金属材料的力学性能

1、第第1 1章章 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 金属材料的力学性能是指在承受各种金属材料的力学性能是指在承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时，对变形与断冲击、交变应力等）时，对变形与断裂的抵抗能力及发生形变的能力。裂的抵抗能力及发生形变的能力。 常用的力学性能有：常用的力学性能有：强度强度、刚度刚度、弹、弹性、性、塑性塑性、硬度硬度、冲击韧性及、冲击韧性及疲劳极疲劳极限等限等。上图中上图中d d0 0为试样的直径，为试样的直径，L L0 0为标距长度。按国家标准，拉伸试样为标距长度。按国家标准，拉伸试样有长试样（有长试样（L L

2、0 01010d d0 0）和短试样（）和短试样（L L0 05 5d d0 0）两种。）两种。1.1 1.1 强度与塑性强度与塑性1.1.1 1.1.1 拉伸试验与拉伸曲线拉伸试验与拉伸曲线 1.拉伸试验HT-2402-100KN电脑电脑伺服控制材料实验机伺服控制材料实验机 拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象（一）弹性与塑性（一）弹性与塑性弹性：金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能回复其弹性：金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能回复其 原来形状的性能，叫做弹性。原来形状的性能，叫做弹性。弹性变形：随着外力消失而消失的变形，叫做弹性变形。弹性变形：随着外力消失而消失的变形，叫

3、做弹性变形。塑性：金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致引起破坏的塑性：金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致引起破坏的 性能叫做塑性。性能叫做塑性。塑性变形：在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形，叫做塑性变形：在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形，叫做 塑性变形。塑性变形。2.拉伸曲线FF （2 2）塑性变形）塑性变形: : 材料在外力作用下材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形产生永久的不可恢复的变形，称，称为为塑性变形塑性变形。FFF2.拉伸曲线(3)(3)应力应变曲线应力应变曲线（ - - 曲线曲线）： 形状和拉伸曲线相同，单位不同。(1)(1)应力应力 ：单位面积上试样

4、承受的载荷。单位面积上试样承受的载荷。F F = S S 0( M pa )( M pa )F:F:载荷载荷( ( N )N )S S 0: :原始横截面积原始横截面积( ( mmmm2 2) )(2)(2)应变应变：单位长度的伸长量。单位长度的伸长量。l= =l 0l：伸长量伸长量( (mm )mm )l 0：原始长度：原始长度( ( mm)mm)下图是低碳钢的力下图是低碳钢的力- -伸长曲线，图中纵坐标表示力拉伸伸长曲线，图中纵坐标表示力拉伸 力力F F，单，单位为位为N N；横坐标表示绝对伸长量；横坐标表示绝对伸长量ll ，单位为，单位为mmmm。当载荷不超过当载荷不超过F Fe e 时

5、，拉伸曲线时，拉伸曲线OEOE为一斜直线，即试样的伸长量为一斜直线，即试样的伸长量与拉伸力（载荷）成正比。如果卸除拉伸力，试样能完全与拉伸力（载荷）成正比。如果卸除拉伸力，试样能完全 恢复恢复到原来的形状和尺寸，材料处于弹性变形阶段。到原来的形状和尺寸，材料处于弹性变形阶段。2.2.拉伸曲线拉伸曲线 当拉伸力超过当拉伸力超过F Fe e后，试样将进一步伸长，此时若卸除拉后，试样将进一步伸长，此时若卸除拉伸力，试样不能恢复到原来的形状，这种拉伸力消失后仍继伸力，试样不能恢复到原来的形状，这种拉伸力消失后仍继续保留的变形叫做塑性变形。当拉伸力达到续保留的变形叫做塑性变形。当拉伸力达到F Fs s时

