Механические свойства металлических материалов относятся к поведению металлических материалов под действием внешней нагрузки или совместного действия нагрузки и факторов окружающей среды (температуры, среды и скорости нагружения).
Общие механические свойства металлов показаны в таблице ниже:
Механические свойства металла
Обычно используемый индекс механических свойств металлов
сила
Предел текучести, предел прочности, предел прочности на разрыв
Пластичность
Удлинение, сокращение площади, показатель деформационного упрочнения
эластичность
Модуль упругости (жесткость), предел упругости, предел пропорциональности
твердость
Твердость по Бринеллю, твердость по Виккерсу, твердость по Роквеллу
прочность
Статическая вязкость, ударная вязкость, вязкость разрушения
усталость
Усталостная прочность, усталостная долговечность, чувствительность к усталостным надрезам
коррозия под напряжением
Коэффициент напряженности поля критических напряжений коррозии под напряжением, скорость роста трещины коррозии под напряжением
Кривая растяжения низкоуглеродистой стали при одноосной статической нагрузке
картина
Кривая зависимости усилия растяжения от удлинения для низкоуглеродистой стали
1. Сечение оа: упругая деформация
2. Участок ab: упругая деформация плюс пластическая деформация.
3. Сечение Bcd: очевидная пластическая деформация, явление текучести и непрерывное удлинение образца при условии, что сила остается практически неизменной.
4. Кривая сегмента дБ: упругая деформация плюс равномерная пластическая деформация.
5. Точка B: возникает явление образования шейки, очевидно, что локальное сечение образца уменьшается, несущая способность образца снижается, сила растяжения достигает максимального значения, и образец вот-вот сломается.
индекс прочности
Под прочностью понимается способность материала сопротивляться пластической деформации и разрушению.
1. Предел текучести
σs {{0}} Fs/S0
Fs: сила растяжения (Н), которую выдерживает образец, когда он поддается; S0: исходная площадь поперечного сечения образца (мм).
2. Прочность на растяжение
Максимальное растягивающее напряжение, которое выдерживает образец до разрушения, отражает максимальное сопротивление материала равномерной деформации.
σb {{0}} Fb/S0
σb часто используется в качестве основы для выбора материала и проектирования хрупких материалов.
Пластиковый индекс
Пластичность – это способность материала без разрушения подвергаться пластической деформации под действием статической нагрузки.
1. Удлинение после разрыва
Процент удлинения расчетной длины после разрыва образца до первоначальной расчетной длины.
δ{{0}}(L1-L0)/L*100 процентов
L0: расчетная длина; L1: расчетная длина испытательного образца после разрушения.
2. Уменьшение площади
Процент максимального уменьшения площади поперечного сечения на убранном элементе образца до исходной площади поперечного сечения.
Ψ{{0}}(A0-A1)/A0 *100 процентов
A0: Исходная площадь поперечного сечения образца; A1: Площадь поперечного сечения шейки после перелома.
индекс прочности
Под прочностью понимается способность материала сопротивляться пластической деформации и разрушению.
1. Предел текучести
σs {{0}} Fs/S0
Fs: сила растяжения (Н), которую выдерживает образец, когда он поддается; S0: исходная площадь поперечного сечения образца (мм).
2. Прочность на растяжение
Максимальное растягивающее напряжение, которое выдерживает образец до разрушения, отражает максимальное сопротивление материала равномерной деформации.
σb {{0}} Fb/S0
σb часто используется в качестве основы для выбора материала и проектирования хрупких материалов.
Пластиковый индекс
Пластичность – это способность материала без разрушения подвергаться пластической деформации под действием статической нагрузки.
1. Удлинение после разрыва
Процент удлинения расчетной длины после разрыва образца до первоначальной расчетной длины.
δ{{0}}(L1-L0)/L*100 процентов
L0: расчетная длина; L1: расчетная длина испытательного образца после разрушения.
картина
2. Уменьшение площади
Процент максимального уменьшения площади поперечного сечения на убранном элементе образца до исходной площади поперечного сечения.
Ψ{{0}}(A0-A1)/A0*100 процентов
A0: Исходная площадь поперечного сечения образца; A1: Площадь поперечного сечения шейки после перелома.
Индекс эластичности
Жесткость: способность материала сопротивляться упругой деформации при напряжении.
