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概念溫習(xí)金屬材料的機(jī)械性能

2016-4-7 12:56:49      點(diǎn)擊:

(一) 金屬材料的機(jī)械性能

金屬零件受一定外力作用時(shí),對(duì)金屬材料有一定的破壞作用。因此要求金屬材料具有抵抗外力的作用而不被破壞的性能,這種性能稱(chēng)為機(jī)械性能。金屬材料的機(jī)械性能主要包括:強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度等。它們的具體數(shù)值是在專(zhuān)門(mén)的試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定出來(lái)的。

1、金屬材料的變形和應(yīng)力

金屬材料受外力作用時(shí)引起的形狀改變稱(chēng)為變形。變形分為彈性變形(當(dāng)外力取消后,變形消失并恢復(fù)到原來(lái)形狀)和塑性變形(當(dāng)外力除去后,不能恢復(fù)到原來(lái)形狀,保留一部分殘余形變)。

當(dāng)金屬材料受外力作用時(shí),其內(nèi)部還將產(chǎn)生一個(gè)與外力相對(duì)抗的內(nèi)力,它的大小與外力相等,方向相反。單位截面上的內(nèi)力稱(chēng)為應(yīng)力。在拉伸和壓縮時(shí)應(yīng)力用符號(hào)σ表示。

σ=P/F

式中: σ 應(yīng)力,MPa;

P 拉伸外力,N

F 試樣的橫截面積,mm2

2、強(qiáng)度

強(qiáng)度是金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力。強(qiáng)度可通過(guò)拉力試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。將圖(a)所示標(biāo)準(zhǔn)樣安裝在拉力試驗(yàn)機(jī)上,對(duì)其施加一個(gè)平穩(wěn)而無(wú)沖擊逐漸遞增的軸向拉力,隨著拉力的增加試樣產(chǎn)生形變?nèi)鐖D(B)直到斷裂如圖(C)。

以試樣的受拉力P為縱坐標(biāo),伸長(zhǎng)值⊿L為橫坐標(biāo),給制出拉伸曲線。

OE段:負(fù)荷與伸長(zhǎng)成線性關(guān)系,是材料的彈性變形階段。 金屬材料由彈性變形過(guò)渡到塑性變形時(shí)的應(yīng)力稱(chēng)為彈性極限,用σe表示。

σe=Pe/Fo

 

式中:  σe 彈性極限,MPa

Pe 材料開(kāi)始塑性變形時(shí)的負(fù)荷,N

Fo 試樣原橫截面積,㎜2

當(dāng)負(fù)荷超過(guò)E點(diǎn),試樣開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形,這一段曲線幾乎呈水平,表明試樣在拉伸過(guò)程中,負(fù)荷不增加甚至有降低,試樣繼續(xù)塑性形變,材料喪失了抵抗變形的能力。這種現(xiàn)象稱(chēng)為屈服。產(chǎn)生現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力稱(chēng)為屈服點(diǎn),用σs表示。

σs=Ps/Fo

式中: σs 屈服點(diǎn),Mpa

Ps 材料產(chǎn)生明顯形變時(shí)的負(fù)荷,N

Fo 試樣原橫截面積,㎜

負(fù)荷超過(guò)S點(diǎn)后,形變量隨負(fù)荷增加而急劇增加,當(dāng)過(guò)B點(diǎn),形變部位出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象,試樣已不能抵抗外力作用,在K點(diǎn)發(fā)生斷裂。試樣拉斷前能承受的****負(fù)荷 Pb所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱(chēng)為抗拉強(qiáng)度,用σb表示。

σb= Pb/Fo

式中: σb 抗拉強(qiáng)度,Mpa

    Pb 試樣拉斷前的****拉力,N

Fo 原橫截面積,㎜

屈服強(qiáng)度(σs),抗拉強(qiáng)度(σb)和屈強(qiáng)比(屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比σs/σb)是評(píng)定金屬材料質(zhì)量的重要機(jī)械性能指標(biāo),是設(shè)計(jì)和選材的主要依據(jù)之一。

3、塑性

   塑性是金屬材料受外力作用時(shí)斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力。通常用兩種方法來(lái)表示。

1  伸長(zhǎng)率:試樣拉斷后標(biāo)距部分所增加的長(zhǎng)度與原標(biāo)距長(zhǎng)度的百分比,用δ表示。

δ=L1L0/L0×100%

式中:δ 試樣的伸長(zhǎng)率,%

L1 試樣拉斷后標(biāo)距長(zhǎng)度,㎜;

L0 試樣原標(biāo)距長(zhǎng)度,㎜.

