机械结构钢.ppt
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1、思考题:思考题:1、工程结构钢的合金化思想是什么?2、评价工程结构钢热影响区硬化倾向的碳当量的概念是什么?3、应变时效现象?机理是什么?2021/9/231第二节第二节 机械制造结构钢机械制造结构钢l定义定义:机械制造结构钢是用来制造各种机械零件的钢种;l常见的机械零件是汽车、拖拉机、机床、电站设备、矿山机械、轧机等机器上的轴类、齿轮、连杆、弹簧、齿轮轴、紧固件等。2021/9/232汽车车体和各种悬挂件用各种合金结构钢汽车车体和各种悬挂件用各种合金结构钢2021/9/233电站用特殊合金钢电站用特殊合金钢新型超级奥氏体和马新型超级奥氏体和马氏体型耐热钢氏体型耐热钢 2021/9/2341、服
2、役条件、服役条件1)受力分析l形式:机械零件在工作时将承受拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转、冲击、震动、摩擦等力的作用,或几种力的同时作用;l性质:在机械零件的截面上产生张、压、切等应力。l方式:这些应力可以是恒定的或变化的;在方向上可以是单向的反复的;在加载上可以是逐渐的或是骤然的。2)工作环境)工作环境:温度一般是-50-100之间;介质是:大气、自然水、润滑油及其它介质的腐蚀作用。2021/9/2352、失效形式、失效形式 规定用来制造某种零件的钢材的性能要求时,必须从零件在工作条件下损坏的情况出发。因此,必须了解零件的失效形式。(1)过载变形和断裂)过载变形和断裂l特别是承受动载荷的情况下
3、,由于不正常的超负荷,当应力超过构件的屈服强度时,构件就要发生变形;l当应力超过该材料的断裂强度时,构件就要发生断裂。(2)疲劳破坏)疲劳破坏 承受交变载荷的构件,若在高于一定的应力水平下长期工作,就容易发生疲劳断裂。2021/9/236疲劳断口疲劳断口裂纹源裂纹源在一个氧化铝夹杂物处,以夹杂物为疲劳源,周围是光滑细微的疲劳源区,由此,向四周呈放射状四周呈放射状快速扩展断裂疲劳裂纹疲劳裂纹疲劳裂纹疲劳裂纹2021/9/237由由Al2O3产生的表面裂纹劈开产生的表面裂纹劈开金属表面向下扩展金属表面向下扩展浅表面裂纹与表面裂纹已经浅表面裂纹与表面裂纹已经连接,即将产生剥落连接,即将产生剥落疲劳剥
4、落的产生过程疲劳剥落的产生过程Al2O32021/9/238疲劳剥落的产生过程疲劳剥落的产生过程浅表面裂纹与表面裂纹已经浅表面裂纹与表面裂纹已经连接,即将产生剥落连接,即将产生剥落剥落坑的俯视图,在坑中或剥落坑的俯视图,在坑中或边有边有Al2O3铝酸钙等夹杂物铝酸钙等夹杂物剥落坑剥落坑2021/9/239(3)脆性断裂)脆性断裂 如果钢材的塑性和韧性不足,在承受突然冲击或过载的情况下,由于钢件不能发生相应的塑性变形,以吸收部分冲击能量而松弛钢件所受的应力,钢件就会在只发生小量形变或甚至不发生形变的情况下突然脆断。(4)腐蚀破坏)腐蚀破坏 钢件与腐蚀介质长期接触,特别是有应力作用的情况下,逐渐被
5、腐蚀而损坏。l 零件的损坏情况可以归纳为:变形和断裂。变形和断裂。2021/9/23103、性能要求、性能要求 针对以上分析的主要失效形式,对机械制造用钢的最基本要求:l 在零件整个截面上具有足够高的屈服强度和抗拉强度,以防止过载变形和断裂;l 具有高的疲劳强度以防止交变负荷下的疲劳断裂;l 在零件整个截面上具有足够的塑性和韧性,以防止冲击或过载下的突然断裂;l 具有一定的耐蚀性。2021/9/23114、结构钢的强度与脆性、结构钢的强度与脆性l 上面所述,机械零件的主要失效形式是变形和断裂。l 为保证机械零件正常运转,传统设计只考虑钢的弹弹性和塑性;性和塑性;l 弹性设计:有的根据弹性来设计
