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从泰坦尼克号的沉没——谈材料力学性能

嘉峪检测网        2019-08-28 21:20

在人类文明发展的历史过程中,由于材料性能的不合格造成的大大小小的事故不胜枚举。像1912年泰坦尼克号的沉没,1938年二战前夕英国皇家?#31449;黃pitfire战斗机的坠落,1998年德国的铁路惨案……在早期时候是由于人类认知水平的不足而造成的,而在科学发达的今天,事故的发生更多是由于设计、制造工艺、使?#27809;?#22659;等因素考虑不周,使用不当而造成的。因此,对材料性能的全面了解以及正确的使用合适的材料,变得非常的重要。材料的性能包括力学性能、物理化学性能及工艺性能等,本文主要介绍一下材料的力学性能。

 

金属材料的力学性能,是指金属材料在受到不同性质的载荷作用时,所表现出来的性能,它包括:强度、硬度、塑性、韧性和抗疲劳强度等性能指标。

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  强度  

相信大家对材料的强度这个词是耳熟能详了,平常中听的最多的也是这个。由于载荷的不同,强度也分为:抗拉、抗压、抗剪、抗扭、抗弯曲五种。我们所要关注的为抗拉强度,其他四种强度与抗拉强度存在一定的关系,可以用抗拉强度来推测。

从泰坦尼克号的沉没——谈材料力学性能

图1 拉伸曲线

 

图1为材料进行拉伸试验时得到的曲线,这里我们不展开详细描述,需要的注意的是以下几点:

 

1. 脆性材料和塑性材料差异。

图1中曲线为塑性材料的拉伸曲线,对于脆性材料(没有明显屈服现象),将产生规定残余伸长率为0.2%时的应力值作为该材料的屈服强度,以σ0.2表示。

 

 

2. 计算时用屈服强度?#25925;强?#25289;强度。

若不允许发生过量的塑性变形,以屈服强度σσ0.2 为依据;若零件在使用时只要求不发生破坏,以抗拉强度σb 来设计。

 

 

3. 手册?#32454;?#20986;的强度值是否可以直接使用。

一般的设计手册中给出的强度值为采用标准试棒拉伸得到的。这个标准试棒?#26412;?#19968;般较小,通常16mm,而且表面粗糙度较好,没有应力集中区域。?#34892;?#25163;册上针对不同的?#26412;?#27573;,也给出了相应的强度值,但是依然比较笼统。正因如此,在中国通常我们使用“许用强度/应力”,它实际上是试棒试验的强度除以一个安全系数得到的数值。手册?#32454;?#20986;的许用值通常会比较保守。如果需要精确计算,则需要考虑更多的因素,如尺寸大小、应力集中、表面处理、粗糙度等等,DIN743是个不错的参考资料。

 

 

4. 疲劳强度与抗拉强度的关系。

一般情况下,弯曲疲劳极限σbw=0.5σB,拉压疲劳极限σzdw=0.4σB,扭转疲劳极限σtw=0.3σB

 

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  硬度  

硬度是指,金属表面上局部体积内抵抗塑性变形和破坏的能力。通常在做材料检测时,我们会打一下硬度,进而判断材料性能的?#27809;怠?#23454;际上,硬度和强度并没有严格对应换算关系,虽然?#34892;?#26631;准给出了这种对应关系,它只能说是大量实验得出的一种粗略换算关系。那为什么我们要用硬度呢?因为硬度检测设备简单,操作起来也比较方便,最重要的是它可以在不破坏零件的情况下进行测量。虽然和强度不能一一对应,但是大体上可以对材料进行判断。

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(a)布氏硬度测量(HB);(b)维氏硬度测量(HV);(c)洛氏硬度测量(HR)

图2 常用的硬度测试方式

 

图2给出了三种硬度测试原理的示意图,更多信息大家可以通过教材得以了解。下面我们看一下需要注意的地方:

 

1. 为什?#20174;行?#30828;度的用HBW, HBS, HRA, HRB, HRC等来表示。

后缀字母的区别是由于采用压头的材料或标度不一样。不同的后缀测定的硬度?#27573;?#26159;不一样的,适用的材料也是不一样的,需要注意。

 

 

2. 这三种硬度测试方法,什么时候应用什?#20174;?#24230;?

