2019/11/6,船舶材料基础,2019/11/6,目的与要求： 1、一般理解与掌握金属材料的力学性能及试验方法； 2、一般理解与掌握金属的晶体结构与结晶； 3、深刻理解与熟练掌握铁碳合金相图及其应用； 4、深刻理解与熟练掌握钢的热处理基本原理与工艺。,教学重点、难点： 1、理解与掌握常用金属材料的力学性能指标； 2、铁碳合金相图的意义及应用； 3、热处理基本原理与工艺。,2019/11/6,工艺性能：指在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能。包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。,第一节 金属的力学性能,1金属材料的性能,使用性能：指材料在使用过程中所表现的性能，主要包括力学性能、物理性能和化学性能。,2019/11/6,指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。,2金属材料力学性能,2019/11/6,1拉伸试样 GB6397-86规定金属拉伸试样有: 圆形、矩形、异型及全截面 常用标准圆截面试样； 长试样：L0=10d0，短试样：L0=5d0。 2拉伸过程 在拉伸试验机上进行 3金属材料的拉伸曲线,一、强度和塑性,（一）拉伸实验与拉伸曲线,2019/11/6,op段：比例弹性变形 阶段。 pe段：非比例弹性变 形阶段。 平台或锯齿（s段）： 屈服阶段，明显的塑 性变形屈服现象，作 用的力基本不变，试 样连续伸长。,低碳钢的拉伸曲线,2019/11/6,sb段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。 b点：形成了“缩颈”，即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低，拉伸力达到最大值，试样即将断裂。 bk段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点断裂。,2019/11/6,(1)屈服点与屈服强度： 屈服点：产生明显塑性变形的最低应力值. s = Fs/S0,（二）常用强度性能指标,强度：材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。工程上常用的强度指标有0.2（s），b 表示，单位为MPa。,符号：s材料产生屈服现象时的最小应力 Fs试样屈服时所承受的拉伸力（N） S0试样原始横截面积（mm）,2019/11/6,屈服点是具有屈服现象的材料特有的强度指标，大多数合金都没有屈服现象，屈服强度以0.2( 塑性变形量为0.2%，微量塑性变形) 表示。,0.2= F0.2/ S0 0.2试样产生残余塑性变形0.2%时的应力； S0试样原始横截面( mm2)。,2019/11/6,屈服强度0.2（s）是金属工程结构设计和选材的主要依据。也是评定金属强度的重要指标之一。,2019/11/6,金属材料在载荷作用下，断裂前所能承受的最大应力称为抗拉强度（曾称强度极限），以b表示，单位为MPa。 b = Fb / S0 式中：Fb试样断裂前的最大载荷(N) S0试样原始横截面( mm2)。,(2)抗拉强度,2019/11/6,当材料的内应力b时，材料将产生断裂。 b常用作脆性材料的选材和设计的依据。也是评定金属强度的重要指标之一。,2019/11/6,金属材料在载荷作用下，断裂前发生不可逆永久变形的能力就是塑性。常用的塑性指标是材料断裂时最大相对塑性变形，如拉伸时的断后伸长率和断面收缩率。,（三）塑性性能指标,2019/11/6,试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为断后伸长率，以表示。 L1 - L0 = 100% L0 式中：L1试样拉断后的标距（mm）； LO试样原始标距（mm）。,1断后伸长率,2019/11/6,S0 - S 1 = 100% S0 式中：S0试样原始面积（mm2）； S1试样断裂后缩颈处的最小横截面积（mm2）,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百分比称为断面缩率，以表示。其数值按下式计算：,2019/11/6,或数值越大，则材料的塑性越好。,除常温试验之外，还有金属材料高温拉伸试验方法（GB/T433895）和低温拉伸试验方法（GB/T1323991）供选用。,2019/11/6,1定义 指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。,二、硬度,2硬度的测试方法 （1）布氏硬度 （2）洛氏硬度 （3）维氏硬度,2019/11/6,它是衡量材料表面软硬程度的指标，因此硬度不是一个单纯的确定的物理量，不是基本的力学性能指标，而是一个由材料的弹性、强度、塑性、韧性等系列不同力学性能组成的综合性能指标，所以硬度所表示的量不仅决定于材料本身，而且还取决于试验方法试验条件。