1、零件材料的力學性能與失效性能工藝性能：鑄造性能、可鍛性、可焊性、切削加工性和熱處理工藝性等使用性能力學性能力學性能：強度、硬度、塑性、韌性、疲勞強度、高溫性能等化學性能：抗氧化性和耐腐蝕性物理性能：密度、熔點、導電性、導熱性、熱膨脹性和 磁性等機械零件在外力作用下所表現出的 抵抗能力力學性能力學性能變形失效變形失效塑性變形塑性變形彈性變形彈性變形斷裂失效斷裂失效蠕變斷裂蠕變斷裂韌性斷裂韌性斷裂脆性斷裂脆性斷裂疲勞斷裂疲勞斷裂表面損傷失效表面損傷失效腐蝕失效腐蝕失效磨損失效磨損失效 零件失效的形式零件失效的形式 在載荷作用下材料抵抗塑性變形和斷裂的能力。測定方法： 拉伸試驗力學性能一、 強度 S

2、trength注： （依載荷不一樣仍有區分，但一般多指抗拉強度，簡稱強度。）強度單位: MPa ( MN/m2 )力學性能拉伸試驗設備及標準試樣 低碳鋼拉伸時的應力-應變 The Stress-strain behavior of low carbon steelspecimen 低碳鋼拉伸時的三個階段The Stress-strain behavior of low carbon steelOA段: 彈性變形elastic deformationABC段: 屈服 yield CDE段: 塑性變形plastic deformation E: 斷裂 fracture 拉伸三個階段彈性變形階段彈性

3、變形階段0-p-e彈塑性變形階段彈塑性變形階段 (屈服-強化-頸縮） e-s s-s s-b b-k斷裂斷裂 koFs拉力bksspe 伸長量mmD l Fb拉伸曲線力學性能拉伸三個階段彈性變形階段彈性變形階段0-p-e彈塑性變形階段彈塑性變形階段 (屈服-強化-頸縮） e-s s-s s-b b-k斷裂斷裂k力學性能osMPabksspe e =D L/Lob應力應力：試樣單位面積上所承受的力應變應變：試樣單位長度上的伸長量力學性能強度的指標 材料所能承受的極限應力 = F / A 強度 Strengthn 屈服強度yield strengthn 抗拉強度tensile strengthSt

4、ress-strain curve of annealed low carbon steel ssbs1. 屈服強度 Yield Strength（p 表示比例極表示比例極限；限； e 表示表示彈性極限彈性極限）osMPabksspe e =D l/Lob屈服強度屈服強度( s )指材料產生屈服時的最小應力。力學性能2. 抗拉強度 (b ) Tensile Strength 指材料拉伸所能承受的最大應力。 p 比例極限 e 彈性極限 s 屈服極限 b 強度極限osMPabksspe e =D l/Lob力學性能應用與判斷：應用與判斷：W s 不發生塑變不發生塑變W b 不發生斷裂不發生斷裂力學

5、性能思考：思考： 有了強度指標，是否有了強度指標，是否我們就可以成功的完成飛我們就可以成功的完成飛機的設計制造任務了呢？機的設計制造任務了呢？例如：設計飛機機翼時例如：設計飛機機翼時W s 只彈變不塑變，是否就可以了呢？只彈變不塑變，是否就可以了呢？ 力學性能二. 剛度與彈性模量剛度rigidity是指零件或構件抵抗彈性變形的能力。（取決于材質與結構形狀；材質方面取決于它的彈性模量）力學性能o1 2彈性模量 modulus of elasticity是指在比例極限(p )范圍內，應力與應變之比。 E=s/e 力學性能三 、 塑 性 p l a s t i c i t y 在外力作用下材料產生永

6、久變形而不被破壞的能力。斷面收縮率()。即： A0-A1 y = 100 A0 伸長率() L1-L0 = 100 L0力學性能lodol1d1n 截面收縮率 nContraction ratio of area at fracture face 塑性 Plasticityn 延伸率 nTensile elongation00100%L LLd-=00100%A AAy-=注：試樣分長短兩種，同一材料的 5 10 。與試樣的尺寸無關，、值越大，表示金屬的塑性越好。力學性能(、不直接用于工程設計)良好的塑性可以順利地完成某些成型工藝，如翼肋、火焰筒的冷沖壓及渦輪盤、渦輪軸的鍛造等。良好的塑性還可

