第二讲 金属的力学性能

1、第2章 金属的力学性能金属工艺学第2章 金属的力学性能 金属的力学性能是指金属在不同环境因素的行为。这种行为通常表现为金属的变形和断裂。因此，金属材料的力学性能可以表述为金属抵抗（温度、介质）下，承受外加载荷作用时所表现外加载荷引起的变形和断裂的能力。 金属的力学性能是设计和制造机械零件或工具的主要依据，也是评定金属材料质量的重要判据。当外加载荷的性质、环境因素不同时，对金属材料要求的力学性能也将不同。常用的力学性能主要有：强度、塑性、硬度、韧度和疲劳等。第2章 金属的力学性能金属工艺学 2.2.1 1 强度与塑性强度与塑性 强度是指金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。塑性是金属材料

2、在外力作用下，产生变形而不破坏的能力。 强度和塑性的判据通过拉伸试验测定。拉伸试验是指在静拉伸力作用下，对试样进行轴向拉伸，直到拉断。通过拉伸试验绘制出力伸长曲线，计算出强度和塑性的性能指标。第2章 金属的力学性能金属工艺学拉伸试验第2章 金属的力学性能金属工艺学 第2章 金属的力学性能金属工艺学第2章 金属的力学性能金属工艺学 1.弹性极限试样产生完全弹性变形时所能承受的最大拉应力。2.屈服点试样在试验过程中力示增加（保持恒定）仍能继续伸长（变形）时 的应力。3.抗拉强度试样拉断前所能承受的最大应力值。MPaSFss0MPaSFbb0MPaSFee0第2章 金属的力学性能金属工艺学 2.1.

3、2 塑性的主要指标 塑性是指断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。 1.断后伸长率试样拉断后标距的伸长量与原始标距的百分比，用符号表示。即 式中 l1试样拉断后对接的标距长度； l 0试样原始标距长度。 100100%lll第2章 金属的力学性能金属工艺学 拉伸试样的原始标距l0与原始直径d0之间通常有一定的比例关系。l0=10d0时，称为长试样；l0=5d0时，称为短试样。使用长试样测定的断后伸长率用符号10表示，通常写成；使用短试样测定的断后伸长率用符号5表示。同一种材料的短试样断后伸长率5大于长试样断后伸长率10。第2章 金属的力学性能金属工艺学 2.断面收缩率试样拉断后，缩颈处横截面积的

4、最大缩减量与原始横截面积的比值，用符号表示。即 式中 S0试样原始横截面积； S1试样拉断后缩颈处最小横截面 积。 断面收缩率不受试样尺寸的影响，比较确切地反映了金属材料的可塑性。010100%SSS第2章 金属的力学性能金属工艺学 2.2 2.2 硬硬 度度 硬度是衡量金属材料软硬程度的指标。是指金属抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。 硬度是各种零件和工具必须具备的力学性能指标。机械制造业中所用的各种刃具、量具、模具都应具备足够的硬度，才能满足使用性能的要求和寿命。机械零件中的齿轮、凸轮、曲轴等也必须具备一定的硬度，以保证足够的耐磨性。 第2章 金属的力学性能金属工艺学 硬度是

5、一项综合力学性能指标，它既反映了金属材料的硬度（抵抗局部塑性变形的能力），也反映了金属材料的塑性（压痕的大小或深浅）。硬度试验和拉伸试验都是在静载荷作用下进行的，但硬度试验在生产中应用更为广泛。拉伸试验属于破坏性试验，测定方法比较复杂。硬度试验则简便快速，基本上不损伤金属材料，甚至不需要做专门的试样，可以直接在工件上测试。因此，常常把硬度指标作为技术要求标注在零件工作图上。 测试硬度的方法较多，常用有的布氏硬度试验法、洛氏硬度试验法和维氏硬度试验法三种。第2章 金属的力学性能金属工艺学 2.2.1 2.2.1 布布 氏氏 硬硬 度度 用直径为D的硬质合金球，在规定试验力F的作用下压入被测试金属