6、，拉伸力不时，拉伸力不增加，试样的变形仍继续进行，这种现象称为屈服。当拉伸增加，试样的变形仍继续进行，这种现象称为屈服。当拉伸力继续增加到力继续增加到 某一最大值某一最大值F Fb b时，试样的局部截面缩小，产生时，试样的局部截面缩小，产生 “ “缩颈缩颈”现象。此后，变形主要现象。此后，变形主要 集中在缩颈处，所能承受的集中在缩颈处，所能承受的拉拉 伸力迅速下降，达到伸力迅速下降，达到F Fk k时，试样在缩颈处断裂。时，试样在缩颈处断裂。 2.2.拉伸曲线拉伸曲线2.拉伸曲线45钢铝青铜35钢硬铝纯铜二、通过二、通过拉伸试验拉伸试验测得的性能指标测得的性能指标刚度、刚度、 强度强度屈服强度

7、屈服强度抗拉强度抗拉强度塑性塑性伸长率伸长率断面收缩率断面收缩率弹性模量弹性模量E E ：表示引起单位变形时所：表示引起单位变形时所需要的应力。即材料的需要的应力。即材料的E E越大，产生越大，产生的弹性变形越小，刚度越大。的弹性变形越小，刚度越大。 E E值主要取决于材料的本性值主要取决于材料的本性; ; 提高刚度的方法是增加横截面积或提高刚度的方法是增加横截面积或改变截面形状。改变截面形状。= E = E e e1.1.2 1.1.2 刚度刚度刚度刚度 表征金属材料抵抗弹性变形的能力。表征金属材料抵抗弹性变形的能力。a.a.屈服点、屈服强度：屈服点、屈服强度：表征金属材料对产生明表征金属材

8、料对产生明 显塑性变形的抗力。显塑性变形的抗力。屈服点是指在外力作用下开是指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小始产生明显塑性变形的最小应力，用应力，用S S表示。表示。okb FsFss l () F(F() ) FbFbe FeFep FpFp低碳钢的力低碳钢的力- -伸长曲线伸长曲线屈服现象：屈服现象：S S点点S S =F =FS S/S/S0 0 (N/mm (N/mm2 2 = =MpaMpa) )强度强度 金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形和断金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形和断 裂的能力。裂的能力。1.1.3 1.1.3 强度强度1.1.屈服强度和规定残余伸长强度屈服强

9、度和规定残余伸长强度当载荷增达到当载荷增达到s s点时，拉伸曲线出现了平台，即试样所承受的载点时，拉伸曲线出现了平台，即试样所承受的载荷几乎不变，但塑性变形不断增加，这种现象称为屈服。荷几乎不变，但塑性变形不断增加，这种现象称为屈服。 屈服点是指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力。屈服点是指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力。用用s s表示。表示。 计算公式:s=FsS0 应用：制作机械零件和工应用：制作机械零件和工程构件时的选材和设计的依据程构件时的选材和设计的依据。1.1.3 1.1.3 强度强度强度强度 金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形和断金属材料在静载荷作用下，抵抗

10、塑性变形和断 裂的能力。裂的能力。对于没有明显屈服现象发生的对于没有明显屈服现象发生的金属材料，产生金属材料，产生规定残余伸长规定残余伸长率为率为0.2%0.2%时的应力值时的应力值作为该材作为该材料的屈服强度，以料的屈服强度，以0.20.2表示。表示。0.20.2= F= F0.2 0.2 / S / S0 0 2.2.抗拉强度：抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力试样在断裂前所能承受的最大应力。 选用原则：若不允许发生过量的塑选用原则：若不允许发生过量的塑性变形，以性变形，以屈服强度屈服强度S S 、0.20.2为依为依据；若零件在使用时只要求不发生据；若零件在使用时只要求不发生破坏，

11、以破坏，以抗拉强度抗拉强度来设计。来设计。ssbbee衡量指标衡量指标 断后伸长率和断面收缩率断后伸长率和断面收缩率塑性塑性 金属材料在静载荷作用下产生塑性变形而不致金属材料在静载荷作用下产生塑性变形而不致 引起破坏的能力引起破坏的能力1.1.4 1.1.4 塑性塑性1.1.伸长率（伸长率（ ）l1-l0l0100%=l1试样拉断后的标距试样拉断后的标距, ,mm;l0试样的原始标距试样的原始标距, ,mm。试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。2.2.断面收缩率（断面收缩率（ ）S0-S1S0=100%S0试样原始横截面积试样原始横截面积, ,m

