金属材料的力学性能(二)

1、复习提问复习提问1 1、金属的力学性能包括哪些指标？、金属的力学性能包括哪些指标？强度强度 塑性塑性 硬度硬度 韧性韧性 疲劳强度疲劳强度复习复习提问提问1 1、金属的力学性能包括哪些指标？、金属的力学性能包括哪些指标？2 2、什么是强度？衡量材料强度的指标是什么？、什么是强度？衡量材料强度的指标是什么？ 强度是金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性强度是金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。变形和断裂的能力。 强度指标主要有屈服极限和强度极限。强度指标主要有屈服极限和强度极限。复习复习提问提问1 1、金属的力学性能包括哪些指标？、金属的力学性能包括哪些指标？2 2、什么是强度？衡量材料

2、强度的指标是什么？、什么是强度？衡量材料强度的指标是什么？3 3、设计零件主要依据哪种强度指标？、设计零件主要依据哪种强度指标？ 一般零件以屈服强度一般零件以屈服强度 s s作为强度设计的依据作为强度设计的依据；但对于脆性材料，则以抗拉强度但对于脆性材料，则以抗拉强度 b b为依据为依据。复习复习提问提问1 1、金属的力学性能包括哪些指标？、金属的力学性能包括哪些指标？2 2、什么是强度？衡量材料强度的指标是什么？、什么是强度？衡量材料强度的指标是什么？3 3、设计零件主要依据哪种强度指标？、设计零件主要依据哪种强度指标？4 4、什么是塑性？材料的塑性指标有哪些？什么是塑性？材料的塑性指标有哪

3、些？ 塑性是指材料在载荷作用下，产生塑性变形而塑性是指材料在载荷作用下，产生塑性变形而不断裂的能力。不断裂的能力。 塑性指标有伸长率和断面收缩率。塑性指标有伸长率和断面收缩率。复习复习提问提问1 1、金属的力学性能包括哪些指标？、金属的力学性能包括哪些指标？2 2、什么是强度？衡量材料强度的指标是什么？、什么是强度？衡量材料强度的指标是什么？3 3、设计零件主要依据哪种强度指标？、设计零件主要依据哪种强度指标？4 4、什么是塑性？材料的塑性指标有哪些？、什么是塑性？材料的塑性指标有哪些？5 5、低碳钢的拉伸试验中，试样的变化经历过哪、低碳钢的拉伸试验中，试样的变化经历过哪些阶段？些阶段？ 弹性

4、变形阶段、屈服阶段、强化阶段、缩颈阶段、断裂弹性变形阶段、屈服阶段、强化阶段、缩颈阶段、断裂复习复习提问提问1 1、金属的力学性能包括哪些指标？、金属的力学性能包括哪些指标？2 2、什么是强度？衡量材料强度的指标是什么？、什么是强度？衡量材料强度的指标是什么？3 3、设计零件主要依据哪种强度指标？、设计零件主要依据哪种强度指标？4 4、什么是塑性？材料的塑性指标有哪些？、什么是塑性？材料的塑性指标有哪些？5 5、低碳钢的拉伸试验中，试样的变化经历过哪、低碳钢的拉伸试验中，试样的变化经历过哪些阶段？些阶段？6 6、材料的材料的的的值值越大，越大，说说明材料的塑性越明材料的塑性越 ； ；值值越小，

5、越小，说说明材料的塑性越明材料的塑性越 。 。差差好好1.6 金属材料的力学性能 硬度硬度是指材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或是指材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力。划痕的能力。二、二、 硬硬 度度 硬度是材料性能的一个综合物理量，表示硬度是材料性能的一个综合物理量，表示金属材料抵抗弹性变形、塑性变形或断裂的能金属材料抵抗弹性变形、塑性变形或断裂的能力。一般材料的力。一般材料的硬度越高，耐磨性越好，强度硬度越高，耐磨性越好，强度也越高。也越高。 金属材料的硬度是在硬度计上测定的。常金属材料的硬度是在硬度计上测定的。常用用布氏硬度法布氏硬度法和和洛氏硬度法洛氏硬度法。1 1、布氏硬度、布