E=σ/ε
σ: растягивающее напряжение; ε: деформация растяжения
Микроструктура не чувствительна к показателю механической работоспособности, и легирование, термическая обработка и холодная пластическая деформация мало на нее влияют.
Важные показатели механических характеристик для выбора материалов механизмов и компонентов:
►Барель дальнего света должна иметь достаточную жесткость, иначе она будет вызывать вибрацию из-за чрезмерного прогиба при подъеме тяжелых предметов.
►Инструмент станка и шпиндель пресса, станина и верстак предъявляют требования к жесткости для обеспечения точности обработки.
►Основные компоненты, такие как двигатели внутреннего сгорания, центрифуги и компрессоры, должны иметь достаточную жесткость для предотвращения вибрации.
твердость
Способность локальной поверхности материала сопротивляться пластической деформации и разрушению.
Это показатель для измерения мягкости и твердости материала, и его физическое значение связано с методом испытаний.
Методы определения твердости: твердость по Бринеллю, твердость по Роквеллу, твердость по Виккерсу, твердость по Шору, твердость по Либу, твердость по Моосу
(1) твердость по Бринеллю
Среднее напряжение на единицу площади, т. е. отношение испытательной силы p к площади сферической поверхности вмятины.
картина
< 450HB: The test indenter is a quenched steel ball, the hardness symbol is HBS;
<650HB: The test indenter is cemented carbide, and the hardness symbol is HBW.
Эмпирическая формула:
Низкоуглеродистая сталь: σв≈3,6HBS;
Высокоуглеродистая сталь: σв≈3,4HBS.
Область применения: используется для измерения серого чугуна, конструкционной стали, цветных металлов и неметаллических материалов и т. д.
Преимущества и недостатки:
Измеренное значение является более точным и воспроизводимым;
Измеряемые тканевые неоднородные материалы;
Не подходит для испытаний готовых изделий и тонких деталей;
Измерение занимает много времени и неэффективно.
(2) твердость по Роквеллу
Значение твердости материала выражается путем измерения глубины вдавливания, и каждые 0,002 мм эквивалентны 1 единице твердости по Роквеллу.
Существует два типа инденторов:
1. Алмазный конус с углом конуса =120 градусов,
2. Небольшой шарик из закаленной стали диаметром Φ1,588 мм.
Формула расчета твердости по Роквеллу:
ЧСС{{0}}(кГ)/0,002
Индентор 1: k=0,2 мм; Индентор 2: k=0.26 мм.
линейка
символ твердости
Тип головы
Суммарная испытательная сила F/N
Диапазон измерения твердости
Примеры применения
C
ПЧ
Алмазный конус
1471
20-70
Закаленная сталь, чугун высокой твердости, перлитный ковкий чугун
B
ХРБ
Стальной шарик Φ1,588 мм
980.7
20-100
Мягкая сталь, медный сплав, ферритный ковкий чугун
A
HRA
Алмазный конус
588.4
20-88
Карбид, закаленная листовая сталь, цементируемая сталь
Преимущества и недостатки:
Тест простой, удобный и быстрый;
Отступ небольшой, и можно измерить готовый продукт и тонкие детали;
Данные недостаточно точны, необходимо измерить три точки, чтобы получить среднее значение;
Неоднородные материалы, такие как чугун, не должны испытываться.
(3) твердость по Виккерсу
Значение твердости рассчитывают по испытательной силе на единицу площади отпечатка.
Индентор представляет собой ромбовидную четырехугольную пирамиду с внутренним углом 136 градусов между двумя противоположными поверхностями.
Диапазон измерения :
Его часто используют для измерения тонких деталей, покрытий, поверхностных слоев после химико-термической обработки и т. д.
Преимущества и недостатки:
Точное измерение и широкий спектр применения (твердость от очень мягкой до очень твердой);
Измеряемые готовые изделия и тонкие детали;
Требования к поверхности образца высоки и трудоемки.
Ударная вязкость
Способность материала сопротивляться разрушению при ударных нагрузках.
Энергия удара Ak, затраченная на разрушение образца, равна:
Ak=мгч – мгч (Дж)
Величина ударной вязкости ak представляет собой энергию удара, затрачиваемую на единицу площади поперечного сечения в надрезе образца.
ak {{0}} Ak / S0 (Дж/см²)
Низкое значение ak - хрупкий материал:
Нет очевидной деформации при поломке, металлический блеск, кристаллический.