6、的表面，保持规定时间后卸除载荷，测量试样表面压痕的直径d，用压痕单位面积的平均压力（F/S）表示为布氏硬度值。用符号HBW表示： 式中 F试验力（N） D球体直径（mm） d压痕平均直径（mm）2220.102()FHBWD DDd第2章 金属的力学性能金属工艺学布氏硬度试验原理图第2章 金属的力学性能金属工艺学 布氏硬度习惯上只写明硬度的数值而不标出单位。符号HBW前面的数值为硬度值，符号后面的数值表示试验条件的指标，依次为球体直径、试验力大小及试验力保持时间（10 15s时不标注）。例如：600 HBW1/30/20表示用直径为1mm的硬质合金小球，在294N（30kgf）试验力作用下保持

7、20s，测得的布氏硬度值为600。第2章 金属的力学性能金属工艺学 在进行布氏硬度试验时，应根据被测试金属材料的种类和试样厚度，选择不同大小的球体直径D、施加载荷F和载荷保持时间。按GB/T 231.12002规定，球体直径有10mm、5mm、2.5mm和1mm四种；试验力（单位N）与球体直径平方的比值（0.102F/D2）有30、15、10、5、2.5和1共6种（可根据金属材料的种类和布氏硬度范围，按表2.1选定0.102F/D2值）；试验力的保持时间为10 15S。对于要求试验力保持较长时间的材料，试验力保持时间允许误差为2S。第2章 金属的力学性能金属工艺学 当试验力F与球体直径D选定时

8、，硬度值只与压痕直径d有关。d愈大，则布氏硬度值愈小；反之，d愈小，硬度值愈大。实际测量时，用刻度放大镜测出压痕直径d，然后根据d值查表，即可求得所测的硬度值。 布氏硬度试验法因压痕面积较大，能反映出较大范围内被测金属的平均硬度，故试验结果较精确。但因压痕较大，所以不宜测试成品或薄片金属的硬度。第2章 金属的力学性能金属工艺学 HB-3000 HB-3000型布氏硬度计型布氏硬度计 本硬度计采用了电子换向开关，可用来测定未经淬火钢、铸铁、有色金属及质地较软的轴承合金材料的布氏硬度。主要技术规格测量范围：8-450HBS，8-650HBW试验力：1.839、2.452、7.355、9.807、2

9、9.42千牛顿（187.5、250、750、1000、3000公斤力）试样允许最大高度：230毫米压头中心至机壁距离：120毫米第2章 金属的力学性能金属工艺学 TH600布氏硬度计采用布氏硬度(BRINELL)测量原理，可进行布氏硬度测量，适用于未经淬火钢、铸铁、有色金属及质地较软的轴承合金等材料。具有测试精度高，测量范围宽，试验力自动加载、自动保持计时、自动卸载等特点。可广泛应用于计量、机械制造、冶金、建材等行业的检测、科研与生产。第2章 金属的力学性能金属工艺学 2.2.2 2.2.2 洛洛 氏氏 硬硬 度度 金属洛氏硬度试验是目前工厂中应用最广泛的试验方法。它是用一个顶角120的金刚石

10、圆锥体或一定直径的钢球或硬质合金球为压头，在规定试验力作用下压入被测试金属表面，由压头在金属表面所形成的压痕深度来确定其硬度值。第2章 金属的力学性能金属工艺学 0-0为圆锥压头的初始位置，1-1为在初试验力作用下，压头压入深度为h1；2-2为在总试验力（初试验力+主试验力）作用下，压头压入深度为h2时的位置；3-3为卸除主试验力后，由于被测金属弹性变形恢复，而使压头略为提高时的位置。这时，压头实际压入试样的深度为h3。故由主试验力引起的塑性变形而产生的残余压痕深度h= h3- h1，并以此来衡量被测试金属的硬度。第2章 金属的力学性能金属工艺学 第2章 金属的力学性能金属工艺学 显然，h愈大

