第1部分-金属材料力学性能

1、金属材料的力学性能金属材料的力学性能主讲教师：赵仕梅主讲教师：赵仕梅Email： Tel:OAD ENERGY概述概述u 使用性能：使用性能：材料在使用过程中所表现的材料在使用过程中所表现的性能。包括性能。包括力学性能力学性能、物理性能物理性能和和化学化学性能性能。u 工艺性能：工艺性能：材料在加工过程中所表现的材料在加工过程中所表现的性能。包括性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理铸造、锻压、焊接、热处理和和切削性能切削性能等。等。u 材料的力学性能：材料的力学性能：指材料在外力作用下指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有表现出来的性能，主要有强度、塑性、强度、塑性、

2、硬度、冲击韧度硬度、冲击韧度和和疲劳强度疲劳强度等。等。神舟一号飞船ROAD ENERGY概述一一. .常用术语常用术语1. 1.应力与应变应力与应变作用在机件上的外力载荷（静载荷、动载荷）FFFFF = FSFSF（MPa）外力 内力应力 应力：应力：物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。同截面垂直的称为物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。同截面垂直的称为“正正 应力应力”或或“法向应力法向应力”，同截面相切的称为，同截面相切的称为“剪应力剪应力”或或“切应力切应力”。ROAD ENERGYu 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形

3、变形。u 外力去除后能够恢复的变形称为外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形弹性变形。u 外力去除后不能恢复的变形称为外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形塑性变形。五万吨水压机概述概述ROAD ENERGY概述0l0dklFF拉伸前拉伸前应变：应变：物体形状尺寸所发生的相对物体形状尺寸所发生的相对改变。改变。物体内部某处的线段在变形后长度物体内部某处的线段在变形后长度的改变值同线段原长之比值称为的改变值同线段原长之比值称为“线应变线应变”0dkd拉伸后拉伸后0llROAD ENERGY概述概述u如何评定材料的力学性能？如何评定材料的力学性能？ROAD ENERGY一、弹性和塑性一、拉伸试验过程分

4、析、拉伸试验过程分析 拉伸试验是指用静（缓慢）拉伸力对试样进行轴向拉伸，通过测量拉伸力和伸长量来测定试样强度、塑性等力学性能的试验。拉伸试样通常采用圆柱形拉伸试样（GB22887）。lL0试样原始标距长度（mm）ld0试样的原始直径（mm） 长试样L0=10d0 短试样 L0=5d0ROAD ENERGY一、弹性和塑性静拉伸试验机原理静拉伸试验机原理ROAD ENERGY一、弹性和塑性一、弹性和塑性纵坐标表示力纵坐标表示力F，单位，单位N；横坐标表示伸长量；横坐标表示伸长量L，单位为，单位为mm力力- -伸长曲线：如右伸长曲线：如右图，以低碳钢为例图，以低碳钢为例（1）OP：弹性变形阶段：弹性

5、变形阶段(P为弹性极限点为弹性极限点) 试样变形完全是弹性的，这种随载荷的存在而产生，试样变形完全是弹性的，这种随载荷的存在而产生，随载荷的去除而消失的变形称为弹性变形。随载荷的去除而消失的变形称为弹性变形。Fp为试样为试样能恢复到原始形状和尺寸的最大拉伸力。能恢复到原始形状和尺寸的最大拉伸力。（2）PS：屈服阶段：屈服阶段（S为屈服点为屈服点） 不能随载荷的去除而消失的变形称为。在载荷不增加不能随载荷的去除而消失的变形称为。在载荷不增加或略有减小的情况下，试样还继续伸长的现象叫做屈或略有减小的情况下，试样还继续伸长的现象叫做屈服。屈服后，材料开始出现明显的塑性变形。服。屈服后，材料开始出现明

6、显的塑性变形。Fs称为称为屈服载荷屈服载荷（3）SM：强化阶段（：强化阶段（M为极限载荷点为极限载荷点） 随塑性变形增大，试样变形抗力也逐渐增加，这种现随塑性变形增大，试样变形抗力也逐渐增加，这种现象称为形变强化（或称加工硬化）。象称为形变强化（或称加工硬化）。Fm：试样拉伸的：试样拉伸的最大载荷。最大载荷。（4）MK：缩颈阶段（局部塑性变形）（：缩颈阶段（局部塑性变形）（K为断裂点为断裂点）当载荷达到最大值当载荷达到最大值Fm后，试样的直径发生局部收缩，后，试样的直径发生局部收缩，称为称为“缩颈缩颈”。工程上使用的金属材料，多数没有明。工程上使用的金属材料，多数没有明显的屈服现象，有些脆性材