7、以在一定程度上保證零件的工作安全，在零件使用時萬一超載，塑性變形引起的強化作用使零件不致于突然斷裂。過高地追求塑性，會降低材料的強度 四、硬度 Hardness材料抵抗表面劃傷、磨損或局部塑性變形及破壞的能力。常用硬度測定方法: 硬物壓入法布氏硬度: Brinell Hardness (HB)洛氏硬度:Rockwell Hardness (HR)力學性能 1. 布氏硬度(HB) 硬物：球形壓頭(D = 10、5、2.5、2、1mm)載荷：P ( kgf )P D h dHBSHBS:普通淬火鋼球硬度值在450以下HBW:硬質合金球硬度值在450650 HBS(HBW)= PF力學性能布氏硬度布

8、氏硬度 HB ( Brinell-hardness )布氏硬度計布氏硬度計 布氏硬度F載荷 （Force）A面積 （Area )HB= FA特點：壓坑面積大，受材料不均勻度影響小，故測量誤差小，硬度值準確、真實。布氏硬度(HB) 布氏硬度計布氏硬度計 2. 洛氏硬度(HR)硬物： 頂角 120金鋼石圓錐或直徑為1.588mm淬火鋼球力學性能洛氏硬度洛氏硬度 HR ( Rockwell hardness )h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計洛氏硬度計 HR (Hardness Rockwell)載荷：初載荷10kg并壓入深度h1主載荷(50kg或90kg 或140kg)使壓

9、入深度達h2 ；卸除主載荷、保留初載荷，壓入深度減小為h3 。洛氏硬度的計算深度值h= h3 -h1。 HR = 01230 1 2 3 h1 h3 h2 K= 0.2壓頭被測材料硬物：頂角120金鋼石圓錐(或1.588mm淬火鋼球)K-h0.002洛氏硬度(HR) 特點：測量簡便迅速，直接讀數，表面壓痕小誤差稍大，需多點測量取平均值。壓頭主載荷 測量范圍 應用材料HRA 金剛石50kg2088表面硬化層硬質合金等HRB淬火鋼球淬火鋼球 90kg20100有色金屬，退火、正火鋼等HRC 金剛石140kg2070淬火鋼、調質鋼等洛氏硬度(HR)幾種常用洛氏硬度標度壓頭F測量范圍應用材料HRAdi

10、amond490N2088Surface hard steel HRBSteel ball882N20100Soft steel, non-ferrous metals HRCdiamond1372N2070Quenching steel 維氏硬度維氏硬度 HV ( Vickers Hardness )HV= FA硬度的應用: 對于工具、模具和有耐磨性要求的零件的使用性能指標，(例如：高速鋼車刀、銑刀、鉆頭等）零件強度的估算，如對于低碳鋼，也可采用硬度與強度換算表(見手冊)。力學性能另外一種表面失效： 腐蝕 化學腐蝕 電化學腐蝕1. 化學腐蝕化學腐蝕 金屬與周圍介質發生純化學作用產生的腐蝕金屬

11、在干燥氣體中的腐蝕。如高溫燃氣對渦輪噴氣式發動機零部件的腐蝕。金屬在非電解液中的腐蝕。如飛機管路系統受汽油、滑油的腐蝕。特點：腐蝕過程中不產生電流。腐蝕速度慢、危害小。化學性能條件：必須有兩相或兩種電極電位不同的金屬有電解液三者相互接觸i2. 電化學腐蝕電化學腐蝕指金屬和周圍介質發生電化學作用而產生的腐蝕。特點：伴有電流產生，腐蝕速度快，危害大化學性能報道（I）北京日報消息：2001年 9月，中國民航一架客機起飛后感覺情況異常，隨后在密云上空指定區域將所有航空煤油放掉，放掉，然后降落。力學性能報道(II)北京電臺消息：2002年 8月北京飛往莫斯科的俄羅斯航空公司的一架伊爾86客機，在飛抵中蒙