6、氏硬度2 2、洛氏硬度、洛氏硬度（1 1）原理）原理（2 2）应用）应用（3 3）优缺点）优缺点（1 1）原理）原理（2 2）应用）应用（3 3）优缺点）优缺点1 1、布氏硬度、布氏硬度 布氏硬度试验是指用一定直径的硬质合金球布氏硬度试验是指用一定直径的硬质合金球以相应的试验力压入试样表面，经规定保持时间以相应的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量的表面压痕直径计算硬度后卸除试验力，用测量的表面压痕直径计算硬度的一种压痕硬度试验。的一种压痕硬度试验。布氏硬度试验原理图布氏硬度试验原理图（1 1） 原理原理布氏硬度布氏硬度= = F S凹凹=2FDD-（D-d ）v布氏硬度实际

7、测试时，硬度值是不用计算的，布氏硬度实际测试时，硬度值是不用计算的，利用刻度放大镜测出压痕直径利用刻度放大镜测出压痕直径d d，根据值，根据值d d查查平面布氏硬度表即可查出硬度值。平面布氏硬度表即可查出硬度值。v压头为淬火钢球时用压头为淬火钢球时用HBSHBS表示，压头为硬质表示，压头为硬质合金球时用合金球时用HBWHBW表示。例如表示。例如120HBS120HBS，450HBW450HBW。 测量比较软的材料。测量比较软的材料。测量范围测量范围 650HBW650HBW的的金属材料。金属材料。（3 3）优缺点）优缺点（2 2）应用）应用 压痕大，测量准确，但压痕大，测量准确，但不能测量成品

8、件。不能测量成品件。（1 1）原理）原理 2 2、洛氏硬度、洛氏硬度 采用顶角为采用顶角为120120的的金刚石圆锥体或直径为金刚石圆锥体或直径为1.588mm1.588mm的淬火钢球作的淬火钢球作为压头。为压头。 试验时先施加初载荷，试验时先施加初载荷，使压头与试样表面接触良使压头与试样表面接触良好，保证测量准确，再施好，保证测量准确，再施加主载荷，保持到规定的加主载荷，保持到规定的时间后再卸除主载荷，依时间后再卸除主载荷，依据压痕的深度来确定材料据压痕的深度来确定材料的硬度值。用的硬度值。用HRHR表示。表示。加初载荷加初载荷加主载荷加主载荷卸除主载荷卸除主载荷读硬度值读硬度值（2 2）应

9、用）应用常用洛氏硬度标尺的试验条件和应用范围常用洛氏硬度标尺的试验条件和应用范围 为了能用同一硬度计测定从极软到极硬材料为了能用同一硬度计测定从极软到极硬材料的硬度，可采用不同的压头和载荷，组成了的硬度，可采用不同的压头和载荷，组成了HRAHRA、HRBHRB、HRCHRC三种不同的标尺。三种不同的标尺。优点：优点：操作简便、迅速，效率操作简便、迅速，效率 高，可直接测量成品件高，可直接测量成品件 及高硬度的材料。及高硬度的材料。（3 3）优缺点）优缺点缺点：缺点：压痕小，测量不准确，压痕小，测量不准确， 需多次测量。需多次测量。洛氏硬度计使用视频维氏硬度维氏硬度( (HV) ) (1)(1)

10、测试原理测试原理 和布氏硬度和布氏硬度试验试验原理基本相同。原理基本相同。 (2)(2)表示方法表示方法 例如：例如：640640HV。 (3)(3)适用范围适用范围 用于测量金属镀用于测量金属镀层薄片材料和化学热层薄片材料和化学热处理后的表面硬度。处理后的表面硬度。 维氏硬度测试原理示意维氏硬度测试原理示意 各硬度相相互没有理论换算关系，但在实各硬度相相互没有理论换算关系，但在实践中发现，在一定的条件下有经验换算关系：践中发现，在一定的条件下有经验换算关系：布氏硬度值在布氏硬度值在20020060600HBS0HBS（HBWHBW）范围内，）范围内， HBSHBS（HBWHBW）=10HRC