11、时，被测试金属的硬度愈低；反之，则愈高。为了照顾习惯上数值愈大，硬度愈高的概念，根据h值及常数N和S，用下式计算洛氏硬度： 洛氏硬度N - h/S式中 N给定标尺的数值，A、C标尺为 100；B标尺为130。 S给定标尺的单位，通常取0.002mm； h残余压痕深度mm。第2章 金属的力学性能金属工艺学 洛氏硬度计洛氏硬度计 500MRD LED 数显，硬度转换，内置打印机和数据输出 LED数显15种洛氏标尺硬度值 转换至各种硬度标尺，如维氏和布氏 LED显示各标尺的总试验力，确保选择相应的试验力 坚固的构造，刚性好 内置打印机打印输出测试数据和统计数据 精确，可靠，耐久 外置式试验力选择旋钮

12、，操作简单 测试空间大，可放置较大的试样 精度符合EN-ISO 6508和ASTM E-18 标准配置齐全，可满足所有标尺的测试要求第2章 金属的力学性能金属工艺学洛氏硬度试验原理图第2章 金属的力学性能金属工艺学 第2章 金属的力学性能金属工艺学 第2章 金属的力学性能金属工艺学 为了能用同一硬度计测定从极软到极硬材料的强度，可采用不同压头和试验力，组成了几种不同的洛氏硬度标尺。其中常用的是A、B、C三种标尺。表2.2列出这三种标尺的试验条件和应用范围（GB/T230.12004）。 洛氏硬度值为一无名数，A、C标尺用洛氏硬度值、符号HR和使用的标尺字母表示。例如，50HRC表示用C标尺测定

13、的洛氏硬度值为50；B标尺用洛氏硬度值、符号HR、使用的第2章 金属的力学性能金属工艺学 标尺和球压头代号（钢球为S、硬质合金为W） 表示。例如：60HRBW表示用硬质合金球压头在B标尺上测得的洛氏硬度值为60。实际测量时，硬度值一般均由硬度计的刻度盘上直接读出。 洛氏硬度试验法的优点是操作迅速简便，由于压痕较小，故可在工件表面或较薄的金属上进行试验。同时，采用不同标尺，可测出从极软到极硬材料的硬度。其缺点是因压痕较小，对组织比较粗大且不均匀的材料，测得的硬度不够准确。第2章 金属的力学性能金属工艺学 2.2.32.2.3 维维 氏氏 硬硬 度度 维氏硬度的试验是用一个相对面夹角为136的金刚

14、石正四棱锥体压头，在规定试验力F作用下压入被测试金属表面，保持一定时间后卸除试验力，然后再测量压痕投影的两对角线的平均长度d，进而计算出压痕的表面积S，试验力除以压痕表面积所得的商作为被测试金属的硬度值，称为维氏硬度，用符号HV表示。第2章 金属的力学性能金属工艺学 维氏硬度试验第2章 金属的力学性能金属工艺学 数显维氏硬度计 LCD菜单式操作 洛氏和布氏标尺转换 符合EN-ISO 6507标准 内置打印机和RS232接口 应用范围 渗碳层、陶瓷、 钢、有色金属、薄板、金 属薄片、电镀层、微小物 体、材料强度，热处理， 碳化层、脱碳层和淬火 硬化层的深度 维氏硬度计450-SVD 数字式自动压

15、痕测量编码器及LCD数字显示屏第2章 金属的力学性能金属工艺学 与布氏硬度值一样，维氏硬度习惯上也只写出其硬度数值而不标出单位。在硬度符号HV之前的数值为硬度值，HV后面的数值依次表示试验力值（单位为kgf）和试验力保持时间（保持时间为1015S时不标柱）。例如640HV30，表示在试验力为294.2N下，保持1015S测得的维氏硬度为640。640HV30/20表示在试验力为294.2N下，保持20S测得的维氏硬度值为640。第2章 金属的力学性能金属工艺学 维氏硬度试验常用的试验力有49.03N、98.07N、196.1N、294.2N、490.3N、980.7N等几种。试验时，试验力F应

16、根据试样的软硬程度与厚度来选择。一般当试样条件允许的情况下，尽可能选用较大的试验力。以获得较大的压痕，提高测量精度。 实际测量时，用装在机体上的测量显微镜测出压痕投影的两对角线平均长度d，然后根据d的数值查表（GB-T 43401999），求得所测得硬度值。第2章 金属的力学性能金属工艺学 维氏硬度试验的优点是试验时所加载荷小，压入深度浅。适于测试零件表面淬硬层及化学热处理的表面层（如渗碳层、渗氮层等）。同时维氏硬度是一个连续一致的标尺，试验时载荷可任意选择，而不影响其硬度值的大小。因此可测定从极软到极硬的各种金属的硬度。 维氏硬度试验法的缺点是其硬度值的测定较麻烦，工作效率不如测定洛氏硬度高