7、料，不但没有屈服现象，显的屈服现象，有些脆性材料，不但没有屈服现象，而且也不产生而且也不产生“缩颈缩颈”。如铸铁等。如铸铁等。kmFpslsFFpmFo sROAD ENERGY一、弹性和塑性一、弹性和塑性二、强度指标：二、强度指标：强度是金属强度是金属材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。1.1.屈服强度和规定残余伸长应力屈服强度和规定残余伸长应力（1 1）屈服强度是指材料开始产生明显塑性变形（屈服）时的应力，屈服）屈服强度是指材料开始产生明显塑性变形（屈服）时的应力，屈服强度是机械零件选材和设计的依据。计算公式：强度是机械零件选材和设计的依据。计算公式

8、：式中式中 ：屈服强度，：屈服强度，MPa;MPa; : :拉伸试样产生屈服时的恒定拉力或首次下降的最小拉力，拉伸试样产生屈服时的恒定拉力或首次下降的最小拉力，N N； : :拉伸试样原始横截面积拉伸试样原始横截面积, , 。（2 2）规定残余延伸强度是指拉伸试样在卸除拉伸力后，其标距部）规定残余延伸强度是指拉伸试样在卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长与原始标距比值达到规定的百分比是的应力，用分的残余伸长与原始标距比值达到规定的百分比是的应力，用 表示，如表示，如 表示规定残余伸长率为表示规定残余伸长率为0.2%0.2%时的应力。时的应力。0eSFRsLLLResLF0SrR2 . 0rR2m

9、mROAD ENERGY一、弹性和塑性2.抗拉强度 抗拉强度是指拉伸试样拉断前所承受的最大量称拉应力，用 符号 表示。 可用下式计算： 式中 ：抗拉强度，MPa； ：拉伸试样承受的最大载荷，N； ：拉伸试样原始横截面积， 。 是表征金属材料有均匀塑性变形向局部集中塑性变形过渡的临界值，也是表征金属材料在静拉伸条件下的最大承载能力。 mRmR0SFRmmmRmF0S2mmmRROAD ENERGY三、塑性三、塑性 塑性是金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。金属塑性是金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。金属材料的塑性可以用拉伸试样断裂时的最大相对变形量来表示。主材料的塑性可以用拉伸试样

10、断裂时的最大相对变形量来表示。主要指标为断后伸长率和断面收缩率。要指标为断后伸长率和断面收缩率。1.1.断后伸长率断后伸长率 拉伸试样拉断后的标距伸长与原始标距的百分比称为断后伸拉伸试样拉断后的标距伸长与原始标距的百分比称为断后伸长率，用符号长率，用符号 表示。可用下式计算：表示。可用下式计算： = = 式中式中 ：断后伸长率，：断后伸长率，% %； ：拉断拉伸试样对接后测出的标距长度：拉断拉伸试样对接后测出的标距长度,mm,mm； ：拉伸试样原始标距，：拉伸试样原始标距，mmmm。其中短拉伸试样的断后伸长率用符号其中短拉伸试样的断后伸长率用符号 ，长拉伸试样测定的断后，长拉伸试样测定的断后试

11、样的断后生产率用符号试样的断后生产率用符号 。拉伸试样的颈缩现象一、弹性和塑性一、弹性和塑性3 .11A%100)(00LLLUUL0L3 .11AA或3 .11AA或3 .11AA或AROAD ENERGY一、弹性和塑性 2.断面收缩率 断面收缩率是指拉伸试样拉断后颈缩处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号 表示，可用下式计算： 式中 ：断面收缩率，%； ：拉伸试样原始横截面积， ； ：拉伸试样断口处横截面积， 。 10%，塑性材料。 %100)(00SSSZUZUS2mm0S2mmZZZZROAD ENERGYu说明：说明：1.1.金属材料的伸长率（金属材料的伸长率（ ）和断

12、面收缩率（）和断面收缩率（ ）数值越大）数值越大，表示材料的塑性越好，表示材料的塑性越好。2.2.用断面收缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。用断面收缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。例例1.1.有一直径有一直径 =10mm=10mm， =100mm=100mm的低碳钢试样，拉伸验时测的低碳钢试样，拉伸验时测得得 =21KN=21KN， =29KN=29KN， =5.65mm=5.65mm， =138mm=138mm，求：，求： 、 、 、 。一、弹性和塑性一、弹性和塑性3 .11AA或Z0d0LsLFmFUdULLRemRAZROAD ENERGY二、硬度二、硬度n 硬度硬度: :材料抵抗