11、=10HRC；布氏硬度值小于布氏硬度值小于450HBS450HBS， HBSHVHBSHV 强度、硬度、塑性等力学性能指标都强度、硬度、塑性等力学性能指标都是材料在静载荷作用下的表现。是材料在静载荷作用下的表现。 材料在工作时还经常受到动载荷的作材料在工作时还经常受到动载荷的作用，冲击载荷就是常见的一种。用，冲击载荷就是常见的一种。静载荷静载荷v包括不随时间变化的恒载（如自重）和加载变化缓包括不随时间变化的恒载（如自重）和加载变化缓慢以至可以略去惯性力作用的准静载（如锅炉压慢以至可以略去惯性力作用的准静载（如锅炉压力）；力）；三、冲击韧性三、冲击韧性 动载荷动载荷v动载荷包括短时间快速作用的冲

12、击载荷（如空气动载荷包括短时间快速作用的冲击载荷（如空气锤）、随时间作周期性变化的周期载荷（如空气锤）、随时间作周期性变化的周期载荷（如空气压缩机曲轴）。压缩机曲轴）。v其对材料的作用效果或破坏效应大于静载荷。其对材料的作用效果或破坏效应大于静载荷。1.1.冲击载荷冲击载荷在很短时间内作用物体上的载在很短时间内作用物体上的载荷称为荷称为冲击载荷冲击载荷。加载时间短，加载速率高；加载时间短，加载速率高；有时要利用，有时应尽量避免有时要利用，有时应尽量避免或减小。或减小。载荷作用效果大，所以必须考载荷作用效果大，所以必须考虑材料在冲击载荷作用下抵抗虑材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，即破坏的能力

13、，即冲击韧性冲击韧性。v冲击载荷与静载荷的主要区别冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载时间短、加在于加载时间短、加载速率高、应力集中。由于加载速率提高，金属形载速率高、应力集中。由于加载速率提高，金属形变速率也随之增加，一般冲击试验时金属形变速率变速率也随之增加，一般冲击试验时金属形变速率=10=102 210104 4 s s-1-1。v金属形变速率的增加将使金属材料的变脆倾向增大，金属形变速率的增加将使金属材料的变脆倾向增大，因此因此冲击载荷对材料的作用效果或破坏效应大于静冲击载荷对材料的作用效果或破坏效应大于静载荷载荷。2.2.冲击韧性的概念冲击韧性的概念 金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏

14、的能力，金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，称为称为冲击韧性冲击韧性。 示例：玻璃在冲击载荷作用下非常容易破裂，说明其冲击韧性很低。 3.3.冲击试验冲击试验v冲击试样冲击试样v冲击试验原理冲击试验原理v一次摆锤冲击试验一次摆锤冲击试验v冲击韧性的表示方法冲击韧性的表示方法冲击试样冲击试样摆摆锤锤冲冲击击试试验验机机原原 理理 将带有将带有U U型或型或V V型缺型缺口的冲击试样放在试验口的冲击试样放在试验机架的支座上，将摆锤机架的支座上，将摆锤升至高度升至高度HH1 1，使其具有，使其具有势能势能mgHmgH1 1；然后使摆锤；然后使摆锤由此高度自由下落将试由此高度自由下落将试样冲断，并

15、向另一方向样冲断，并向另一方向升高至升高至HH2 2，这时摆锤的，这时摆锤的势能为势能为mgHmgH2 2。 所以，摆锤用于冲断试样的能量所以，摆锤用于冲断试样的能量A AK K=mg=mg（H H1 1-H-H2 2），），即为冲击功（焦耳即为冲击功（焦耳/J/J）。冲击试验冲击试验材料冲击韧性的表示方法材料冲击韧性的表示方法 冲击功冲击功：材料在断裂前所吸收的能量，用：材料在断裂前所吸收的能量，用A AK K表示，表示，单位为焦耳，数值可从试验机的刻度盘上读出。单位为焦耳，数值可从试验机的刻度盘上读出。 以试样缺口处以试样缺口处单位截面积上所吸收的冲击功表示单位截面积上所吸收的冲击功表示冲