 

  • 布氏硬度 (HB):适用于硬度?#31995;?#21644;尺寸较大的材料,示值重复性好,一般不用于成品件测量。

     

  • 洛氏硬度 (HR):压痕小,可用于成品件,较薄件的硬度测量,而且测量硬度?#27573;?#24191;,但示值重复性较差,需多点取平均值,淬火钢硬度的测量多用洛氏硬度。

     

  • 维氏硬度 (HV):可测量的硬度?#27573;?#26368;广,而且不受试验力大小的影响,可用于测较薄的硬化层测量,但是由于其对试样和操作者要求?#32454;擼?#30446;前主要集中用于实验室中对材料研究以及科学试验方面。

 

表1 布氏硬度和抗拉强度的换算关系

从泰坦尼克号的沉没——谈材料力学性能

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  塑性  

塑性是指,材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。良好的塑性有利于金属材料的冷冲压成型加工,材料塑性好不好,通常我们通过伸长率δ 和端面收缩率ψ 两个指标来衡量。当δ>ψ 时,无缩?#20445;?#20026;脆性材料表征;当ψ>δ 时,有缩?#20445;?#20026;塑性材料表征。更多信息这里就不展开了,我们来看?#20174;?#20851;塑性的问题:

 

1. 材料塑性的意义是什么。

 

  • 安全:防止产生突然破坏;

     

  • 缓和:应力集中;

     

  • 轧制:?#36153;?#31561;冷加工已变形,放开裂。

 

2. 材料塑性与强度的关系。

强度和塑性是一对矛盾的性能指标,要想提高强度就要牺牲一部分塑性,?#31895;?#25913;善塑性就必须牺牲一部分强度。不过可以通过热处理,改善材料的金相组织来同时提高强度和塑性。

 

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  韧性  

我们实际中用到的很多零?#32771;?#26377;时会受到一个突然间的外力作用,我们称之为冲击载荷。在冲击载荷的情况下,材料不仅要有?#32454;?#30340;强度和硬度,还要有足够的韧性,以防止冲击带来的破坏。

 

正像文章的标题提到的,泰坦尼克号的沉没就是由于材料的冲击韧性不达标造成。这?#20197;?#34987;称作为“永不沉没的船”和“?#20301;?#20043;船”的豪轮,在其处女航时和冰川?#37319;现?#21518;开?#35759;?#36827;水沉没。

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图4 摆锤冲击试验

 

材料的冲击韧性指标Ak 通常采用摆锤式的冲击功试验来验证,材料的Ak 值随温度的降低而减小,?#20197;?#26576;一温度?#27573;?#20869;,Ak 值发生?#26412;?#38477;低,这种现象称为冷脆,此温度?#27573;?#31216;为“韧脆转变温度Tk

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图5 温度对冲击功的影响

 

Ak 值受到多种因素的影响,这里不作展开。考虑以下几个问题:

 

1. 什么时候需要做冲击功试验?

如果零?#32771;?#23454;际使用工况中存在冲击性载荷,或在低温状态下使用时需要考虑冲击试验。冲击试验的温度根据实?#26159;?#20917;选择,一般温度越低,冲击韧性越差。

 

 

2. Ak 值大的是不是一定比Ak 值小的冲击韧性好?

Ak  值是将零?#32771;?#20570;成一定试样后来确定的,如果仅仅给出了Ak  值,但没有标明试样的类型和尺寸,其Ak  值是不能直接比较的。

 

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  疲劳  

处在交变应力下的零?#32771;?#22312;其应力值低于材料的抗拉强度,甚至有时低于屈服极限?#26412;?#21457;生断裂,我们称之为疲劳。下?#22025;?#30130;劳曲线图。

 

从泰坦尼克号的沉没——谈材料力学性能

图6 疲劳曲线图

 

影响材料的疲劳极限的因素有很多,包括:内在的材料本身的表面特征和内部缺陷,以及外部载荷力大小,循环次数等。一些内在的因素我们可以通过设计和制造工艺控制来提高,改善材料的疲劳应力。考虑以下问题:

 

1. 计算中疲劳应力如何取?

在前面第一部分中,我们简要的提到了疲劳强度和抗拉强度的关系。这只是一个粗略的关系,精确计算疲劳极限时还要考虑很多因素。另外如果我们可以计算其循环次数,则我们可以适当根据循环次数和疲劳曲线图选择较大的疲劳极限值,而不是一直用永久疲劳极限值。

 

 

2. 有哪些措施可以改善疲劳强度?

 

  • 设计中避免尖角,缺口和截面突变;

     

  • 提高表面加工质量;

     

  • 表面强化处理,如淬火,喷丸等。

 
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来源:Internet

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