金属材料的力学性能

1、2021/6/161舒文鑫舒文鑫随州职院随州职院 汽车与机电工程学院汽车与机电工程学院22021/6/16第一篇第一篇 第二篇第二篇 目目 录录32021/6/1642021/6/16本篇内容n绪绪 论论n第第1 1章章 工程材料的性能工程材料的性能n第第2 2章章 金属材料的晶体结构与结晶金属材料的晶体结构与结晶n第第3 3章章 钢的热处理钢的热处理n第第4 4章章 钢铁材料钢铁材料n第第5 5章章 非金属材料与粉末冶金材料非金属材料与粉末冶金材料n第第6 6章章 非金属材料非金属材料52021/6/16绪绪 论论62021/6/16 石器石器 青铜器青铜器 铁器铁器 钢铁、钢铁、 铝合金铝

2、合金 复合材料、钛镁金属、纳米材料复合材料、钛镁金属、纳米材料72021/6/1682021/6/16 92021/6/16青铜青铜兵器兵器102021/6/16 112021/6/16 122021/6/16 132021/6/16中国第一颗人中国第一颗人造卫星造卫星长征火箭大家族长征火箭大家族中国第一颗原子弹爆炸中国第一颗原子弹爆炸中国第一颗氢弹爆炸中国第一颗氢弹爆炸 142021/6/16镁合金方镁合金方向盘骨架向盘骨架镁合金汽镁合金汽缸盖缸盖镁合金汽镁合金汽车轮毂车轮毂152021/6/16 162021/6/16工程材料工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主要要求力学是用于制造工程

3、结构和机械零件并主要要求力学性能的结构的材料。性能的结构的材料。高分子材料高分子材料 （塑料、橡胶、胶粘剂等）（塑料、橡胶、胶粘剂等）陶瓷材料陶瓷材料 （陶瓷、玻璃、玻璃陶瓷等）（陶瓷、玻璃、玻璃陶瓷等）黑色金属黑色金属 （ 钢、铁）钢、铁）有色金属：有色金属：除钢铁之外的其他金属及其合金。除钢铁之外的其他金属及其合金。（铜及其合金、铝及其合金）（铜及其合金、铝及其合金）金属基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料高分子复合材料高分子复合材料172021/6/16182021/6/16？192021/6/16 性质：性质：金属材料是一门研究常用金属材料是一门研究常用工程材料坯工程材

4、料坯件及机件及机器零件器零件成形工艺原理成形工艺原理的综合性技术基础学科。的综合性技术基础学科。学习目的：学习目的： 为后续课程的学习打基础。培养选择材料、为后续课程的学习打基础。培养选择材料、选择零件结构、选择加工方法的能力。选择零件结构、选择加工方法的能力。要求了解和掌握要求了解和掌握 ：1.1.常用工程材料的性能特点；常用工程材料的性能特点；2.2.各种成形方法的原理、特点及适用范围；各种成形方法的原理、特点及适用范围；3.3.各种零件的结构工艺性。各种零件的结构工艺性。202021/6/16 掌握金属材料的掌握金属材料的强度强度和和塑性塑性的概念；的概念；掌握金属材料的掌握金属材料的疲

5、劳强度疲劳强度的概念；的概念；掌握金属材料掌握金属材料冲击韧性冲击韧性的概念；的概念；掌握材料掌握材料硬度硬度的概念和三种硬度表示方法；的概念和三种硬度表示方法；了解材料性能的表示方法。了解材料性能的表示方法。212021/6/16一、强度、塑性；一、强度、塑性；二、疲劳强度；二、疲劳强度；三、冲击韧性；三、冲击韧性；四、硬度四、硬度222021/6/16利用强度、硬度和塑性等指标综合评价材料利用强度、硬度和塑性等指标综合评价材料。强度、硬度、塑性和韧性的概念。强度、硬度、塑性和韧性的概念。232021/6/16242021/6/16具有金属光泽。具有金属光泽。具有较好的延展性，容易加工成型。

6、具有较好的延展性，容易加工成型。易导电、传热，是热和电的良导体。易导电、传热，是热和电的良导体。252021/6/16使用性能使用性能力学性能力学性能 ( (强度、硬度、塑性、韧性等强度、硬度、塑性、韧性等) )物理性能物理性能（指熔点、导热性、导电性、磁性等）（指熔点、导热性、导电性、磁性等）化学性能化学性能 ( (抗氧化性、抗腐蚀性等抗氧化性、抗腐蚀性等) )其它性能其它性能 ( (耐磨性、热硬性、消振性等耐磨性、热硬性、消振性等) )工艺性能工艺性能加工成形的性能加工成形的性能262021/6/16静载荷静载荷是指外力的大小和方向不变或变化很缓慢的载荷；冲击载荷冲击载荷是指突然增加的载荷