Высокое значение ak - прочный материал:
Явные пластические изменения, излом серый, фиброзный, тупой.
картина
Прочность на излом
Механика разрушения. На основе признания наличия макроскопических трещин в деталях машин устанавливаются различные новые механические параметры распространения трещин, а также предлагаются критерий разрушения и вязкость разрушения материала тел с трещинами.
картина
усталость
Явление усталости:
Явление разрушения, вызванное кумулятивным повреждением металлических деталей или компонентов при длительном воздействии переменных напряжений и деформаций.
Характеристики усталости:
(1) Усталость представляет собой разрушение с задержкой во времени цикла низкого напряжения, а напряжение разрушения часто ниже, чем предел прочности материала на растяжение или даже предел текучести;
(2) Усталость - это хрупкий и внезапный перелом, и перед переломом не будет явных признаков деформации, что очень опасно;
(3) Усталость очень чувствительна к зазубринам, трещинам и структурным дефектам и очень избирательна.
Предел усталости σ-1:
Наивысшее значение напряжения, при котором материал подвергается многочисленным циклам напряжения без усталостного разрушения.
Предел усталости состояния:
Максимальное значение напряжения, которое может выдержать 107 циклов нагрузки без разрушения.
Эмпирическая формула усталостной прочности стали:
σ-1= (0.45-0.55)σb
или σ-1= 0.27(σs плюс σb)
σ-1p= 0.23(σs плюс σb)
02
процесс термообработки
Определение: Процесс изменения внутренней структуры твердого металла или сплава путем нагрева, сохранения тепла и охлаждения для получения требуемых свойств.
картина
Цель: во-первых, улучшить технологические характеристики материалов и обеспечить плавный ход последующей обработки. Эта термообработка называется предварительной термообработкой; другой - улучшить характеристики материалов и продлить срок службы деталей. Такая термообработка называется окончательной термообработкой.
Классификация термической обработки:
Обычная термическая обработка (четыре огня: отжиг, нормализация, закалка, отпуск)
Термическая обработка поверхности (поверхностная закалка, химико-термическая обработка)
Другая термообработка (вакуумная термообработка, деформационная термообработка и т.д.)
Микроструктурное превращение эвтектоидной стали при нагреве
Четыре стадии процесса превращения перлита в аустенит:
(1) зародышеобразование аустенита;
(2) рост аустенита;
(3) оставшийся Fe3C растворяется;
(4) Гомогенизация аустенита.
картина
картина
Структурное превращение стали при охлаждении
Превращение аустенита при охлаждении: аустенит является стабильной фазой выше критической точки A1 и становится нестабильной фазой при охлаждении ниже A1, и происходит структурное преобразование.
Актуальность: Определяет структуру и свойства стали после термической обработки. Для одной и той же стали температура нагрева и время выдержки одинаковы, но способ охлаждения разный, и свойства после термической обработки совершенно разные.
картина
Механические свойства стали 45, нагретой до 840 градусов и охлажденной при различных условиях охлаждения
метод охлаждения
σb/МПа
σs/МПа
δ/ процент
ψ/ процент
ПЧ
Охлаждение с печью
519
272
32.5
49
15~18
воздушное охлаждение
657~706
333
15~18
45~50
18~24
охлаждение в масле
882
608
18~20
48
40~50
Водяное охлаждение
1078
706
7~8
12~14
52~60
Построение кривой изотермического превращения переохлажденного аустенита в эвтектоидную сталь (металлографический метод определения твердости)
Также известная как «кривая TTT» (кривая времени-температуры-преобразования), поскольку форма похожа на «C», ее часто называют «кривой C».
картина
С помощью «кривой С» можно понять, в какую структуру переходит аустенит при различных условиях охлаждения и свойствах продуктов превращения, что дает теоретическую основу для правильной постановки и выбора процессов термообработки.