,2019/11/6,1原理 用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量材料表面压痕直径，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。,（一）布氏硬度HB ( Brinell-hardness ),布氏硬度试验,2019/11/6,用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示。 符号HBS(淬火钢球)或HBW(硬质合金球)之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。 例如：120HBS10/1000/30 表示直径为10mm的钢球在1000k（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。,2布氏硬度值,2019/11/6,（1）测量值较准确，重复性好，可测组织不 均匀材料（铸铁）； （2）可测的硬度值不高； （3）不测试成品与薄件； （4）测量费时，效率低。,3优缺点,4测量范围 用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等。,2019/11/6,洛氏硬度试验 1原理 用顶角为120金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试 样表面，经规定时间后卸除试验力，用测 量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验。,（二）洛氏硬度HR ( Rockwell hardness ),2019/11/6,4测量范围 用于测量淬火钢、硬质合金等材料.,3优缺点 （1）试验简单、方便、迅速； （2）压痕小，可测成品，薄件； （3）数据不够准确，应测三点取平均值； （4）不应测组织不均匀材料，如铸铁。,2洛氏硬度值 用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读出，如：50HRC。,2019/11/6,（三）维氏硬度HV (diamond penetrator hardness),1.原理：用夹角为136的金刚石四棱锥体压头使用很小试验力F（49.03-980.07N）压入试样表面，测出压痕对角线长度d。,2.维氏硬度值 用压痕对角线长度表示。如：640HV。,维氏硬度试验,2019/11/6,4.测量范围 常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。 HVHBS,3.优缺点 （1）测量准确，应用范围广（硬度从极软到极硬）； （2）可测成品与薄件； （3）试样表面要求高，费工。,2019/11/6,机械零部件在工作过程中不仅受到静载荷或交变载荷作用，而且受到不同程度的冲击载荷作用，如锻锤、冲床、铆钉枪等。在设计和制造受冲击载荷的零件和工具时，必须考虑所用材料的冲击吸收功或冲击韧性。,三、冲击吸收功,2019/11/6,目前最常见的冲击试验方法是摆锤式一次冲击试验，其试验原理下图所示。,冲击实验原理图,2019/11/6,试样冲断时所消耗的冲击功Ak为： Ak = mgHmgh (J) 冲击韧性值ak 就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。 K = AK / SN 式中：AK 试样冲断时所消耗的冲击功； SN 试样缺口处单位截面积。,2019/11/6,实验表明，AK随温度的降低而减小；在某一温度范围，材料的AK值急剧下降，表明材料由韧性状态向脆性状态转变，此时的温度称为韧脆转变温度。,对一般常用钢材来说，所测冲击吸收功AK越大，材料的韧性越好。,2019/11/6,疲劳破坏 疲劳断裂 疲劳极限,四、疲劳极限( fatigue strength ),2019/11/6,许多机械零件如轴、齿轮、弹簧等许多工程结构都是交变应力下工作的，它们工作时所承受的应力通常都低于材料的屈服强度。材料在循环应力或交变应力作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为材料的疲劳破坏。,2019/11/6,疲劳破坏与静载荷下的破坏不同，断裂前没有明显的塑性变化，发生断裂也较突然。这种断裂具有很大的危险性，常常造成严重的事故。据统计，大部分机械零件的失效是由金属疲劳造成的。因此，工程上十分重视对疲劳规律的研究。,2019/11/6,疲劳极限：表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值（或当应力低于某值时，应力循环到无数次也不会发生疲劳断裂，此应力值 ）称为材料的疲劳极限。,2019/11/6,通常在对称应力循环条件下的纯弯曲疲劳极限用-1表示。 钢材的循环次数一般取 N = 107 有色金属的循环次数一般取 N = 108 钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系: -1 = (0.450.55)b,2019/11/6,疲劳曲线示意图,