7、；疲劳载荷疲劳载荷则是指大小和方向随时间作周期性变化的载荷。 根据载荷作用性质不同 静载荷冲击载荷疲劳载荷是指材料在是指材料在外加载荷外加载荷作用下所表现出来的性能。作用下所表现出来的性能。272021/6/16工件在不同载荷形式下产生的变形变形 282021/6/16抗拉强度抗拉强度抗压强度抗压强度抗弯强度抗弯强度抗剪强度抗剪强度根据所加载荷形式的不同，强度表现为：根据所加载荷形式的不同，强度表现为：292021/6/16（金属的抗拉强度和塑性都是通过拉伸试验测定）（金属的抗拉强度和塑性都是通过拉伸试验测定）GB/T228-2002GB/T228-2002302021/6/16 d0L0长试

8、样长试样：L L0 0 =10 =10d d0 0 短试样短试样：L L0 0 =5 =5d d0 0 312021/6/16液压式万能电子材料试验机液压式万能电子材料试验机322021/6/16 e e 弹性极限点弹性极限点S S 屈服点屈服点b b 极限载荷点极限载荷点 （缩颈点）（缩颈点）K K 断裂点断裂点e 弹性极限弹性极限s 屈服点屈服点b 抗拉强度（强度极限）抗拉强度（强度极限）: 单位面积上的拉力单位面积上的拉力L:单位长度上的伸长量单位长度上的伸长量332021/6/16（1 1） 弹性变形阶段弹性变形阶段（oeoe段）段）（2 2） 塑性变形阶段塑性变形阶段（ebeb段、屈

9、服阶段和强化阶段）段、屈服阶段和强化阶段）（3 3） 断裂阶段断裂阶段（bkbk段）段）拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象342021/6/16弹性弹性: : 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。其原来形状的性能，叫做弹性。弹性变形弹性变形: : 随着外力消失而消失的变形，叫做弹性变形。随着外力消失而消失的变形，叫做弹性变形。塑性变形塑性变形: : 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。做塑性变形。352021/6/16s0.2bbe 低碳钢与

10、铸铁的应力应变曲线低碳钢与铸铁的应力应变曲线脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。362021/6/16强度强度：用于表征金属材料在外力作用下抵抗塑性变：用于表征金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力。形和破坏的能力。工程上常用的工程上常用的强度衡量指标强度衡量指标屈服点屈服点屈服强度屈服强度抗拉强度抗拉强度注意：一般多用抗拉强度作为判别金属强度高低注意：一般多用抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。的指标。372021/6/16对具有明显屈服现象的材料对具有明显屈服现象的材料用屈服点屈服点来表征材料对产生明显塑性变形明显塑性变形的抗力。屈服点就是指材料产

11、生屈服时的最小应力。如低碳钢。s0sFA 对无明显屈服现象的金属材料对无明显屈服现象的金属材料常用其产生0.2%塑性应变所对应的应力值作为名义屈服点，称为名义(条件)屈服强度，用 0.2表示。如高碳钢、铜合金、铝合金等。F0.2S00.2=（MPa）（MPa）条件屈服强度条件屈服强度: :屈服强度屈服强度 是塑性材料选材和评定的依据。是塑性材料选材和评定的依据。屈服点屈服点:382021/6/16脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。392021/6/16是指试样在拉断前所承受的最大应力。即：是指试样在拉断前所承受的最大应力。即：0bbAFbbF0A2mm式中

12、：式中：试样在拉断前所受到的最大载（试样在拉断前所受到的最大载（N）；）； 试样原始横截面积（试样原始横截面积（ ）。）。抗拉强度抗拉强度抗拉强度抗拉强度 是脆性材料选材的依据。是脆性材料选材的依据。（MPaMPa）402021/6/16屈强比屈强比（ s / b ）： 0.60.85 屈强比高，材料利用率越高； 屈强比低，零件的可靠性越高 综合考虑材料利用率和安全性注意：注意： 塑性变形中塑性变形中: s 2422021/6/16塑性塑性: 金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致引起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。破坏的性能。塑性的衡量（塑性指标）：伸长率塑性的衡量

13、（塑性指标）：伸长率 和断面收缩率和断面收缩率 。 、越高，材料的塑性越好越高，材料的塑性越好 10% 属塑性材料属塑性材料432021/6/16100L -L100%L是指试样拉断后的标距伸长量是指试样拉断后的标距伸长量 L L 1 1与原始标距与原始标距 L L 0 0之比。之比。用用 表示，即表示，即 是指试样拉断处横截面积是指试样拉断处横截面积A1的收缩量与原始横截面积的收缩量与原始横截面积A0之之比。比。用下式表示，即：用下式表示，即：%100AA-A010442021/6/16硬度的含义硬度的含义布氏硬度布氏硬度洛氏硬度洛氏硬度维氏硬度维氏硬度是指材料抵抗其它更硬物体压入其表面的能