6、,在弹性范围内工作,根据比例极限p来计算;l 有些零件只允许少量塑性变形,可根据屈服强度s或0.2来塑性设计(实际中在许用应力与以上应力之间加上一个安全系数),实际也是从强度出发。l 上述两种情况都是只考虑了强度的强度设计。l 对于结构件,只考虑强度是很危险的。2021/9/2312强度指标:强度指标:e 弹性极限b 抗拉强度f 断裂强度0.01规定弹性极限,塑性变形量 为0.010.2 规定屈服强度,塑性变形量为0.2范性指标:范性指标:伸长率 =(Lf-L0)/L0100%面缩率 =(A0-Af)/A0100%2021/9/2313强度与塑性的配合强度与塑性的配合l 对于塑性指标、及综合反
7、映了强度和塑性的韧性指标(如冲击韧性),在设计时并不用于工程计算,只是根据经验提出要求;l 塑性、韧性指标是考虑到零件的安全性,避免发生突然事故、过载断裂而提出的。l 为什么对于机械结构钢要强调强度与塑性的配合?a.多年来,人们为了减轻零件重量,在追求提高钢的强度方面取得了很大的进展,使钢的强度达到很高的水平:2021/9/2314举例:举例:中碳回火索氏体钢、低碳马氏体钢:b:12001400MPa;中碳低合金马氏体钢:b:14002000MPa;b.这样高的强度取得是综合运用了加工强化、细晶强化、固溶强化、沉淀强化和马氏体相变强化等方法的结果(通过化学成分设计、冶炼工艺和热处理等);c.但
8、是钢的屈服强度增高后,其塑性变形的能力就下降(晶粒细化除外),因而增大了发生脆性断裂的倾向。d.在生产、加工过程中可以给钢材带来这样或那样的缺陷,有不少情况这种缺陷并不影响钢的屈服强度,却降低钢的断裂强度。2021/9/2315金属材料的屈服强度金属材料的屈服强度s与断裂强度与断裂强度f a.这两个性能指标是金属材料的基本性能特征;b.当金属材料的屈服强度低于断裂强度时,垂直于力作用方向的平面上产生的应力先达到屈服强度,就会发生塑性变形;c.如果金属材料的屈服强度等于或高于断裂强度,垂直于力作用方向的平面上产生的应力先达到断裂应力,就会发生脆性断裂;d.脆性断裂脆性断裂:材料没有发生宏观塑性变
9、形或仅仅发生少量塑性变形的断裂;2021/9/2316e.塑性断裂:经过较大量的塑性变形后的断裂。塑性断口塑性断口2021/9/2317沿晶脆性断口沿晶脆性断口 解理解理 脆性断口脆性断口2021/9/2318f.温度对金属材料s和f的影响l降低温度,s迅速增高,而f略有降低,发生脆断;l较高温度,fs,塑性断裂(位错易动)。机械结构钢:强度和塑性的配合机械结构钢:强度和塑性的配合在强度设计的同时,要进行塑性的设计!在强度设计的同时,要进行塑性的设计!2021/9/2319韧性设计:a.冲击韧性冲击韧性:只反映钢材脆断的趋势,不能用于直接设计计算,根据经验总结,提出了在低温下冲击韧性值的临界值
10、;b.韧韧-脆转化温度脆转化温度:要求钢材的韧-脆转化温度比实际零件的工作温度低若干度。c.断裂韧性断裂韧性(K1c):是从金属材料中总有在生产工序中造成的钢材缺陷和裂纹出发,研究这些裂纹在什么条件下突然失稳而开始扩展的能力。l断裂韧性代表材料抵抗裂纹突然扩展的能力;l钢材的断裂强度f与平面应变断裂韧性K1C之间的关系可用下式表示:2021/9/2320(夏氏冲击试样夏氏冲击试样)冲击功与试验温度的关系冲击功与试验温度的关系2021/9/2321式中a为材料裂纹突然扩展时裂纹尺寸之半;对于一定显微组织的钢材,KIC是一定值。l a采用超声波(或其它方法)测定,KIC通过专门的实验测定(对于一定
11、的组织,它是一定的),那么就可以计算f的值,就可以进行工程设计了。l 对于高强钢(高强材料),必须进行这种断裂韧性的计算与设计,否则非常危险(否则非常危险(very Dangerous)very Dangerous)!2021/9/2322复习题复习题1、现代机械用结构钢的设计与传统设计有什么不同、现代机械用结构钢的设计与传统设计有什么不同?2、疲劳破坏?、疲劳破坏?3、韧、韧-脆转化温度?脆转化温度?2021/9/23235、机械制造用结构钢的淬透性、机械制造用结构钢的淬透性(1)为什么要考虑钢的淬透性?1)抗拉强度低抗拉强度低 机械制造用结构钢是亚共析碳素或低合金钢。退火后的硬度一般不超过
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