金属的力学性能

1、第一篇第一篇 机械工程机械工程材料材料材料n材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的物质基础物质基础。n 20世纪70年代开始人们把信息信息、材料材料和能能源源誉为当代文明的三大支柱。 其中材料又是信息和能源的物质基础。 材料分类材料分类复合材料复合材料金属材料金属材料陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料材料的性能材料的性能使用性能工艺性能 物理性能 化学性能 力学性能热处理性能铸造性能焊接性能锻造性能切削加工性能 （使用过程）（使用过程）（加工过程）（加工过程）第一章第一章 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 本节重点：本节重点：金属材料的力学性能金属材料的力学性能主要内容：主

2、要内容：金属材料的力学性能金属材料的力学性能, ,包括材料的强包括材料的强 度度 、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳 强度等。强度等。本节难点：本节难点：各性能指标的物理意义和测定方法各性能指标的物理意义和测定方法n力学性能力学性能 材料在外力作用下所表现出的特性。材料在外力作用下所表现出的特性。外力作用下材料的变形外力作用下材料的变形 作用在机件上的外力载荷载荷FFF = F （MPa）外力外力 内力内力应力应力FF静载荷动载荷= F /SSFSF（1 1）弹性变形：）弹性变形： 材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复

3、其原来形状，这种形状，这种随外力消失而消失的变形随外力消失而消失的变形，称为，称为弹性变形弹性变形。两种基本变形两种基本变形FFF （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，称为称为塑性变形塑性变形。FFF第一节第一节 强度和塑性强度和塑性一、一、拉伸试验拉伸试验及拉伸曲线及拉伸曲线拉伸试验机拉伸试验机拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象拉伸实验拉伸实验kbb b 极限载荷点极限载荷点0lkl0dFee e 弹性极限点弹性极限点sS S 屈服点屈服点K K 断裂点断裂点拉伸曲线拉伸曲线FFLkdl应力应力应变曲线应变曲

4、线0SF0ll缩颈sFeFbFo 二、应力与应变曲线二、应力与应变曲线应力应力 ：单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的载荷除以单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积试样的原始横截面积S 0表示表示: F 载荷载荷( N ) = ( M pa ) S 0 原始横截面积原始横截面积( mm2)应变应变：单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原始单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原始标距表示标距表示: l伸长量伸长量(mm ) = l 0原始长度原始长度( mm)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，单位不同形状和拉

5、伸曲线相同，单位不同材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。（1 1） 屈服强度屈服强度（S）指材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力。指材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力。 S S =Fs/S =Fs/S0 0 （MPaMPa）它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力塑性变形的能力。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。1、强度：、强度：kbFesl0ll0SF2 . 0s100%0.2%2 . 0Fb b =Fb/S0 （MPa）（2 2）抗拉强度）抗拉强度（b ）抗拉强度是材料在拉断前抗拉强度是材料在拉断前

6、承受最大载荷时的应力。承受最大载荷时的应力。 它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。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。常用常用 和和 作为衡量塑性的指标。作为衡量塑性的指标。伸长率：伸长率：材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。断面收缩率断面收缩率: :%10000lllk%10000sssk0lkl0dFFLkd良好的塑性是金属材料进行良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。塑性加工的必要条件。 2 2、塑性：、塑性：练习题一练习题一n拉力试样的原标距长度为拉力试样的原标距长度为50mm，直径

7、为直径为10mm，经经拉力试验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后拉力试验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为的标距长度为71mm，颈缩区的最小直径为颈缩区的最小直径为4.9mm，试求该材料的伸长率和断面收缩率的值？试求该材料的伸长率和断面收缩率的值？解：=（71-50）/50 x100%=42% S0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2) S1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2)=(S0-S1)/S0 x100%=24%第二节第二节 硬硬 度度硬度：硬度：硬度试验方法硬度试验方法压入法压入法 划痕法划痕法回跳法回跳法指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力。

8、指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力。（金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕（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）或划痕的能力）布氏硬度（布氏硬度（HB）洛氏硬度（洛氏硬度（HR）维氏硬度（维氏硬度（HV） 莫氏硬度莫氏硬度肖氏硬度肖氏硬度一、布氏硬度1、测定原理布氏硬度计布氏硬度计 试验时，根据被测的材料不同，球直径、试验力及试试验时，根据被测的材料不同，球直径、试验力及试验力保持时间按表验力保持时间按表-1选择选择材料材料种类种类布氏硬度范围布氏硬度范围HBS（HBW）试样厚试样厚度度/mm0.102球的直球的直径径/mm试验力试验力F/KN（k g f)试验力试