14、力。即表是指材料抵抗其它更硬物体压入其表面的能力。即表示金属材料抵抗局部变形的能力。示金属材料抵抗局部变形的能力。硬度的表示方法硬度的表示方法常用的表示方法常用的表示方法压入法压入法划痕法划痕法回跳法回跳法452021/6/16 用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后，规定时间卸载后，测量材料表面压痕直径，测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值。以此计算出硬度值。 （1 1）布氏硬度测量原理）布氏硬度测量原理布氏硬度计462021/6/16淬火钢球淬火钢球 HBS HBS （硬度值硬度值 450450的材料

15、）的材料）硬质合金钢球硬质合金钢球 HBWHBW （硬度值硬度值450450650650的材料）的材料）（2）压头：）压头： （3）表示方法）表示方法例如：例如：350HBS 、 600HBW一般，一般，数字数字+布氏硬度符号或后面依次注明压头直径、实验力布氏硬度符号或后面依次注明压头直径、实验力以及保存时间。以及保存时间。单位为单位为MPa（通常不标明）（通常不标明） 472021/6/16布氏硬度的优点：布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。测量误差小，数据稳定。缺点：缺点：压痕大，不宜测量成品零件或薄件的硬度，以及比压头压痕大，不宜测量成品零件或薄件的硬度，以及比压头还硬的材料。还硬的材

16、料。布氏硬度适用于：布氏硬度适用于：常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火钢材的硬度。调质处理钢、原材料，毛坯。退火正火钢材的硬度。调质处理钢、原材料，毛坯。 当当HBS450 时有效（时有效（HBW450-650)（4）布氏硬度特点）布氏硬度特点482021/6/16用锥顶角为用锥顶角为120120的金刚石圆锥或直径的金刚石圆锥或直径1.588mm1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压的淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后卸入待测表面，保持规定时间卸载后卸除主试验力，以测量的残余压痕深度除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计

17、算出硬度值。增量来计算出硬度值。实际测量时，硬度值一般有硬度计的实际测量时，硬度值一般有硬度计的刻度盘上直接读出。刻度盘上直接读出。(1)(1)洛氏硬度测量原理洛氏硬度测量原理洛氏硬度计洛氏硬度计492021/6/16(2) (2) 洛氏硬度的分类及应用洛氏硬度的分类及应用502021/6/16HRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不可直接比较大小表示为：表示为：硬度值硬度值+ +三种不同的标尺代号三种不同的标尺代号。（。（无单位）无单位）例如：例如：2085HRA2085HRA 20100HRB 20100HRB 2070HRC 2070HRC（3）洛氏硬度表示方法）洛氏硬度表示方法HR =

18、 (k-h) / 0.002 HR = (k-h) / 0.002 不写单位不写单位512021/6/16（4）洛氏硬度特点：）洛氏硬度特点：优点优点：缺点缺点 ：测量操作简单，方便快捷，压痕小；测量测量操作简单，方便快捷，压痕小；测量范围大，能测较薄工件。范围大，能测较薄工件。测量精度较低，可比性差，不同标尺的硬测量精度较低，可比性差，不同标尺的硬度值不能比较。度值不能比较。（5）洛氏硬度应用：）洛氏硬度应用：522021/6/16l 布氏硬度与洛氏硬度的比较u洛式硬度洛式硬度压痕很小，测量值有局部性，须测数点求平均值，适压痕很小，测量值有局部性，须测数点求平均值，适用成品和薄片，归于无损检

19、测一类；用成品和薄片，归于无损检测一类；布式硬度布式硬度压痕较大，测量值压痕较大，测量值准，不适用成品和薄片，一般不归于无损检测一类。准，不适用成品和薄片，一般不归于无损检测一类。u洛式硬度洛式硬度的硬度值是一无名数，没有单位。（因此习惯称洛式的硬度值是一无名数，没有单位。（因此习惯称洛式硬度为多少度是不正确的。）硬度为多少度是不正确的。） 布式硬度布式硬度的硬度值有单位，且和的硬度值有单位，且和抗拉强度有一定的近似关系。抗拉强度有一定的近似关系。u洛式硬度洛式硬度直接在表盘上显示、也可以数字显示，操作方便，快直接在表盘上显示、也可以数字显示，操作方便，快捷直观，适用于大量生产中。布式硬度需要

20、用显微镜测量压痕直捷直观，适用于大量生产中。布式硬度需要用显微镜测量压痕直径，然后查表或计算，操作较繁琐。径，然后查表或计算，操作较繁琐。 在一定条件下，在一定条件下，HBHB与与HRCHRC可以查表互换。其心算公式可大概可以查表互换。其心算公式可大概记为：记为：1HRC1/10HB1HRC1/10HB。 532021/6/16维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕542021/6/16小负荷维氏硬度小负荷维氏硬度计计显微维氏硬度计显微维氏硬度计552021/6/16用压头为锥面夹角为用压头为锥面夹角为136136的金刚石四棱锥体。以一定的试验的金刚石四棱

