第01章 金属材料的力学性能

1、机械制造基础机械制造基础工程材料应用基础工程材料应用基础绪绪 论论1、机械制造基础的课程性质：、机械制造基础的课程性质： 一门研究机械制造全过程中，金属零件制造一门研究机械制造全过程中，金属零件制造工艺的综合性技术学科。工艺的综合性技术学科。工科院校的一门综合性技术基础课程，是机工科院校的一门综合性技术基础课程，是机械类专业的必修课之一。械类专业的必修课之一。2、机械制造基础的课程任务：可用以下表达、机械制造基础的课程任务：可用以下表达式描述机械制造的全过程。式描述机械制造的全过程。第一章第一章 金属材料的力学性能金属材料的力学性能第一节第一节 强度与塑性强度与塑性第二节第二节 硬度硬度第三节

2、第三节 冲击韧度冲击韧度第四节第四节 疲劳疲劳一、拉伸试验一、拉伸试验在万能材料实验机上做拉伸实验第一节 强度与塑性二、强度二、强度 金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力称为金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力称为强强度度。 按外力作用的性质不同，分为：按外力作用的性质不同，分为： 屈服强度屈服强度s 、抗拉强度、抗拉强度b 、抗压强度、抗压强度b c、抗剪强度、抗剪强度b等。等。 1 1、屈服点与屈服强度、屈服点与屈服强度 金属材料开始产生屈服现象时的最低应力值称为金属材料开始产生屈服现象时的最低应力值称为屈服点屈服点，用符号用符号s s 表示。表示。s s=f=fs s/a

3、/ao o 式中式中f fs s试样发生屈服时的载荷（试样发生屈服时的载荷（n n）; ; a ao o试样的原始横截面积（试样的原始横截面积（mmmm2 2）。 工业上使用的某些金属材料，如高碳钢、铸铁等，在拉工业上使用的某些金属材料，如高碳钢、铸铁等，在拉伸过程中，没有明显的屈服现象，无法确定其屈服点伸过程中，没有明显的屈服现象，无法确定其屈服点s s ，按按gb/t2228gb/t2228规定，可用规定，可用屈服强度屈服强度0.20.2来表示该材料开始产生来表示该材料开始产生塑性变形时的最低塑性变形时的最低应力值。屈服强度为试样标应力值。屈服强度为试样标距部分产生距部分产生0.2%0.2

4、%残余伸长时残余伸长时的应力值，即的应力值，即 0.20.2=f=f0.20.2/a/ao o式中式中 f f0.20.2试样标距产生的试样标距产生的0.2%0.2%残残 余伸长时载荷（余伸长时载荷（n n）；）； a ao o试样的原始横截面积（试样的原始横截面积（mmmm2 2）。）。屈服强度的测定2、抗拉强度、抗拉强度 金属材料在断裂前所能承受的最大应力值称为抗拉强度，金属材料在断裂前所能承受的最大应力值称为抗拉强度，用符号用符号 b b表示。表示。 b b=f=fb b/a/ao o式中式中 f fb b试样在断裂前所承受的载荷（试样在断裂前所承受的载荷（n n）；）； a ao o试

5、样原始横截面积（试样原始横截面积（mmmm2 2）。）。三、塑性三、塑性 金属材料的载荷作用下，断裂前材料发生不可逆转永久变金属材料的载荷作用下，断裂前材料发生不可逆转永久变形的能力称为形的能力称为塑性塑性。 通过拉伸试验可测定材料的塑性。通过拉伸试验可测定材料的塑性。 常用的塑性指标有常用的塑性指标有断后伸长率断后伸长率和和断面收缩率断面收缩率。 =(l1-l0)/l0 =(f0-f1)/f0第二节第二节 硬度硬度 硬度硬度是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力压痕或划痕的能力。 可用硬度试验机测定，可用硬度试验机测定，常用的硬度

6、指标有布氏硬度常用的硬度指标有布氏硬度hbwhbw、洛氏硬度（、洛氏硬度（hrahra、hrbhrb、hrchrc等）和维氏硬度等）和维氏硬度hvhv。 第三节、冲击韧度第三节、冲击韧度 试验时，将试样放在试验机两支座上，。把质量为试验时，将试样放在试验机两支座上，。把质量为m m的摆锤的摆锤抬到高抬到高h h，使摆锤具有位能为，使摆锤具有位能为mhgmhg。摆锤落下冲断试样后升。摆锤落下冲断试样后升至至h h高度高度, ,具有位能为具有位能为mhgmhg，故摆锤冲断试样推动的位能为，故摆锤冲断试样推动的位能为mhgmhgmhgmhg，这就是试样变形和断裂所消耗的功称为，这就是试样变形和断裂所

7、消耗的功称为冲击吸冲击吸收功收功a ak k，即，即a ak=k=mg(h-h)mg(h-h) 用试样的断口处截面积用试样的断口处截面积s sn n（cmcm2 2）去除）去除a ak k（j j）即得到）即得到冲击韧冲击韧度度，用，用a ak k表示，单位为表示，单位为j/cmj/cm2 2. . a ak k=a=ak k/s/sn n第四节、疲劳第四节、疲劳一、疲劳概念一、疲劳概念 虽然零件所承受的交变应力数值小于材料的屈服强度，但虽然零件所承受的交变应力数值小于材料的屈服强度，但在长时间运转后也会发生断裂，这种现象称为在长时间运转后也会发生断裂，这种现象称为疲劳断裂疲劳断裂。 对称循环

8、交变应力对称循环交变应力 二、疲劳曲线与疲劳极限二、疲劳曲线与疲劳极限 试验证明，金属材料所受最大交变应力试验证明，金属材料所受最大交变应力maxmax 愈大，愈大，则断裂前所受的循环周次则断裂前所受的循环周次n n（定义为疲劳寿命）愈（定义为疲劳寿命）愈少，这种交变应力少，这种交变应力maxmax 与疲劳寿命与疲劳寿命n n的关系曲线称的关系曲线称疲劳曲线疲劳曲线或或s sn n曲线曲线 工程上规定，材料经受相当循环周次不发生断裂的工程上规定，材料经受相当循环周次不发生断裂的最大应力称为最大应力称为疲劳极限，疲劳极限，以符号以符号-1-1表示。表示。 疲劳曲线-1nn21n1n2nnnc钢铁材料：107次非铁合金：108次部分工程材料的疲劳极限-1（mpa）三、提高材料疲劳极限的途径三、提高材料疲劳极限的途径1 1、设计方面设计方面 尽量使用零件避免交角、缺口和截面突变，尽量使用零件避免交角、缺口和截面突变，以避免应力集中及其所引起的疲劳裂纹。以避免应力集中及其所引起的疲劳裂纹。2 2、材料方面材料方面 通常应使晶粒细化，减少材料内部存在的夹通常应使晶粒细化，减少材料内部存在的夹杂物和由于热加工不当引起的缺陷。如疏松、气孔和表面杂物和由于热加工不当引起的缺陷。如疏松、气孔和表面氧化等。氧化等。3 3、机械加工方面机械加工方面 要降低零件表面粗糙度值。要降低零件表面粗