Кривая C эвтектоидной стали и продукты превращения
картина
1) Превращение перлитного типа (также известное как высокотемпературное превращение)
Температура трансформации: A1~550 градусов; продукт превращения: перлит
A1 ~ 6500 градусов: перлитный лист толще, P (перлит-перлит)
6500 градусов ~ 6000 градусов: слой перлита тоньше, S (сорбит-сорбит)
6000 градусов ~ 5500 градусов: перлитный слой очень тонкий, T (трулстит)
картина
Толщина ферритного и цементитного пластинчатых слоев перлита связана с температурой превращения. Чем ниже температура, тем тоньше пластинки перлита. Слои становятся тоньше, прочность и твердость увеличиваются, а пластическая вязкость увеличивается.
2) Бейнитное превращение (также известное как среднетемпературное превращение)
Температура перехода: 550- мс (230 градусов)
Продукт превращения: Бейнит Б (бейнит) - смесь пересыщенного Ф и цементита.
картина
550~350 градусов: верхний бейнит (верхний B) перистая структура, низкая прочность и пластичность, высокая хрупкость.
350 градусов ~ Ms: игольчатая структура нижнего бейнита (нижний B), хорошая комплексная производительность.
картина
3) Мартенситное превращение (также известное как низкотемпературное превращение)
Температура перехода: Ms (230 градусов) ~ Mf
Продукт превращения: мартенсит (мартенсит) плюс А'(остаточный аустенит)
Мартенсит: пересыщенный твердый раствор углерода, образованный в -Fe, представленный M.
Классификация:
Низкоуглеродистый мартенсит (низкоуглеродистый мартенсит): Реечный, с высокой прочностью и пластичностью. Также известна как рейка М (рейка мартенситная).
Высокоуглеродистый мартенсит (высокоуглеродистый мартенсит): линзовидный, листовидный, с гребнями посередине. Обладает высокой прочностью, но плохой пластичностью и высокой хрупкостью.
Изображение] [изображение
Кривая C доэвтектоидной стали
картина
Кривая C заэвтектоидной стали
картина
Кривая охлаждения при непрерывном превращении переохлажденного аустенита (кривая CCT) (непрерывное превращение при охлаждении)
картина
отжиг
Определение: Нагрев металла до определенной температуры, поддержание ее в течение достаточного времени, а затем охлаждение с соответствующей скоростью.
Цель:
очищать зерна;
Уменьшить твердость и улучшить характеристики штамповки и резки стали;
Устранение внутреннего напряжения.
Классификация: В соответствии с целью и характеристиками процесса отжига его можно разделить на полный отжиг, неполный отжиг, изотермический отжиг, сфероидизирующий отжиг, отжиг для снятия напряжения и т. Д.
полный отжиг
l Область применения: доэвтектоидная сталь
lТемпература нагрева: Ac3 плюс 30-50 градус
l Цель: уточнить структуру, уменьшить твердость, улучшить обрабатываемость,
Устранение внутреннего напряжения
л Ткань комнатной температуры: F плюс P
картина
Сфероидизирующий отжиг
Область применения: эвтектоидная сталь и заэвтектоидная сталь.
Температура нагрева: Ac1 плюс 20~30 градусов
Цель: сфероидизировать сетчатый или чешуйчатый Fe3CⅡ
Организация: сферический перлит
картина
изотермический отжиг
Процесс: нагрев до Ac1 плюс 30~50 градусов или Ac3 плюс 30~50 градусов, после поддержания в тепле, быстрое охлаждение до температуры ниже Ar1, когда A превращается в ткань P-типа, вынимают ее из печи и охлаждают воздухом. .
