， 再 加 主 试 验 力 使 压 头 压 入 到 c处 ， 然 后 去 掉 主 试验 力 ， 由 于 被 试 金 属 弹 性 变 形 的 消 除 ， 压 头 向 上 回 升 到 d处 。 洛 氏 硬 度 计 表 盘 上 读 出 即 可 。 二 、 洛 氏 硬 度 实 验 洛 氏 硬 度 试 验 法 原 理 ：

13、根 据 压 痕 的 塑 性 变 形 深 度 来 衡 量 硬度 。 试 验 时 ， 先 加 初 始 试 验 力 98N（ 10kgf） ， 使 压 头 紧密 接 触 试 件 表 面 a， 并 压 入 到 b处 ， 以 此 作 为 衡 量 压 入 深 度的 起 点 ， 再 加 主 试 验 力 使 压 头 压 入 到 c处 ， 然 后 去 掉 主 试验 力 ， 由 于 被 试 金 属 弹 性 变 形 的 消 除 ， 压 头 向 上 回 升 到 d处 。 洛 氏 硬 度 计 表 盘 上 读 出 即 可 。 试 验 时 ， 根 据 被 测 的 材 料 不 同 ， 压 头 的 类 型 、 试 验 力 及

14、按表 -2选 择 ， 对 应 的 洛 氏 硬 度 标 尺 为 HRA、 HRB、 HRC三 种符 号 压 头 类 型 载 荷 /k g f 硬 度 有 效范 围 使 用 范 围HRA 金 刚 石 圆 锥体 60 70 85 适 用 于 测 量 硬 质 合 金 、 钢 表 、淬 火 层 或 渗 碳 层HRB 直 径 为1.588mm钢球 100 25 100（ 相 当 60 230HB） 适 用 于 测 量 非 铁 金 属 退 火 、 火等HRC 金 刚 石 圆 锥体 150 20 67(相 当HB230700) 适 用 于 调 质 钢 、 淬 火 钢 等120 表 -2 第 三 节 韧 性 和

15、 冲 击 试 验 冲 击 力 ： 零 件 受 到 突 然 作 用 的 外 力 韧 性 ： 金 属 在 冲 击 力 作 用 下 ， 断 裂 前 吸 收 变 形 能 量 的能 力 。 韧 性 愈 好 ， 代 表 金 属 的 抗 冲 击 能 力 愈 强 。 一 、 摆 锤 式 一 次 冲 击 试 验 按 GB229 84的 规 定 ， 将 被 试 金 属 制 成 标 准 的 冲 击 试样 。 摆 锤 式 一 次 冲 击 试 验 原 理 ： 试 验 在 专 门 的 摆 锤 式 冲 击 试 验机 上 进 行 ， 把 试 样 放 在 试 验 机 的 支 承 面 上 ， 试 样 的 缺 口 背向 摆 锤 冲

16、 击 方 向 。 将 质 量 为 m的 摆 锤 安 放 到 规 定 的 高 度 H，然 后 下 落 ， 将 试 样 打 断 ， 并 摆 过 支 点 升 到 某 一 高 度 h， 试样 在 冲 击 试 验 力 一 次 作 用 下 ， 折 断 时 所 吸 收 的 功 为 冲 击 吸收 功 为 Ak 摆 锤 式 一 次 冲 击 试 验 原 理 ： 试 验 在 专 门 的 摆 锤 式 冲 击 试 验机 上 进 行 ， 把 试 样 放 在 试 验 机 的 支 承 面 上 ， 试 样 的 缺 口 背向 摆 锤 冲 击 方 向 。 将 质 量 为 m的 摆 锤 安 放 到 规 定 的 高 度 H，然 后 下

17、 落 ， 将 试 样 打 断 ， 并 摆 过 支 点 升 到 某 一 高 度 h， 试样 在 冲 击 试 验 力 一 次 作 用 下 ， 折 断 时 所 吸 收 的 功 为 冲 击 吸收 功 为 Ak 摆 锤 式 一 次 冲 击 试 验 原 理 ： 试 验 在 专 门 的 摆 锤 式 冲 击 试 验机 上 进 行 ， 把 试 样 放 在 试 验 机 的 支 承 面 上 ， 试 样 的 缺 口 背向 摆 锤 冲 击 方 向 。 将 质 量 为 m的 摆 锤 安 放 到 规 定 的 高 度 H，然 后 下 落 ， 将 试 样 打 断 ， 并 摆 过 支 点 升 到 某 一 高 度 h， 试样 在