16、击韧性冲击韧性，即，即 式中式中 A Ak k冲断试样所消耗的冲击功，冲断试样所消耗的冲击功，J J； AA试样缺口处截面积，试样缺口处截面积，cmcm2 2。 a ak k 值越大，材料的冲击韧性越好，可以承受值越大，材料的冲击韧性越好，可以承受越越大的冲击载荷。大的冲击载荷。 材料的冲击韧性与塑性之间有一定的联系，材料的冲击韧性与塑性之间有一定的联系，a ak k 值高的材料，一般塑性也比较好；但塑性好的材值高的材料，一般塑性也比较好；但塑性好的材料冲击韧性不一定好。因为有的材料在静载荷下料冲击韧性不一定好。因为有的材料在静载荷下能充分变形，但在冲击载荷下不能迅速地进行塑能充分变形，但在冲

17、击载荷下不能迅速地进行塑性变形。性变形。 冲击值的大小与很多因素有关。它不仅受试样冲击值的大小与很多因素有关。它不仅受试样形状、表面粗糙度、内部组织的影响，还与试验时形状、表面粗糙度、内部组织的影响，还与试验时的环境温度有关，温度越低，冲击值越小。的环境温度有关，温度越低，冲击值越小。影片片断影片片断TITANIC建造中的建造中的Titanic 号号TITANIC的沉没的沉没与船体材料的质量与船体材料的质量直接有关直接有关 1912 1912年年4 4月号称永不沉没的泰坦尼克号（月号称永不沉没的泰坦尼克号（TitanicTitanic）首航沉）首航沉没于冰海，成了没于冰海，成了2020世纪令人

18、难以忘怀的悲惨海难。世纪令人难以忘怀的悲惨海难。2020世纪世纪8080年代后，材料科学家通过对打捞上来的泰坦尼克号船板进行研年代后，材料科学家通过对打捞上来的泰坦尼克号船板进行研究，回答了究，回答了8080年的未解之谜。由于年的未解之谜。由于Titanic Titanic 号采用了含硫高的号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，当船在冰水中钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，当船在冰水中撞击冰山时，脆性船板使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入撞击冰山时，脆性船板使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。下图中左面的试样取自海底的使船迅速沉没。下图中左面的试样取自海

19、底的TitanicTitanic号，冲号，冲击试样是典型的脆性断口，右面的是近代船用钢板的冲击试样。击试样是典型的脆性断口，右面的是近代船用钢板的冲击试样。 提高冲击韧性的途径提高冲击韧性的途径 改变材料的成分，如加入钒、钛、铝、改变材料的成分，如加入钒、钛、铝、氮等元素，通过细化晶粒来提高其韧性，尤其氮等元素，通过细化晶粒来提高其韧性，尤其是低温韧性；是低温韧性； 提高材料的冶金质量，减少偏析、夹渣、提高材料的冶金质量，减少偏析、夹渣、 气泡等缺陷；气泡等缺陷； 冲击韧性是一个对材料组织结构相当敏感的冲击韧性是一个对材料组织结构相当敏感的量，所以提高材料的冲击韧性的途径有：量，所以提高材料的

20、冲击韧性的途径有： 想想 一一 想想想想 一一 想想 人工作久了就人工作久了就会感到疲劳，难道会感到疲劳，难道金属工作久了也会金属工作久了也会疲劳吗？疲劳吗？ 金属的疲劳能金属的疲劳能得到恢复吗？得到恢复吗？ 金属材料在受到交变应力或重复循环应力金属材料在受到交变应力或重复循环应力时，往往在工作应力小于屈服强度的情况下突时，往往在工作应力小于屈服强度的情况下突然断裂，这种现象称为然断裂，这种现象称为疲劳断裂疲劳断裂。四、四、 疲劳强度疲劳强度 疲劳断裂与在静载作用下的断裂不同，疲劳断裂与在静载作用下的断裂不同，不管是脆性材料还是塑性材料，疲劳断裂不管是脆性材料还是塑性材料，疲劳断裂都是突然发生