13、更硬的物体压入其内的能力材料抵抗更硬的物体压入其内的能力 , ,是材料性能的一个综合物是材料性能的一个综合物理量。表示材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破断理量。表示材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的能力。硬度测定方法有的能力。硬度测定方法有压入法、划痕法、回弹高度法压入法、划痕法、回弹高度法等，其中压入法等，其中压入法应用最广。在压入法中根据应用最广。在压入法中根据载荷、压头和表示方法载荷、压头和表示方法的不同，常将硬度分的不同，常将硬度分为为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度三种。三种。1.1.布氏硬度布氏硬度HB(Brinell-h

14、ardness)HB(Brinell-hardness) 用直径D的淬火钢球或硬质合金球,在一定压力P下,将钢球垂直地压入金属表面,并保持压力到规定的时间后卸荷,测压痕直径d。 （1）布氏硬度的布氏硬度的测试原理测试原理：用一定直径的球体（钢球或硬质合金），以规定的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，然后用测量表面压痕直径来计算硬度。 ROAD ENERGY布氏硬度计二、硬度二、硬度)(2102. 022dDDDPHB n 布氏硬度布氏硬度HB(Brinellhardness)HB(Brinellhardness)ROAD ENERGY二、硬度 压头为钢球时压头为钢球时，布氏硬度用

15、符号，布氏硬度用符号HBSHBS表示，适用于布氏硬度值在表示，适用于布氏硬度值在450450以下的材料。以下的材料。 压头为硬质合金球时压头为硬质合金球时，用符号，用符号HBWHBW表示，适用于布氏硬度在表示，适用于布氏硬度在650650以下的材料以下的材料 当当F F、D D一定时，布氏硬度与一定时，布氏硬度与d d有关，有关，d d越小，布氏硬度值越大，硬度越高。越小，布氏硬度值越大，硬度越高。（2 2）布氏硬度的表示方法：符号）布氏硬度的表示方法：符号HBSHBS之前的数字为硬度值符号后面按以下顺序用数字之前的数字为硬度值符号后面按以下顺序用数字表示条件：表示条件：1 1）球体直径；）球

16、体直径；2 2）试验力；）试验力；3 3）试验力保持的时间（）试验力保持的时间（10101515不标注）。不标注）。例例1. 1. 170HBS10/100/30、530HBW5/750解：（1）表示用直径10mm的钢球，在9807N的试验力作用下，保持30S时测得的布氏硬度值为170。 （2）表示用直径5mm的硬质合金球，在7355N的试验力作用下，保持1015s时测得的布氏硬度值为530。应用范围：主要适于灰铸铁、有色金属、各种软钢等硬度应用范围：主要适于灰铸铁、有色金属、各种软钢等硬度不高的材料。不高的材料。优点：优点：测量误差小，数据稳定。测量误差小，数据稳定。缺点：耗时，测高硬度材料

17、有限，压痕大，不宜成品及薄件缺点：耗时，测高硬度材料有限，压痕大，不宜成品及薄件布氏硬度压痕ROAD ENERGY二、硬度二、硬度2.2.洛氏硬度洛氏硬度HR(Rockwll hardness)HR(Rockwll hardness) 用金刚石圆锥或钢球作压头，在规定的预载荷和总载荷下，压入材料，卸载后，测其深度，可在洛氏硬度计上直接读出，无单位。每0.002mm压痕深度为一个洛氏硬度单位。测试原理：采用金刚石圆锥体或淬火钢球压头，压入金属表面后，经规定保持时间后即除主试验力，以测量的压痕深度来计算洛氏硬度值。压头：锥角为120金刚石圆锥或1.588mm钢球ROAD ENERGY二、硬度二、硬

18、度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计u 洛氏硬度计一般用于洛氏硬度计一般用于HB450HB450的试验的试验n 洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HRHR表示表示n 根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A A、B B、C C。 ROAD ENERGYn符号符号HRHR前面的数字为硬度值，后面为使用前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。的标尺。lHRA用于测量高硬度材料, 如硬质合金、表淬层和渗碳层。lHRB用于测量低硬度材料, 如有色金属和退火、正火钢等。lHRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。l洛氏硬度的优点： 操作

