材料科学基础-第5章

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1、河南理工大学材料科学与工程学院材料科学基础Foundations of Materials ScienceSchool of Material Science and Engineering Henan Polytechnic University 任课教师：崔红保弹性变形塑性变形断裂弹性变形塑性变形断裂Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E在万能材料实验机上做拉伸实验1) )圆形截面圆形截面2) )矩形截面矩形截面l0=10d0l0= 5d0l0tb003 .11Al 0065.

2、 5Al 或或2.2.低碳钢曲线分析：低碳钢曲线分析：Oa ab bc cd de试件在拉伸过程中经历了四个阶段，有两个重要的强度指标。 obob段段弹性阶段弹性阶段(比比例极限例极限pp弹性极限弹性极限e e )bcbc段段屈服阶段屈服阶段屈服点屈服点 scdcd段段强化阶段强化阶段 抗拉强度抗拉强度 bdede段段缩颈断裂阶段缩颈断裂阶段 低碳钢拉伸试验现象低碳钢拉伸试验现象：屈服：屈服：颈缩：颈缩：断裂：断裂：t tmax引起引起2测定低碳钢拉伸机械性能测定低碳钢拉伸机械性能( ( s、 b 、 d d、 y y ) )O FD DlFeFpFsFb线弹性阶段线弹性阶段屈服阶段屈服阶段强

3、化阶段强化阶段颈缩阶段颈缩阶段屈服点屈服点：0ssAF 0bbAF 抗拉强度抗拉强度：冷作硬化冷作硬化%100001 llld d伸长率伸长率：%100010 AAAy y断面断面收缩率收缩率：二、强度v 金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力称为强度。v 按外力作用的性质不同，分为： 屈服强度s 、抗拉强度b 、抗压强度b c、抗剪强度b等。 1、屈服点与屈服强度 金属材料开始产生屈服现象时的最低应力值称为屈服点，用符号s 表示。s=Fs/Ao 式中Fs试样发生屈服时的载荷（N）; Ao试样的原始横截面积（mm2）。2、抗拉强度v 金属材料在断裂前所能承受的最大应力值称为抗拉强度，用符

4、号 b表示。 b=Fb/Ao式中 Fb试样在断裂前所承受的载荷（N）； Ao试样原始横截面积（mm2）。三、塑性v 金属材料的载荷作用下，断裂前材料发生不可逆久变形的能力称为塑性。v 通过拉伸试验可测定材料的塑性。v 常用的塑性指标有断后伸长率和断面收缩率。 =(L1-L0)/L0 =(F0-F1)/Fn工业上使用的某些金属材料，如高碳钢、铸铁等，在拉伸过程中，没有明显的屈服现象，无法确定其屈服点s ，按GB/T2228规定，可用屈服强度0.2来表示该材料开始产生塑性变形时的最低应力值。屈服强度为试样标距部分产生0.2%残余伸长时的应力值，即 0.2=F0.2/Ao式中 F0.2试样标距产生的

5、0.2%残 余伸长时载荷（N）； Ao试样的原始横截面积（mm2）。屈服强度的测定纳米铜的室温超塑性脆性断裂韧性断裂塑性变形程度穿晶断裂沿晶断裂裂纹途径解理断裂剪切断裂断裂机理穿晶断裂沿晶断裂韧窝断裂解理断裂5.1.2 材料的硬度教学重点硬度指标的表示方法和实际应用。教学难点布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度 金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力称为硬度，是衡量材料软硬程度的判据，它表征材料抵抗表面局部弹性变形、塑性变形或抵抗破坏的能力。材料的硬度越高，其耐磨性越好。1 1 布氏硬度布氏硬度 布氏硬度是用单位压痕面积的力作为布氏硬度值的计量即试验力除以压痕表面积，符号用HBS（用淬火钢球压头）或H

6、BW（用硬质合金压头）表示，即：布氏硬度试验示意图 硬度值一般不标单位。当压头为淬火钢球时，用HBS表示；当压头为硬质合金时，用HBW表示。符号HBS或HBW之前写出硬度值，符号后面用数字依次表示压头直径、试验力及试验力保持时间（1015 s不标）等试验条件。例如，150HBS10/1000/30。 一般在零件图或工艺文件上标注材料要求的布氏硬度时，不规定试验条件，只需标出要求的硬度值范围和硬度符号，如210230HBS。布氏硬度表示方法：1 1 布氏硬度布氏硬度1、布氏硬度试验原理)d-D-D(DP(N)2102. 0HBv 根据被测金属材料的种类和试样厚度、选用不同大小的球体直径D，施加的