21、的，事先均无明显的塑性变都是突然发生的，事先均无明显的塑性变形的预兆，很难事觉察到，所以具有很大形的预兆，很难事觉察到，所以具有很大的危险性。的危险性。 历史上有过惨痛的教训：历史上有过惨痛的教训： 19981998年年6 6月月3 3日，德国发生了战后最惨日，德国发生了战后最惨重的一起铁路交通事故。一列高速列车脱重的一起铁路交通事故。一列高速列车脱轨，造成轨，造成10101 1人遇难。人遇难。 事故的原因已经查清，是因为一节车厢的车轮事故的原因已经查清，是因为一节车厢的车轮“内部疲劳断裂内部疲劳断裂”引起的。首先是一个车轮的轮箍引起的。首先是一个车轮的轮箍发生断裂，导致车轮脱轨，进而造成车厢

22、横摆，此发生断裂，导致车轮脱轨，进而造成车厢横摆，此时列车正好过桥，横摆的车厢以其巨大的力量将桥时列车正好过桥，横摆的车厢以其巨大的力量将桥墩撞断，造成桥梁坍塌，压住了通过的列车车厢，墩撞断，造成桥梁坍塌，压住了通过的列车车厢，并使已通过桥洞的车头及前并使已通过桥洞的车头及前5 5节车厢断开，而后面节车厢断开，而后面的几节车厢则在巨大惯性的推动下接二连三地撞在的几节车厢则在巨大惯性的推动下接二连三地撞在坍塌的桥体上，从而导致了这场近坍塌的桥体上，从而导致了这场近5050年来德国最年来德国最惨重的铁路事故。惨重的铁路事故。 一般认为是由于材料含有杂质、表面划痕及其一般认为是由于材料含有杂质、表面

23、划痕及其他能引起应力集中的缺陷，导致产生微裂纹。这种他能引起应力集中的缺陷，导致产生微裂纹。这种微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，致使零微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，致使零件有效截面逐步缩减，直至不能承受所加载荷而突件有效截面逐步缩减，直至不能承受所加载荷而突然断裂。然断裂。金属疲劳产生的原因金属疲劳产生的原因1.1.变动载荷变动载荷 引起疲劳破坏的外力，指载荷大小、甚至引起疲劳破坏的外力，指载荷大小、甚至方向均随时间变化的载荷，其在单位面积上的平均方向均随时间变化的载荷，其在单位面积上的平均值即为值即为变动应力变动应力。 变动应力可分为规则周期变动应力变动应力可分为规则周期变动应

24、力( (也称也称循环循环应力应力) )和和无规则随机变动应力无规则随机变动应力两种。两种。a)a)应力大小变化应力大小变化 b)cb)c）应力大小和方向都变化）应力大小和方向都变化 d) d) 应力大小和方向无规则变化应力大小和方向无规则变化 2.2.疲劳断裂疲劳断裂 零件在循环应力作用下零件在循环应力作用下, ,在一处或几处产生局部永在一处或几处产生局部永久性累积损伤久性累积损伤, ,经一定循环次数后突然产生断裂的过程经一定循环次数后突然产生断裂的过程, ,称为疲劳断裂称为疲劳断裂. . 疲劳断裂由疲劳断裂由疲劳裂纹产生疲劳裂纹产生扩展扩展瞬时断裂瞬时断裂三个三个阶段组成。阶段组成。 v尽管

