天津工业大学工程材料与热加工基础

1、.1.1.1 1.1.1 概念与定义概念与定义. 材料在一定环境因素下承受外加载荷所表现出材料在一定环境因素下承受外加载荷所表现出来的行为，通常表现为变形（几何形状和尺寸的变来的行为，通常表现为变形（几何形状和尺寸的变化）与断裂。化）与断裂。1.1.1 1.1.1 概念与定义概念与定义.1.1.2 1.1.2 材料力学性能指标材料力学性能指标. 是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。 主要有主要有等。等。.1.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验.1.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验标标 准准 拉拉 伸伸 试试 样样.拉伸曲线拉伸曲线应力应力-应变曲线应变曲线

2、1.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验. 随完全卸载而消失的变形。随完全卸载而消失的变形。 金属材料受外力作用时产生变形金属材料受外力作用时产生变形, ,当外力去掉当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。后能恢复到原来形状及尺寸的性能。 材料抵抗弹性变形的能力。材料抵抗弹性变形的能力。 . 金属拉伸曲线的初始阶段，应力与应变成正金属拉伸曲线的初始阶段，应力与应变成正比关系的最大应力称为比例极限。比关系的最大应力称为比例极限。 材料由弹性变形过渡到弹材料由弹性变形过渡到弹- -塑性变形的应力塑性变形的应力, ,即即: :oeeSF. 在弹性范围内应力与应变的比值在弹性范围内应力与应变的比值,

3、 ,即即: :E E主要取决于金属的本身性质主要取决于金属的本身性质, ,难以通过合难以通过合金化、热处理和加工的办法使之改变。金化、热处理和加工的办法使之改变。. 表征材料对变形和断裂的抗力的指标，单位为表征材料对变形和断裂的抗力的指标，单位为MPaMPa或或N/mmN/mm2 2。 试样屈服时承受的最小应力试样屈服时承受的最小应力 。表征材料发生明显塑性。表征材料发生明显塑性变形的抗力。变形的抗力。 某些材料在拉伸试验中没有明显的屈服现象，规定产某些材料在拉伸试验中没有明显的屈服现象，规定产生生0.2%0.2%的残余伸长量时材料所承受的应力。的残余伸长量时材料所承受的应力。 . 试样拉断前

4、能承受的最大应力。表征材料对最大均试样拉断前能承受的最大应力。表征材料对最大均匀变形的抗力。匀变形的抗力。 . 试样拉断试样拉断 时的真实应力。表征材料对断裂时的真实应力。表征材料对断裂的抗力。的抗力。 . 不可恢复的永久变形。塑性是表征材料断裂前具有不可恢复的永久变形。塑性是表征材料断裂前具有塑性变形的能力。塑性变形的能力。 断后试样标距伸长量与原始标距之比的百分率，即：断后试样标距伸长量与原始标距之比的百分率，即：%10000LLLK. 断裂后试样截面的相对收缩量，即试样拉断断裂后试样截面的相对收缩量，即试样拉断处横截面积减缩量与原始横截面积的百分比：处横截面积减缩量与原始横截面积的百分比

5、：%10000SSSK. .1.2.2 1.2.2 硬度硬度.硬度的种类及测试方法硬度的种类及测试方法压入法压入法划痕法划痕法加载加载速率速率静载静载 试验法试验法动载动载 试验法试验法布氏硬度布氏硬度洛氏硬度洛氏硬度维氏硬度维氏硬度显微硬度显微硬度肖氏硬度肖氏硬度锤击布氏锤击布氏硬度硬度莫氏硬度莫氏硬度材料抵抗局部断裂的材料抵抗局部断裂的能力能力材料变形材料变形功的大小功的大小材料表面抵抗材料表面抵抗压入时引起塑压入时引起塑性变形的能力性变形的能力.布氏硬度计布氏硬度计 . 用一定大小的载荷用一定大小的载荷F F，把直，把直径为径为D D的淬火钢球压入被测金的淬火钢球压入被测金属的表面，保持