7、试验力F和试验力保持时间，按表11所列的布氏硬变试验规范正确选择 。材 料布氏硬度0.102F/D2备 注钢及铸铁1401401030F单位：ND单位：mm铜及其合金353520013051030轻金属及其合金35358080251010铅、锡1 布氏硬度试验的优缺点： 优点是测定的数据准确、稳定、数据重复性强，常用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。 缺点是对不同材料需要更换压头和改变载荷，且压痕较大，压痕直径的测量也较麻烦，易损坏成品的表面，故不宜在成品上进行试验。2 2 洛氏硬度洛氏硬度 洛氏硬度是用压痕深度作为洛氏硬度值的计量即，符号用HR表示，其计算公式为： 1、洛氏硬度

8、测量原理洛氏硬度HR=K-h/s式中，K为给定标尺的硬度数，S为给定标尺的单位， 通常以0.002为一个硬度单位。洛氏硬度试验原理图压头类型：2 2 洛氏硬度洛氏硬度 淬火钢球压头多用于测定退火件、有色金属等较软材料的硬度，压入深度较深；金刚石压头多用于测定淬火钢等较硬材料的硬度，压入深度较浅。 采用不同的压头与总试验力，组合成几种不同的洛氏硬度标尺。我国常用的是HRA、HRB、HRC三种，其中HRC应用最广。其试验规范见表1.1。洛氏硬度无单位，须标明硬度标尺符号，在符号前面写出硬度值，如58HRC、76HRA。 试验规范及表示方法: 洛氏硬度试验的优缺点：2 2 洛氏硬度洛氏硬度 优点是操

9、作迅速、简便，硬度值可从表盘上直接读出；压痕较小，可在工件表面试验；可测量较薄工件的硬度，因而广泛用于热处理质量的检验。 缺点是精确性较低，硬度值重复性差、分散度大，通常需要在材料的不同部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度。此外，用不同标尺测得的硬度值彼此之间没有联系，也不能直接进行比较。 5.2 材料承受冲击载荷时的力学性能一、冲击试验方法与原理 v 一次冲击弯曲试验通常在摆锤式冲击试验机上进行 。冲击试样v 试验时，将试样放在试验机两支座上。把质量为m的摆锤抬到高h，使摆锤具有位能为mhg。摆锤落下冲断试样后升至h高度,具有位能为mhg，故摆锤冲断试样推动的位能为mhgmhg，这就是试

10、样变形和断裂所消耗的功称为冲击吸收功AK，即AK=mg(h-h)v 用试样的断口处截面积SN（cm2）去除AK（J）即得到冲击韧度，用Ak表示，单位为J/cm2.v aK=AK/SN 冲击韧性越大，表明抗冲击性能越好。 二、冲击试验的实际意义1、韧脆转变温度材料在低于某温度时，AK值急剧下降，使试样的断口由韧性断口过渡为脆性断口。因此，这个温度范围称为韧脆转变温度范围。 韧脆转变温度的高低是金属材料质量指标之一，韧脆转变温度愈低，材料的低温冲击性能就愈好，对于在寒冷地区和低温下工作的机械和工程结构。如运输机械、桥梁、输送管道尤为重要。 韧脆转变温度示意图2、衡量原材料的冶金质量和热加工产品质量

11、v冲击吸收功对原材料内部结构、缺陷等具有较大敏感性，很容易揭示出材料中某些物理现象，如晶粒粗化、冷脆、回火脆性及夹渣、气泡、偏析等。v目前常用冲击试验来检验冶炼、热处理及各种热加工工艺和产品的质量。 5.3、疲劳一、疲劳概念 虽然零件所承受的交变应力数值小于材料的屈服强度，但在长时间运转后也会发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。 对称循环交变应力 二、疲劳曲线与疲劳极限 v试验证明，金属材料所受最大交变应力max 愈大，则断裂前所受的循环周次N（定义为疲劳寿命）愈少，这种交变应力max 与疲劳寿命N的关系曲线称疲劳曲线或SN曲线 v工程上规定，材料经受相当循环周次不发生断裂的最大应力称为疲劳极限，