12、m2；S1颈缩处的横截面积颈缩处的横截面积, ,mm2 。、越大，材料塑性越好。越大，材料塑性越好。试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。截面积的百分比。说明：说明：直径直径d d0 0 相同时，相同时，l l0 0 ， 。只有当。只有当l l0 0/d/d0 0 为常数时，为常数时，塑性值才有可比性。塑性值才有可比性。 当当l l0 0=10d=10d0 0 时，伸长率用时，伸长率用 表示；表示； 当当l l0 0=5d=5d0 0 时，伸长率用时，伸长率用 5 5 表示。显然表示。显然 5 5 用面缩率表示塑性比伸长率更接近

13、真实变形。用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。 时，无颈缩，为脆性材料表征时，无颈缩，为脆性材料表征 10N107 7 不疲劳破坏不疲劳破坏 2 2 疲劳强度疲劳强度 许多零件如曲轴、齿轮、连杆、弹簧等在交变载荷作用下工作，发生断裂时的应力远低于该材料的屈服强度，这种现象叫疲劳破坏。据统计，80%机件失效是由于疲劳破坏。 疲劳强度金属材料在无数次交变载荷作用下而不致于引起断裂的最大应力。材料的疲劳强度通常在旋转对称弯曲疲劳试验机上测定疲劳曲线,即交变应力与断裂前的循环次数N之间的关系。有色金属N108，钢材N107 不疲劳破坏 疲劳曲线疲劳破坏原因: 材料有杂质,表面划痕,能引起应力集中（

14、指受力构件由于几何形状、外形尺寸发生突变而引起局部范围内应力显著增大的现象）,导致微裂纹,裂纹扩展致使零件不能承受所加载荷突然破坏.疲劳试验原理示意图疲劳试验原理示意图钢铁材料：钢铁材料：N=10N=107 7次次 有色金属：有色金属：N=10N=108 8次次 疲劳曲线疲劳曲线 循环次数循环次数N N1.4.3 1.4.3 提高疲劳极限的途径提高疲劳极限的途径1 1）在零件结构设计中尽量避免尖角，缺口和截面）在零件结构设计中尽量避免尖角，缺口和截面 突变，以免产生应力集中而由此产生疲劳裂纹；突变，以免产生应力集中而由此产生疲劳裂纹；2) 2) 提高零件表面加工质量，减少疲劳源；提高零件表面加

15、工质量，减少疲劳源；3) 3) 采用各种表面强化处理，如表面淬火、喷丸等。采用各种表面强化处理，如表面淬火、喷丸等。 三三、金属材料的性能：金属材料的性能：1、使用性能：、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。能、物理性能和化学性能。物理性能：密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、物理性能：密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性。如，飞机上使用的零件要求比重轻；电机、电磁性。如，飞机上使用的零件要求比重轻；电机、电器用零件要考虑导电性，器用零件要考虑导电性， 等等。等等。化学性能：室温或高温时抵抗各种化学作用的能力，化学性能：室温或高温时抵抗各种化学作用的能力，也称化学稳定性，也称化学稳定性， 包括耐酸性、耐碱性、抗氧化性等包括耐酸性、耐碱性、抗氧化性等等。如，化工设备、医疗器械要求化学稳定性好。等。如，化工设备、医疗器械要求化学稳定性好。同时，各种金属材料存在各不相同的使用性能。因此：同时，各种金属材料存在各不相同的使用性能。因此：1 1）我们必须首先熟悉各种金属材料的主要性能。）我们必须首先熟悉各种金属材料的主要性能。2 2）才能根据不同的技术要求，选择合适的金属材料。）才能根据不同的技术要求，选择合适的金属材料。 比如：比