12、邊境后，由于意外原因不得不返回北京，返回后，又由于重量原因，在北京首都機場上空盤旋了1小時 20分鐘后，才重新降落北京首都機場。力學性能力學性能五、 沖擊韌性 Impact Toughness零件材料抵抗沖擊載荷的能力。 大能量一次沖擊試驗5510855108 240 3022橫梁式懸梁式力學性能沖擊試驗機沖擊試驗機沖擊試樣和沖擊試驗示意圖沖擊試樣和沖擊試驗示意圖impact testAk=G(H-h) ak = (J/cm2)沖擊 h試樣擺錘 H備注：P.6 金屬材料的ak 不能直接用于零件的設計計算沖擊吸收功（AK）：沖斷試樣所消耗的功(J)沖擊韌性（aK）：沖斷試樣橫截面單位面積上所消耗

13、的功(J/cm2)AkS力學性能 沖擊韌性沖擊韌性ak Ak - Impact work ( J ) S - Area of fracture face（cm 2） Ak ak = (J/cm2) S19世紀瓦特發明了蒸汽機，隨后火車得到應用，再隨后一段時間，火車輪軸成批斷裂 失效分析考查結果失效分析考查結果 W s 歷史事件歷史事件力學性能六、疲勞斷裂和疲勞強度 機械零件在交變載荷作用下，其工作應力遠小于抗拉強度，甚至小于屈服強度時，在長時間工作后發生突然斷裂的現象稱為: 疲勞斷裂疲勞斷裂 力學性能機理：缺陷處首先產生疲勞裂紋，并隨應力循環不斷擴展，直至突然斷裂。 疲勞斷口圖疲勞源裂紋擴展最

14、終破斷區力學性能疲勞實驗 試樣負荷計數器電機軸承支座力學性能疲勞曲線是維勒Wohler在1860年為解決火車車軸斷裂失效時首先提出的，所以也稱維勒曲線 一般鋼鐵的循環基數N取107 次，有色金屬的循環基數N取108 次。材料承受對稱循環交變應力時的疲勞強度用-1 表示。鋼材的-1 只有b 的50左右。 疲勞曲線 107力應-1力學性能疲勞強度 fatigue strength是指材料經無限多次應力循環仍不斷裂時的最大應力。疲勞強度表征了材料抵抗疲勞斷裂的能力。采取改進設計(避免尖角連接、降低表面粗糙度值等)采取表面強化工藝(表面淬火、化學熱處理、噴丸、滾壓等) 加強原材料和零件成品的內部缺陷檢

15、查也可減少或避免疲勞斷裂。七、高溫力學性能 Thermal Properties當約比溫度當約比溫度T/ /Tm m大于大于0.50.5時為高溫，反之為低溫時為高溫，反之為低溫。蠕變 就是金屬材料長時間的在一定溫度、一定應力作用下，即使應力小于0.2 或 s ,也會緩慢地發生塑性變形的現象。典型的蠕變曲線分為三個階段。蠕變減速階段。穩態蠕變階段。蠕變加速階段， 直至斷裂。aabcdo變形第二階段第三階段第一階段時間溫度壓力恒定力學性能1. 蠕變強度蠕變強度是指材料在高溫長時載荷作用下抵抗塑性變形的能力。(1)在規定時間內達到規定變形量的蠕變強度，單位（Mpa） 記為 / t 例如: 0.2/1

16、000 = 60MPa (2)穩態蠕變速度達到規定值時的蠕變強度，記為 T v 例如: 110 -5 = 60MPa 800T600力學性能2. 持久強度持久強度持久強度是指材料在高溫長時載荷作用下抵抗斷裂的能力。記為記為T T / t 例如 1000 = 30MPa700650 高溫疲勞材料在高溫測得的疲勞強度。 例如 -1 = 40MPa3. 高溫疲勞強度高溫疲勞強度力學性能例：碳鋼的力學性能 碳鋼： 理論含碳量 0.02% - 2.11% 實際含碳量 0.1 - 1.3%碳鋼機械性能400MPa800MPa1200MPaHB(100HB)(200HB)(300HB)00.40.81.2akdysbsbHB60%14J/cm2d,y40%12J/cm220%8J/cm2ak C % 含碳量的百分數變化的課堂練習課堂練習1.按按GB699規定，規定，15號鋼材出廠時，力學性能號鋼材出廠時，力學性能指標應不低于下列數值：指標應不低于下列數值：b =372MPas=