Организация: Класс П
Преимущества: короткое время отжига, однородная структура
картина
Рельефный отжиг
Цель: снять остаточное напряжение
обогрев
Температура: T нагрева Применение: Устранение остаточных внутренних напряжений в отливках, поковках, сварных деталях и т.д. картина Гомогенизационный отжиг (диффузионный отжиг) Цель: устранить сегрегацию; единый состав, организация Температура нагрева: AC3＋150-250 градусов Организация: доэвтектоидная сталь P плюс F. Применение: В основном используется для слитков, отливок и поковок из легированной стали с высокими требованиями к качеству. Рекристаллизационный отжиг Процесс: Нагрев до 50-150 градусов ниже Ac1 или T плюс 30-50 градусов, поддержание тепла и медленное охлаждение. Назначение: Устранить деформационное упрочнение и восстановить пластичность и ударную вязкость стали. Применение: Устранение наклепа заготовок после наклепа. Например, отжиг в середине процесса волочения стальной проволоки. Определение: процесс термической обработки, при котором заготовку нагревают до 30-50 градусов выше Ac3 или Accm, вынимают из печи после сохранения тепла и охлаждают на воздухе. Цель: Низкоуглеродистая сталь: повышает твердость и облегчает резку. Заэвтектоидная сталь: устраняет ретикулярный вторичный цементит, который способствует сфероидизации фосфора. Среднеуглеродистая сталь и среднеуглеродистая низколегированная сталь: напряжение невелико, а требования к производительности невысоки, что можно использовать в качестве окончательной термообработки. картина картина Назначение: Получить структуру под М или В, а также повысить твердость и износостойкость стали. Выбор температуры закалки Доэвтектоидная сталь: AC3 плюс 30-50 градус; Эвтектоидная сталь и заэвтектоидная сталь: AC1 плюс 30-50 степень. картина Закалочное охлаждение является ключом к определению качества закалки, и идеальная скорость охлаждения должна быть такой, как показано на рисунке. Выше 650 градусов, медленнее, снижает тепловое напряжение 650-400 градус, быстро, избегайте кривой C Ниже 400 градусов, медленно, уменьшить напряжение фазового перехода картина Обычно используемая закалочная среда В настоящее время обычно используемыми охлаждающими средами в производстве являются нефть, вода и рассол, и их охлаждающая способность последовательно увеличивается. Вода: сильная закалочная способность, но на поверхности заготовки есть мягкие участки, которые легко деформируются и трескаются. Соленая вода: закалочная способность сильнее, поверхность заготовки гладкая и чистая, без потертостей, но легче деформируется и трескается; Масло: способность к закалке слабая, но заготовку нелегко деформировать и расколоть. Общий метод закалочного охлаждения (метод закалочного охлаждения) картина Определение: изображение Основная цель закалки Устранение внутреннего напряжения и уменьшение ломкости Стабильные размеры ткани и заготовки Уменьшить твердость, улучшить пластичность Изменения структуры и свойств отпуска Структурное превращение закаленной стали при отпуске в основном происходит на стадии нагрева. С увеличением температуры нагрева структура закаленной стали претерпевает четыре стадии изменения. 1. Распад мартенсита Стадия отпуска: При отпуске при<100°C, the structure does not change; when heating at 100~200°C, martensite will decompose. Полученная организация: мартенсит отпуска М раз (пересыщенный твердый раствор). Производительность меняется: внутреннее напряжение постепенно снижается, а производительность в основном остается прежней. 2. Распад остаточного аустенита Стадия отпуска: 200-300 град. А' распадается и превращается в Б. Полученная организация: M (отпущенный мартенсит) указывает Изменения производительности: напряжение дополнительно снижается, а прочность и твердость немного снижаются. 3. Заканчивается распад мартенсита и образование цементита Стадия отпуска: 300-400 град. ε-карбиды превращаются в устойчивый цементит. Полученная организация: Закаленный троостит, представленный T (Закаленный троостит). Изменения производительности: внутреннее напряжение в основном устраняется, твердость уменьшается, а пластическая вязкость увеличивается. 4. Рост агрегатов Fe3C, восстановление и рекристаллизация твердого раствора. Стадия отпуска: выше 400 градусов. Фаза начинает восстанавливаться, и выше 500° происходит рекристаллизация; Полученная организация: Tempered Sorbite, представленная буквой S (Tempered Sorbite). Изменения производительности: получена хорошая общая производительность. Микроструктура и механические свойства закаленной стали ремесло температура отпуска ( степень ) Ткань после закалки Твердость после отпуска (HRC) Функции использовать низкотемпературный отпуск 150-250 М назад 58-64 Высокая твердость, высокая износостойкость; хрупкость, снижение внутренних напряжений инструментальная сталь, Подшипники качения, науглероженные детали и т.