18、冲 击 试 验 力 一 次 作 用 下 ， 折 断 时 所 吸 收 的 功 为 冲 击 吸收 功 为 Ak 实 际 上 ， 冲 击 吸 收 功 AK数 值 可 由 试 验 机 读 出 ， 而 无 需 计 算 冲 击 韧 度 ： 将 冲 击 吸 收 功 AK值 除 以 试 样 缺 口 底 部 的 横 载 而积 A0（ cm2） 得 到 的 值 ak=AK/A0 冲 击 韧 度 作 为 衡 量 材 料 刚 性 的 依 据 实 际 上 ， 冲 击 吸 收 功 AK数 值 可 由 试 验 机 读 出 ， 而 无 需 计 算 冲 击 韧 度 ： 将 冲 击 吸 收 功 AK值 除 以 试 样 缺 口 底

19、 部 的 横 载 而积 A0（ cm2） 得 到 的 值 ak=AK/A0 冲 击 韧 度 作 为 衡 量 材 料 刚 性 的 依 据 二 、 多 次 重 复 冲 击 试 验 的 概 念 在 小 能 量 多 次 冲 击 破 坏 时 ， 应 进 行 多 次 重 复 冲 击 试 验 测 定 其 多 冲 抗 力 材 料 制 成 专 门 的 多 冲 缺 口 试 样 1放 在 多 冲 试 验 机 上 ， 使 之 受 到 试 验 机 锤 头 2的 小 能 量 （ 15J)多 次 冲 击 。 测 定 材 料 在 一 定 冲 击 能 量 下 ， 开 始 出 现 裂 纹 或 最 后 破 断 的 冲 击 次 数

20、作 为 多 冲 抗 力 指 标 第 四 节 金 属 疲 劳 的 概 念 交 变 压 力 ： 是 指 大 小 和 方 向 构 随 时 间 周 期 变 化 的 应 力 金 属 的 疲 劳 ： 在 多 次 交 变 应 力 作 用 ， 金 属 会 在 远 小 于 抗 拉强 度 b， 甚 至 小 于 屈 服 点 s。 的 应 力 下 失 效 （ 出 现 裂 纹 或完 全 断 裂 ） 。 疲 劳 曲 线 ： 实 验 证 明 ， 一 般 钢 铁 材 料 所 受 交 变 应 力 最 大 值max与 其 失 效 前 的 应 力 循 环 次 数 （ 疲 劳 寿 命 ） N的 曲 线 关系 。 疲 劳 极 限 -1

21、： 材 料 可 经 受 无 数 次 应 力 循 环 而 不 失 效 的 应 力值 。 通 常 规 定 经 受 107循 环 周 次 而 不 失 效 的 最 大 应 力 为 钢 铁 的 疲劳 极 限 第 四 节 金 属 疲 劳 的 概 念 交 变 压 力 ： 是 指 大 小 和 方 向 构 随 时 间 周 期 变 化 的 应 力 金 属 的 疲 劳 ： 在 多 次 交 变 应 力 作 用 ， 金 属 会 在 远 小 于 抗 拉强 度 b， 甚 至 小 于 屈 服 点 s。 的 应 力 下 失 效 （ 出 现 裂 纹 或完 全 断 裂 ） 。 疲 劳 曲 线 ： 实 验 证 明 ， 一 般 钢 铁

22、 材 料 所 受 交 变 应 力 最 大 值max与 其 失 效 前 的 应 力 循 环 次 数 （ 疲 劳 寿 命 ） N的 曲 线 关系 。 疲 劳 极 限 -1： 材 料 可 经 受 无 数 次 应 力 循 环 而 不 失 效 的 应 力值 。 通 常 规 定 经 受 107循 环 周 次 而 不 失 效 的 最 大 应 力 为 钢 铁 的 疲劳 极 限 1 107(108) N 疲 劳 破 坏 的 过 程 ： 一 般 认 为 ， 在 突 变 应 力 作 用 下 ， 材 料的 某 些 局 部 地 区 逐 渐 产 生 微 小 的 裂 纹 ， 尤 其 在 氧 化 物 、 硫化 物 等 非 金 属 夹 杂 物 和 钢 件 表 面 的 沟 槽 、 螺 纹 根 部 、 加 工刀 痕 等 处 ， 更 易 诱 发 裂 纹 。 随 着 应 力 循 环 次 数 的 增 加 ， 裂纹 逐 渐 扩 展 ， 使 钢 件 剩 下 的 断 面 大 为 减 小 ， 以 致 不 能 承 受载 荷 而 突 然 断 裂 。 各 向 异 性 :由 于 晶 体 中 原 子 的 规 则 排 列 ， 晶 格 上 不 同 的 晶面 和 晶 向 的 原 子 密 度 便 不 相 同 ， 因 而 沿 着 一 个 晶 体 的 不 同方 向 所 测 得 的 性 能 也 不 相 同 的 现 象 。