6、一定的时间后属的表面，保持一定的时间后卸除载荷，用金属压痕的表面卸除载荷，用金属压痕的表面积，除载荷所得的商值即为布积，除载荷所得的商值即为布氏硬度值。氏硬度值。F.)(222dDDDFSFHBW适用范围适用范围: :v v DdF. 符号符号HBSHBS或或HBWHBW之前的数字表示硬度值，符号后之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径面的数字按顺序分别表示球体直径（mmmm）、载荷及、载荷及（N N）载荷保持时间载荷保持时间（s s） 。 表示直径为表示直径为10mm10mm的钢球在的钢球在1000kgf1000kgf（9.807kN9.807kN）载荷作用下保持）载荷作

7、用下保持30s30s测得的布氏测得的布氏硬度值为硬度值为120120。.h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图. 硬度值可从洛氏硬度计的百分度盘上直接读出，硬度值可从洛氏硬度计的百分度盘上直接读出，标记时将硬度值置于标记时将硬度值置于HRHR前。前。 例：例：60HRC60HRC、75HRA75HRA. 测量薄板类测量薄板类 HVHBSHVHBS .硬度值硬度值+HV+HV+试验力（试验力（kgfkgf）数字）数字+ +载荷保持时间载荷保持时间例：例：640HV30/20640HV30/20. 与维氏硬度完与维氏硬度完全相同，只是所用全相同，只是所用载荷要小得多。常载荷要小得多。常用于

8、测定材料中某用于测定材料中某个相的硬度。个相的硬度。.1000ARvvHL. 材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。 . A k = m g H m g h (J)SAKK（J/m2）Hh. 方向、大小随时间呈周期循环性变化的载荷。方向、大小随时间呈周期循环性变化的载荷。周期性变动载荷作用下产生周期性变动载荷作用下产生最大应力最大应力 maxmax、最小应力、最小应力 minmin、 应力半幅应力半幅 a a、平均应力、平均应力 m m 应力循环对称系数应力循环对称系数r= r= minmin / / maxmax. 常用的工程材料中，金属的疲劳抗

9、力最高（常用的工程材料中，金属的疲劳抗力最高（），所以抗疲劳机件），所以抗疲劳机件几乎都选用金属材料；陶瓷与聚合物的疲劳抗力很低，不能几乎都选用金属材料；陶瓷与聚合物的疲劳抗力很低，不能用于制造承受交变载荷的零件；纤维增强复合材料也有比较用于制造承受交变载荷的零件；纤维增强复合材料也有比较好的抗疲劳性能，处于交变载荷下工作的应用正逐渐增多。好的抗疲劳性能，处于交变载荷下工作的应用正逐渐增多。 合理选材、改善零件的形状与结构、减少材料的缺陷、合理选材、改善零件的形状与结构、减少材料的缺陷、降低零件表面的粗糙度、对零件表面进行强化等。降低零件表面的粗糙度、对零件表面进行强化等。. 一些大型零件在远

10、低于材料的屈服强度的一些大型零件在远低于材料的屈服强度的应力值作用下发生的脆性断裂。应力值作用下发生的脆性断裂。 低应力脆断是由于材料本身固有微裂纹，低应力脆断是由于材料本身固有微裂纹，在应力的作用下失稳扩展的结果。在应力的作用下失稳扩展的结果。.aYKI 一个有裂纹的试样，在所加拉力逐渐增加，或裂纹逐一个有裂纹的试样，在所加拉力逐渐增加，或裂纹逐渐扩展时，裂纹尖端的应力场强度因子渐扩展时，裂纹尖端的应力场强度因子K KI I也随之逐渐增大，也随之逐渐增大，当当K KI I达到临界值时，裂纹将产生突然的失稳扩展，这个应力达到临界值时，裂纹将产生突然的失稳扩展，这个应力场强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性。如果裂纹尖端场强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性。如果裂纹尖端处于平面应变状态，则断裂韧性的值最低，称为平面应变断处于平面应变状态，则断裂韧性的值最低，称为平面应变断裂韧性，用裂韧性，用K KI cI c表示