9、验力保持时保持时间间/s钢、钢、铸铁铸铁140-450634223010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)126631010.05.09.807(1000)2.452(250)12非铁非铁金属金属130634262.510.02.452(250) 60表表1-1 布氏硬度试验规范布氏硬度试验规范)/()(2102. 0222mmNdDDDFSFHB压2、符号、符号HBS：淬火钢球作压头HBW：硬质合金作压头3、表示方法XXX HBS(W) XX / XXX / XX硬度值压头直径（mm2）试验力保持 时间（s） 试验力（0.102N）500HBW

10、5/750例：表示用直径5mm硬质合金球在7355N试验力作用下保持1015s测得的布氏硬度值为500120HBS10/1000/30表示用直径10mm钢球压头在9807N试验力作用下保持30s测得的布氏硬度值为120 布氏硬度试验法一般用于试验各种布氏硬度试验法一般用于试验各种硬度硬度不高的钢材、铸铁、有色金属不高的钢材、铸铁、有色金属等，也用于试等，也用于试验验经淬火、回火但硬度不高的钢件经淬火、回火但硬度不高的钢件。 压痕大，用于压痕大，用于毛坯，原料，半成品毛坯，原料，半成品表面表面硬度的测量。硬度的测量。4、适用范围 二、洛氏硬度测定原理硬度硬度符号符号压头类压头类型型载荷载荷F/k

11、 g 硬度有效范围硬度有效范围使用范围使用范围HRA金刚石金刚石圆锥体圆锥体6070 08585适用于测量硬质合金、钢表、淬火适用于测量硬质合金、钢表、淬火层或渗碳层层或渗碳层HRB直径为直径为1.588mm钢钢球球10025100100（相当（相当6060230230HBHB）适用于测量非铁金属退火、适用于测量非铁金属退火、退退火等火等HRC金刚石金刚石圆锥体圆锥体150206767( (相当相当HB230HB230700)700)适用于调质钢、淬火钢等适用于调质钢、淬火钢等试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表表-2选择，对应

12、的洛氏硬度标尺为选择，对应的洛氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种三种表表1-2 常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围2、符号002. 0hkHR3、表示方法、表示方法硬度值+HR52HRC70HRA例： 洛氏硬度洛氏硬度HRC可以用于硬度很高的材可以用于硬度很高的材料，在钢件热处理质量检查中应用最多。料，在钢件热处理质量检查中应用最多。 由于表面压痕小，测量值不准确，用由于表面压痕小，测量值不准确，用于于薄件、成品件薄件、成品件的测量。的测量。4、适用范围、适用范围第三节 韧性和疲劳强度在设计和制造受冲击载荷的零件和工具（如锻锤、冲床、铆钉枪等）时，

13、必须考虑所用材料的冲击吸收功或冲击韧度。一、摆锤式一次一、摆锤式一次冲击试验原理冲击试验原理摆锤试验机冲击韧性冲击韧性 AK = G（H1 H2）（J） ak = AK /S （J/m2） 材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力。 1H2H在冲击载荷下工作的零件，很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的；往往是受小能量多次重复冲击而破坏的。冲击而破坏的。试验在专门的摆锤式冲击试验机上进行，把试样放在试验机的支承面上，试验在专门的摆锤式冲击试验机上进行，把试样放在试验机的支承面上，试样的缺口背向摆锤冲击方向。将质量为试样的缺口背向摆锤

14、冲击方向。将质量为m的摆锤安放到规定的高度的摆锤安放到规定的高度H，然后下落，将试样打断，并摆过支点升到某一高度然后下落，将试样打断，并摆过支点升到某一高度h，试样在冲击试验力一试样在冲击试验力一次作用下，折断时所吸收的功为冲击吸收功为次作用下，折断时所吸收的功为冲击吸收功为Ak。1、试样冲断时所消耗的、试样冲断时所消耗的冲击功冲击功A k为为: A k = m g H m g h (J)2、冲击韧度冲击韧度a k AK a k = (J/cm) Sk 二、冲击吸收功和冲击韧度二、冲击吸收功和冲击韧度就是试样缺口处单位截面积上就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。所消耗的冲击功。冲击吸收功

15、 Ak 作为材料韧性判据，与温度、试样形状、尺寸、表面粗糙度、内部组织和缺陷有关。三、三、 疲劳极限疲劳极限交变应力：交变应力：是指大小和方向构随时间周期变化的应力。是指大小和方向构随时间周期变化的应力。材料的疲劳：材料的疲劳：材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累计损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突部永久性累计损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。然发生完全断裂的过程。在多次交变应力作用，金属会在远小于抗拉强度在多次交变应力作用，金属会在远小于抗拉强度b，甚至小甚至小于屈服点于屈服点s。的应力下失效（出现裂纹或完全断裂）的应力下失效（出现裂纹或完全断裂） 疲劳破坏的原因：疲劳破坏的原因：应力集中微裂纹扩展断裂破坏。1n 循环基数钢：据统计，约据统计，约80%80%的机件失效