19、简单迅速，能直接从刻度盘上读出硬度值；压痕小，可测成品及较薄工件；测硬度范围大。l缺点：测量结果分散度大。钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕二、硬度二、硬度ROAD ENERGY二、硬度二、硬度n 洛氏硬度的分类及应用洛氏硬度的分类及应用ROAD ENERGY二、硬度二、硬度n 布氏硬度与洛氏硬度的比较布氏硬度与洛氏硬度的比较u 洛氏硬度压痕很小，测量值有局部性，须测数点求平均值，适用成品和薄片，归于无损检测一类；布氏硬度压痕较大，测量值准，不适用成品和薄片，一般不归于无损检测一类。u 洛氏硬度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。）布氏硬度的硬度值有单位，且和抗

20、拉强度有一定的近似关系。u 洛氏硬度直接在表盘上显示、也可以数字显示，操作方便，快捷直观，适用于大量生产中。布氏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。ROAD ENERGY二、硬度二、硬度3.3.维氏硬度维氏硬度HVHV维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度维氏硬度是一种以正四棱锥金刚石为压头的硬度测量方法。硬度值的定义硬度值的定义与布氏硬度相同，即压痕表面上单位面积所承受的压力。所不同的是压痕形状为正四棱锥形。ROAD ENERGYu 维氏硬度用符号维氏硬度用符号HVHV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值表示，符号前的数字为硬度值，后面的数

21、字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。试验力保持时间为及载荷保持时间。试验力保持时间为1015S时，可以不标出试验力保持时间。例如：640HV30表示用30kgf(294.2N)试验力，保持1015S测定的维氏硬度值为640；640HV30/20表示用30kgf(294.2N)试验力，保持20S测定的维氏硬度值为640。应用：可测较薄的材料，也可测量表面渗碳、渗透层的硬度，可测定很软到很硬的各种金属材料的硬度、准确。小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计二、硬度二、硬度ROAD ENERGYu 金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力叫做冲击韧度。常金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力叫做冲击韧度。常

22、用夏比摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧度。用夏比摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧度。 三、冲击韧度三、冲击韧度u 指标为冲击韧性值ak(通过冲击实验测得)。ROAD ENERGYA Ak k= =GHGH1 1 - GH- GH2 2 =G=G（H H1 1 - H- H2 2）u试验原理：试样被冲断过程中吸收的能量即冲击吸收功（Ak ）等于摆锤冲击试样前后的势能差。冲击韧度（冲击韧度（a k）：冲击吸收功除以试样缺口处截面积。）：冲击吸收功除以试样缺口处截面积。三、冲击韧度三、冲击韧度ROAD ENERGYak = AK/S （Jcm-2）Ak冲断试样所消耗的冲击功（J）S试样断口处的原

23、始截面积（cm2）三、冲击韧度三、冲击韧度ROAD ENERGYu材料韧性判据为冲击韧性ak ，低值为脆性材料，高值为韧性材料。u在冲击载荷下工作的零件，很少是受大能量一次冲击而破坏的；往往是受小能量多次重复冲击而破坏的。u试验表明：在冲击能量不太大的情况下，其承受反复冲击的能力主要取决于强度，而不是很高的冲击韧性ak 。三、冲击韧度三、冲击韧度ROAD ENERGY韧脆转变温度韧脆转变温度u 材料的冲击韧性随温度下降材料的冲击韧性随温度下降而下降。而下降。在某一温度范围内在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象冲击韧性值急剧下降的现象称称韧脆转变韧脆转变。发生韧脆转变发生韧脆转变的温度范围称

24、的温度范围称韧脆转变韧脆转变温度温度。材料的使用温度应高于韧材料的使用温度应高于韧脆转变温度。脆转变温度。韧三、冲击韧度三、冲击韧度ROAD ENERGYTITANIC建造中的Titanic 号TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关ROAD ENERGYu 材料在低于材料在低于 s s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。的重复交变应力作用下发生断裂的现象。u 材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用极限。用 -1-1表示。表示。u 钢铁材料规定次数为钢铁材料规定次数为10107 7，有色金属合金为，有色金属合金为10108 8。疲劳应力示意图疲劳曲线示意图四、疲劳强度四、疲劳强度ROAD ENERGYu 材料的疲劳强度通常在旋转对称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即交变应力与断裂前的循环次数数N N之间的关系。之间的关系。u 疲劳破坏原因疲劳破坏原因: : 材料有杂质材料有杂质, ,表面表面划痕划痕, ,能引起应力集中（指受力能引起应力集中（指受力构件由于几何形状、外形尺寸发构件由于几何形状、外形尺寸发生突变而引起局部范围内应力显生突变而引起局部范围内应力显著增大的现象）著增大的现象）, ,导致微裂纹