17、，而且对试样的表面质量要求较高。第2章 金属的力学性能金属工艺学 2.3 2.3 冲击韧度与疲劳极限冲击韧度与疲劳极限 强度、塑性、硬度都是在静载荷作用下测定的力学性能指标，而工程实际中许多零件和工具在工作时往往受到冲击载荷的作用，如内燃机的活塞销与连杆、冲床的冲头、锻锤的锤杆、风动工具等。还有些零件，如发动机曲轴、齿轮、弹簧及滚动轴承等都是在变动载荷下（交变应力或重复应力）工作。因此对这些零件和工具，仅具有足够的静载荷指标是不够的，还必须具有足够的抵抗冲击载荷和交变载荷的能力。第2章 金属的力学性能金属工艺学1.金属夏比试验第2章 金属的力学性能金属工艺学 将被测材料制成标准U型或V型试样，

18、缺口背向摆锤冲击方向，摆锤举至h1 高度，然后自由落下，冲断试样升至高度 h2 。摆锤冲断试样所消耗的能量，即试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的功。 A = m g h1 - m g h2 = m g （h1 - h2） J 冲击试样缺口底部处单位横截面积上的冲击吸收功，称为冲击韧度。 k = Ak /SN J/cm2 冲击吸收功 Ak 作为材料韧性判据。 冲击吸收功与温度、试样形状、尺寸、表面粗糙度、内部组织和缺陷有关。第2章 金属的力学性能金属工艺学第2章 金属的力学性能金属工艺学 2.韧脆转变温度 金属材料的冲击吸收功与冲击试验温度有关。在一系列不同温度的冲击试验中，测绘的冲击吸收

19、功与试验温度的关系 曲线，称为冲 击吸收功-温度 曲线，如图2.7 所示。 第2章 金属的力学性能金属工艺学 有些金属材料的冲击吸收功-温度曲线，具有明显的上平台区、下平台区和过渡区三部分。冲击吸收功急剧变化或断口韧脆急剧转变的温度范围，称为韧脆转变温度。 金属材料的韧脆转变温度较低时，表示其低温冲击韧性较好。韧脆转变温度较高的金属材料，不宜在高寒地区使用，以免在冬季金属结构发生脆断现象。第2章 金属的力学性能金属工艺学 2.3.2 2.3.2 疲疲 劳劳 疲劳是指金属材料在循环应力和交变应力作用下，局部产生永久性积累损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生断裂的过程。循环应力是指应力的大小、

20、方向，或大小和方向都随时间发生周期性变化的一类应力。应力值通常小于材料的屈服点。工作中循环次数达到一定数值后，发生突然断裂。这种现象称为疲劳断裂。疲劳断裂与在静载荷作用下的断裂不同，不管是脆性材料还是韧性材料，疲劳断裂都是突然发生的，事先均无明显的塑性变形，很难觉察到，危险性大，甚至造成严重事故。据统计，大部分损坏的机械零件都属于疲劳破坏。第2章 金属的力学性能金属工艺学 材料在指定循环基数下不产生疲劳断裂所能承受的最大应力。第2章 金属的力学性能金属工艺学 实际的疲劳强度值，规定钢进行1106107次，有色金属进行11071108次交变循环而不发生疲劳破坏时的最大应力值，即为该材料的疲劳强度-1。疲劳强度与抗拉强度之间存在一定的比例关系，如碳素钢-1 （0.40.55） b ，灰铸铁-1 0.4b ，有色金属-1 （0.30.4） b。 疲劳破坏的原因：应力集中微裂纹扩展断裂破坏。 避免措施：改善内部组织、外部形状和表面状态，减小和避免应力集中，表面强化处理和减小表面粗糙度值。第2章 金属的力学性能金属工艺学 产生疲劳的原因一般认为是