21、锥体。以一定的试验力将压头压入试样表面，保持规定时间卸载后，在试样表面力将压头压入试样表面，保持规定时间卸载后，在试样表面留下一个四方锥形的压痕，测量压痕两对角线长度，以此计留下一个四方锥形的压痕，测量压痕两对角线长度，以此计算出硬度值。算出硬度值。（2 2）表示方法）表示方法 维氏硬度用符号维氏硬度用符号HVHV表示，符号前的数字为硬表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。例如：例如：580580HVHV/30/20/30/20（1）维氏硬度测量原理）维氏硬度测量原理562021/6/16优点：优点：适用范

22、围广，从极软到极硬材料都可测量适用范围广，从极软到极硬材料都可测量; ;测量测量精度高，可比性强；能测较薄工件。精度高，可比性强；能测较薄工件。缺点：缺点：测量操作较麻烦，测量效率低。测量操作较麻烦，测量效率低。（4）应用：）应用：广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度检验。不适于大批生产和测量组织不均匀材料。检验。不适于大批生产和测量组织不均匀材料。（3）特点：）特点：维氏硬度保留了布氏硬度和维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。洛氏硬度的优点。572021/6/16 是指金属材料在是指金属材料在冲击载荷作用下冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。

23、抵抗变形和断裂的能力。摆锤式一次冲击试验摆锤式一次冲击试验小能量多次冲击试验小能量多次冲击试验冲击韧性的测定方法冲击韧性的测定方法582021/6/16592021/6/16试样被冲断过程中吸收的能量即试样被冲断过程中吸收的能量即冲击吸收功冲击吸收功（A Ak k ）等于摆锤冲击试样前后的势能差。等于摆锤冲击试样前后的势能差。()kuAmg Hh( J )( J )602021/6/16冲击韧度冲击韧度ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸收功。就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸收功。ak=AkAq(J/cm)n 材料的材料的ak值愈值愈大大，韧性就愈好韧性就愈好；n 材料的材料的

24、ak值愈值愈小小，材料的脆性愈大。材料的脆性愈大。n 通常把通常把ak值值小小的材料称为的材料称为脆性材料脆性材料n 研究表明，材料的研究表明，材料的ak值随试验值随试验温度的降低而降低温度的降低而降低。612021/6/16l 低应力脆断低应力脆断 工程零（构）件有时在应力低于许用应力的情况工程零（构）件有时在应力低于许用应力的情况下也会发生突然断裂，称为低应力脆断。下也会发生突然断裂，称为低应力脆断。l 低应力脆断的原因低应力脆断的原因 由于实际应用的材料中常常存在一些裂纹和本身由于实际应用的材料中常常存在一些裂纹和本身缺陷，如夹杂物、气孔等或加工和使用过程中产生缺陷，如夹杂物、气孔等或加

25、工和使用过程中产生的缺陷，裂纹在应力的作用下失稳而扩展，最终导的缺陷，裂纹在应力的作用下失稳而扩展，最终导致零（构）件断裂。致零（构）件断裂。622021/6/16 零件、工具等即使在零件、工具等即使在低于材料屈服强度的交变载荷低于材料屈服强度的交变载荷作用下，作用下，经过一定的循环次数后也会发生经过一定的循环次数后也会发生突然断裂突然断裂，这种现象称为疲劳，这种现象称为疲劳断裂。断裂。表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。632021/6/16材料在对称载荷下的应力变化规律。材料在对称载荷下的应力变化规律。642021

26、/6/16材料交变应力和断裂前应力循环次数之间的关系。材料交变应力和断裂前应力循环次数之间的关系。有色金属的循环次数一般取有色金属的循环次数一般取 N = 108钢材的循环次数一般取钢材的循环次数一般取 N = 10N = 107 7钢材的钢材的疲劳强度疲劳强度与与抗拉强度抗拉强度之间的关系之间的关系: -1 = (0.45 (0.450.55) 0.55) b疲劳曲线疲劳曲线1652021/6/16 材料有杂质、表面划伤等缺陷材料有杂质、表面划伤等缺陷应力集中应力集中 微裂纹微裂纹 裂纹扩展裂纹扩展 破破 坏坏662021/6/16 材料方面材料方面 保证冶炼质量，保证冶炼质量，减少夹杂物减少夹杂物和热加工产生的和热加工产生的气孔和疏松等缺陷气孔和疏松等缺陷。设计方面设计方面 尽量使零件避免尖角、缺口和截面突变，以尽量使零件避免尖角、缺口和