(2)  斷面收縮率:試樣拉斷后縮頸處橫截面積的****縮減量與原截面積的百分比,用φ表示。

式中 φ 試樣的斷面收縮率,%

F0 試樣原橫截面積,㎜

F1 試樣拉斷后縮頸處的最小橫截面積,㎜

δ、φ的數(shù)值越大,說(shuō)明金屬材料的塑性越好,反之亦然。良好的塑性是金屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。

4、硬度

硬度是金屬材料抵抗外物壓入其表面的能力,一般說(shuō),硬度高的材料耐磨性較好,強(qiáng)度也比較高。硬度是評(píng)價(jià)金屬材料質(zhì)量的機(jī)械性能指標(biāo),也是機(jī)械零件設(shè)計(jì)要求的技術(shù)條件之一。

生產(chǎn)中有不同的測(cè)定方法,常用的有布氏硬度和洛氏硬度。

(1) 布氏硬度:用一定直徑的鋼球或硬質(zhì)合金球,以相應(yīng)的試驗(yàn)力壓入試樣表面,經(jīng)規(guī)定保荷時(shí)間后卸除試驗(yàn)力,測(cè)量試樣表面壓痕直徑。以壓痕球狀表面積所承受的平均負(fù)荷作為布氏硬度值,用符號(hào)HBSHBW)表示。HBSHBW

式中:HBSHBW)— 布氏硬度值,kgf-㎜2  ;

      P 加在淬火鋼球上的負(fù)荷,kgf

      D 淬火鋼球直徑,㎜。

壓頭為鋼球時(shí)用HBS,適用于布氏硬度值在450以下的材料,如鑄鐵和有色金屬。壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)用HBW,適用于布氏硬度值在650以下的材料。

2)洛氏硬度:用壓頭壓入的壓痕深度表示材料的硬度值。壓痕越深表示材料越軟,硬度值越低。兩種硬度可以利用特制的表格進(jìn)行換算。 

硬度表示金屬材料在局部范圍內(nèi)對(duì)塑性變形的抗力,所以硬度與強(qiáng)度間有一定的換算關(guān)系。

5、沖擊韌性

沖擊韌性是金屬材料抗擊沖擊負(fù)荷的能力。現(xiàn)在普通采用一次擺錘沖擊試驗(yàn)來(lái)測(cè)定材料的沖擊韌性。

實(shí)驗(yàn)表明,材料受小能量多次重復(fù)沖擊的能力,主要取決于材料強(qiáng)度。強(qiáng)度越高,壽命越長(zhǎng),設(shè)計(jì)中可不必過(guò)分追求高沖擊值。

6、疲勞強(qiáng)度

實(shí)際中許多工件所承受負(fù)荷的方向和大小是周期變化的。這種周期變化的負(fù)荷稱(chēng)為交變負(fù)荷。金屬工件在交變負(fù)荷作用下,經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間工作而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象稱(chēng)為金屬疲勞。

在交變負(fù)荷作用下金屬工件所受應(yīng)力大小和斷裂前應(yīng)力交變循環(huán)的次數(shù)有關(guān)。應(yīng)力越大,則斷裂前能隨承受的循環(huán)次數(shù)越低。當(dāng)鋼鐵材料的循環(huán)次數(shù)達(dá)到107,有色金屬的循環(huán)次數(shù)達(dá)到108 時(shí),若試樣仍不發(fā)生疲勞破壞,其****應(yīng)力稱(chēng)為該材料的疲勞極限。當(dāng)應(yīng)力交變循環(huán)對(duì)稱(chēng)時(shí),疲勞極限用σ-1表示。

生產(chǎn)中多數(shù)金屬工件是在交變負(fù)荷下工作的,疲勞破壞是破裂的主要形式。因此疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)是材料的重要強(qiáng)度計(jì)算之一。另外,改善零件結(jié)構(gòu)形狀避免應(yīng)力集中;降低表面粗糙度;采取表面強(qiáng)化處理等都能有效提高金屬工件的抗疲勞能力。

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