д. Среднетемпературный отпуск 250-500 Т назад 35-50 Более высокий предел упругости и предел текучести с определенной пластичностью и ударной вязкостью стальная пружина, Пресс-форма для горячей работы высокотемпературный отпуск 500-600 S назад 25-35 хорошая общая производительность важные структурные части Общая тенденция изменения механических свойств при отпуске изменяется: с повышением температуры отпуска прочность и твердость стали снижаются, а пластичность и вязкость увеличиваются. Термическая обработка поверхности (термическая обработка поверхности) Термическая обработка поверхности: процесс термообработки, при котором нагревается только поверхность заготовки для изменения ее структуры и свойств. Классификация: поверхностная закалка и химико-термическая обработка. В производстве есть много деталей, которые требуют, чтобы поверхность и сердцевина имели разные свойства. Как правило, поверхность имеет высокую твердость, высокую износостойкость и усталостную прочность; в то время как сердцевина требует большей пластичности и прочности. В этом случае, начиная только с выбора материала или применяя обычные методы термообработки, невозможно удовлетворить его требованиям. Способ решения этой проблемы – термическая обработка поверхности. поверхностная закалка Определение: процесс термической обработки, при котором происходит только закалка (плюс отпуск) поверхности заготовки. Цель: Сделать поверхность заготовки твердой и жесткой. Сталь для поверхностного упрочнения: среднеуглеродистая конструкционная сталь (0,4% -0,5% содержания углерода) Методы: поверхностная закалка индукционным нагревом и поверхностная закалка пламенным нагревом. Индукционная поверхностная закалка Основной принцип: индукционная катушка питается переменным током → образует вихревой ток (скин-эффект) → получает А на поверхности → получает М за счет водяного охлаждения. Классификация: Высокочастотный индукционный нагрев: 200~300 кГц, 0,5~2,5 мм; Индукционный нагрев средней частоты: 0.5~10 кГц, 2~10 мм; Индукционный нагрев промышленной частоты: 50 Гц, 10-20 мм. гашение поверхности нагрева пламенем Определение: Тушение поверхности нагрева пламенем - это применение пламени кислородно-ацетиленового (или другого горючего газа) для нагрева поверхности деталей с последующим их быстрым гашением. Глубина закаленного слоя обычно составляет от 2 до 6 мм. Применение: подходит для штучного и мелкосерийного производства. Химико-термическая обработка стали Определение: Процесс термической обработки, при котором стальная деталь выдерживается в активной среде при определенной температуре, чтобы позволить одному или нескольким элементам проникнуть в ее поверхность, чтобы изменить ее химический состав, структуру и характеристики. Классификация: В соответствии с различными проникающими элементами химико-термическую обработку можно разделить на науглероживание, азотирование, карбонитрирование, борирование, алитирование и т. д. Основной процесс: ① Разложение: заставить химическую среду разлагать активные атомы, которые проникают в элементы в процессе нагрева и сохранения тепла; ② Абсорбция: активные атомы адсорбируются поверхностью заготовки с образованием твердых растворов или специальных соединений; ③ Диффузия: проникшие атомы диффундируют внутрь от поверхности заготовки, образуя диффузионный слой определенной глубины, то есть проникающий слой. Науглероживание стали (Науглероживание стали) картина Цель: повысить твердость и износостойкость поверхности заготовки. Сталь для науглероживания: низкоуглеродистая сталь или низкоуглеродистая легированная сталь. Среда: наиболее часто используемые газы (керосин, бензол и др.) с атомами активированного угля. Температура: в аустенитной зоне, 900-950 град. Время: В зависимости от глубины просачивающегося слоя около 10 часов. Другие методы химической термической обработки Азотирование: процесс термической обработки, при котором активные атомы азота проникают в поверхность заготовки при определенной температуре. Улучшить поверхностную твердость, износостойкость, усталостную прочность, термическую твердость и коррозионную стойкость деталей. Карбонитрирование (карбонитрирование): Углерод и азот проникают в поверхность заготовки одновременно. Улучшить поверхностную твердость, сопротивление усталости и износостойкость, а также объединить преимущества науглероживания и азотирования. Хромирование: обладает хорошей коррозионной стойкостью и отличной стойкостью к окислению, твердостью и износостойкостью и может заменить нержавеющую сталь и жаростойкую сталь для изготовления инструментов. Борирование: очень отличная износостойкость, коррозионная стойкость и стойкость к грязевому износу, износостойкость явно лучше, чем у азотированных, углеродных и карбонитрирующих слоев, но не устойчива к атмосферной и водной коррозии. В основном используется для деталей буровых насосов, штампов для горячей обработки и приспособлений для заготовок.
Нормализация
Закалка
Характер
Правило: чем больше частота тока, тем меньше глубина закаленного слоя.
