第一章工程材料力学性能概念

1、工程材料及热加工工程材料及热加工第一章第一章 工程材料力学性能工程材料力学性能第一章第一章 工程材料力学性能工程材料力学性能 教学目标教学目标: : 掌握材料的主要力学性能指标：掌握材料的主要力学性能指标：屈服强度、抗拉强度屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率、硬度伸长率、断面收缩率、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性等力学性能及其测试原理；裂韧性等力学性能及其测试原理；工程材料及热加工工程材料及热加工第一章第一章 工程材料力学性能工程材料力学性能金属材料的力学性能金属材料的力学性能定义定义 : : 金属材料的力学性能是指金属材料在不同金属材料的力学性能是指金属材料在

2、不同环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。等）时所表现出的力学特征。 指标指标 : :弹性、刚度、弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧强度、塑性、硬度、冲击韧性性、断裂韧度和、断裂韧度和疲劳强度疲劳强度等。等。工程材料及热加工工程材料及热加工第一章第一章 工程材料力学性能工程材料力学性能材料的其他性能材料的其他性能 物理性能：物理性能：密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等；性等； 化学性能：化学性能：耐腐

3、蚀性、抗氧化性、化学稳定性等；耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等； 工艺性能：工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性、铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性、热处理工艺性等。热处理工艺性等。 工程材料及热加工工程材料及热加工第一章第一章 工程材料力学性能工程材料力学性能希腊字母发音 1 alpha a:lf 阿尔法 2 beta bet 贝塔 3 gamma ga:m 伽马 4 delta delt 德尔塔 5 epsilon epsilon 伊普西龙 6 zeta zat 截塔 7 eta eit 艾塔 8 thet it 西塔 9 iot aiot 约塔 10 kappa ka

4、p 卡帕 11 lambda lambd 兰布达 12 mu mju 缪 13 nu nju 纽 14 xi ksi 克西 15 omicron omikron 奥密克戎 16 pi pai 派 17 rho rou 肉 18 sigma sigma 西格马 19 tau tau 套 20 upsilon jupsilon 宇普西龙 21 phi fai 佛爱 22 chi phai 西 23 psi psai 普西 24 omega omiga 欧米伽 工程材料及热加工工程材料及热加工第一章第一章 工程材料力学性能工程材料力学性能1. 1. 强度、刚度、塑性强度、刚度、塑性 拉伸试验拉伸试验

5、1.1.拉伸试样拉伸试样GB6397-86GB6397-86规定规定金属拉伸试样金属拉伸试样有：有：圆形、矩形、异型及全截面圆形、矩形、异型及全截面常用标准圆截面试样。常用标准圆截面试样。长试样：长试样：L L0 0=10d=10d0 0; ;短试样：短试样：L L0 0=5d=5d0 0拉伸试样拉伸试样0lkl0dFFLkd 1.1 1.1 金属材料力学性能的主要指标金属材料力学性能的主要指标工程材料及热加工工程材料及热加工第一章第一章 工程材料力学性能工程材料力学性能 2.2.拉伸过程拉伸过程工程材料及热加工工程材料及热加工第一章第一章 工程材料力学性能工程材料力学性能拉伸试样的颈缩现象拉

6、伸试样的颈缩现象拉伸试拉伸试验机验机拉伸试验拉伸试验（视频）（视频）工程材料及热加工工程材料及热加工第一章第一章 工程材料力学性能工程材料力学性能opop段：比例弹性变形阶段；段：比例弹性变形阶段；pepe段：非比例弹性变形阶段；段：非比例弹性变形阶段；平台或锯齿（平台或锯齿（s s段段）：屈服阶段；）：屈服阶段；sbsb段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。段。b b点点：形成了：形成了“缩颈缩颈”。bkbk段：非均匀变形阶段，承载下降，段：非均匀变形阶段，承载下降，到到k k点断裂。点断裂。断裂总伸长为断裂总伸长为OfOf，其中塑形变形其中塑形变形O Og(g(试

7、样断后测得的伸长试样断后测得的伸长) )，弹性伸长，弹性伸长gfgf。 l Fl bl ul Fbbk Fss o g fe Fep Fp3.3.拉伸曲线拉伸曲线工程材料及热加工工程材料及热加工第一章第一章 工程材料力学性能工程材料力学性能退火低碳钢退火低碳钢低、中回火钢低、中回火钢淬火钢及铸铁淬火钢及铸铁中碳调质钢中碳调质钢4.4.不同材料的拉伸曲线不同材料的拉伸曲线工程材料及热加工工程材料及热加工第一章第一章 工程材料力学性能工程材料力学性能1弹性模量（刚度） 在弹性变形范围内，应力与应变的比值（OP的斜率）称为材料的弹性模量，工程上称为刚度，即为： 式中： （MPa）（单位截面上的拉力）