25、疲劳失效的最终结果尽管疲劳失效的最终结果是部件的突然断裂是部件的突然断裂, ,但实际但实际上它们是一个逐渐失效的上它们是一个逐渐失效的过程，从开始出现裂纹到过程，从开始出现裂纹到最后破断需要经过很长的最后破断需要经过很长的时间。时间。v疲劳断裂的宏观断口一般疲劳断裂的宏观断口一般由三个区域组成，即由三个区域组成，即疲劳疲劳裂纹产生区（裂纹源）裂纹产生区（裂纹源）、裂纹扩展区裂纹扩展区和和最后断裂区最后断裂区。3.3.疲劳断口疲劳断口 金属材料经过无数次循环作用而不致引起断金属材料经过无数次循环作用而不致引起断裂的最大应力叫裂的最大应力叫疲劳强度疲劳强度。当应力按正弦曲线对。当应力按正弦曲线对称

26、循环时，疲劳强度以符号称循环时，疲劳强度以符号 -1-1表示。表示。 由于实际测试不可能做到无数次应力循环，由于实际测试不可能做到无数次应力循环，故规定各种金属材料应有一定的应力循环基数。故规定各种金属材料应有一定的应力循环基数。如钢材以如钢材以10107 7为基数，即钢材的应力循环次数达为基数，即钢材的应力循环次数达到到10107 7仍不发生疲劳断裂，就认为不会再发生疲仍不发生疲劳断裂，就认为不会再发生疲劳断裂了。劳断裂了。4.4.疲劳强度疲劳强度5.5.提高疲劳极限的途径提高疲劳极限的途径 (1) (1)在设计上尽量避免应力集中，如避免尖角、在设计上尽量避免应力集中，如避免尖角、缺口和截面

27、突变。缺口和截面突变。 (2) (2)在工艺上降低零件表面粗糙度值，并避在工艺上降低零件表面粗糙度值，并避免表面划痕；对零件表面进行强化处理。免表面划痕；对零件表面进行强化处理。 (3) (3)在材料方面保证冶金质量，减少夹杂、在材料方面保证冶金质量，减少夹杂、疏松等缺陷。疏松等缺陷。复习巩固复习巩固1 1、金属的力学性能包括哪些指标？、金属的力学性能包括哪些指标？强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度。强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度。复习巩固复习巩固1 1、金属的力学性能包括哪些指标？、金属的力学性能包括哪些指标？2 2、材料的、材料的 和和 的值越大，说明材料的的值越大，说明材料的 性

28、越性越好；好；a ak k值越大，说明材料的值越大，说明材料的 性越好。性越好。韧韧塑塑复习巩固复习巩固1 1、金属的力学性能包括哪些指标？、金属的力学性能包括哪些指标？2 2、材料的、材料的 和和 的值越大，说明材料的的值越大，说明材料的 性越性越好；好；a ak k值越大，说明材料的值越大，说明材料的 性越好。性越好。3 3、什么叫硬度？常用测定硬度的方法有哪些？、什么叫硬度？常用测定硬度的方法有哪些？ 硬度是指材料表面抵抗局部塑性变形、压痕硬度是指材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力。或划痕的能力。 常用测定硬度的方法有布氏硬度法、洛氏硬常用测定硬度的方法有布氏硬度法、洛氏硬度法、

29、维氏硬度法。度法、维氏硬度法。复习巩固复习巩固1 1、金属的力学性能包括哪些指标？、金属的力学性能包括哪些指标？2、材料的材料的和和的的值值越大，越大，说说明材料的明材料的 性越性越好；好；a ak k值越大，说明材料的值越大，说明材料的 性越好。性越好。3 3、什么叫硬度？常用测定硬度的方法有哪些？、什么叫硬度？常用测定硬度的方法有哪些？4 4、150HBS150HBS、200HBW200HBW、100HRC100HRC含义是什么？含义是什么？150HBS150HBS表示用淬火钢球为压头时测得布氏硬度值为表示用淬火钢球为压头时测得布氏硬度值为150150；200HBW200HBW表示用硬质合金球为压头时测得布氏硬度值为表示用硬质合金球为压头时测得布氏硬度值为200200；100HR