8、； （单位长度上的伸长量）。 弹性模量E是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标。E愈大，则使其产生一定量弹性变形的应力也应愈大。金属材料弹性模量E主要决定于金属材料本身的性质，是金属材料最稳定的性能之一。各种加工工艺对其影响甚小，在室温下，钢的弹性模量大都是在1910422104MPa之间，但弹性模量随温度的升高逐渐降低。20FFAr工程材料及热加工工程材料及热加工第一章第一章 工程材料力学性能工程材料力学性能 2 2屈服强度屈服强度 屈服强度是静拉伸过程中开始产生塑性变形时的应力，即为拉伸曲屈服强度是静拉伸过程中开始产生塑性变形时的应力，即为拉伸曲线上线上S S点的载荷大小与试棒原始截面积之比

9、，用点的载荷大小与试棒原始截面积之比，用S S表示：表示： S S= =F Fs s /A/A0 0(Mpa)(Mpa) 但有些材料没有明显的屈服点但有些材料没有明显的屈服点S S，因此，规定以试样产生，因此，规定以试样产生0.2%0.2%残余变形时的应力值作为该材料的条件屈服强度，以残余变形时的应力值作为该材料的条件屈服强度，以0.20.2表示。表示。 对于有些零件在工作中不允许发生塑性变形，对于有些零件在工作中不允许发生塑性变形，所以所以S S 是设是设计中材料强度的主要参数，是材料的重要力学性能指标之一计中材料强度的主要参数，是材料的重要力学性能指标之一。 强度强度: : 材料在载荷作用

10、下抵抗永久变形和破坏的能力。材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。工程材料及热加工工程材料及热加工第一章第一章 工程材料力学性能工程材料力学性能 3 3抗拉强度抗拉强度 抗拉强度是静拉伸过程中试样被拉断前的最大应力，抗拉强度是静拉伸过程中试样被拉断前的最大应力，即材料拉伸曲线上即材料拉伸曲线上B B点时的载荷大小与原始截面之比，用点时的载荷大小与原始截面之比，用b b表示：表示： 抗拉强度表示材料在拉力作用下抵抗断裂的能力，是抗拉强度表示材料在拉力作用下抵抗断裂的能力，是设计和选材的重要力学性能指标之一。设计和选材的重要力学性能指标之一。合金化、热处理、冷热加工对材料的合金化、热处理、冷热

11、加工对材料的S S、b b数值会数值会发生很大的影响。发生很大的影响。工程材料及热加工工程材料及热加工第一章第一章 工程材料力学性能工程材料力学性能 4 4. .塑性塑性: : 是指材料在载荷作用下产生变形而不被破坏的能力。是指材料在载荷作用下产生变形而不被破坏的能力。 (1)(1)断面收缩率断面收缩率: : 是指试样拉断处横截面积的收是指试样拉断处横截面积的收缩量与原始横截面积之比。缩量与原始横截面积之比。 (2)(2)伸长率伸长率: :是指试样拉断后的标距伸长量是指试样拉断后的标距伸长量 L L 与原始标距与原始标距L L 0 0之比。之比。 (伸长率伸长率、断面收缩率、断面收缩率) 伸长

12、率和断面收缩率只是材料塑性的标志，一般不作为设计零件的直接依据。工程材料及热加工工程材料及热加工第一章第一章 工程材料力学性能工程材料力学性能练习题一练习题一 拉力试样的原标距长度为拉力试样的原标距长度为50mm50mm，直径为，直径为10mm10mm，经拉力试验，经拉力试验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为71mm71mm，颈缩区的最小直径为，颈缩区的最小直径为4.9mm4.9mm，试求该材料的伸长率，试求该材料的伸长率和断面收缩率的值？和断面收缩率的值？解：解：=（71-5071-50）/50 x100%=42%/50 x1

13、00%=42%S S0 0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2)=3.14x(10/2)2=78.5(mm2)S S1 1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2)=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2)=(S=(S0 0-S-S1 1)/S)/S0 0 x100%=24%x100%=24%工程材料及热加工工程材料及热加工第一章第一章 工程材料力学性能工程材料力学性能练习题二练习题二 某工厂买回一批材料（要求：某工厂买回一批材料（要求：s s230MPa230MPa；b b410MPa410MPa；5 523%23%；50%50%）做短试样（）做短试样（0 0=5=5

14、0 0；0 0=10mm=10mm）拉）拉伸试验，结果如下：伸试验，结果如下：F Fs s=19KN=19KN，F Fb b=34.5KN=34.5KN；l l1 1=63.1mm=63.1mm；d d1 1=6.3mm;=6.3mm;问买回的材料合格吗？问买回的材料合格吗？解：解： 根据试验结果计算如下：根据试验结果计算如下：s sFsFss s(19x1000)/(3.14x52 )=242(19x1000)/(3.14x52 )=242 230MPa 230MPa b b FbFb s s(34.5x1000)/(3.14x52 )=439.5 (34.5x1000)/(3.14x52

15、)=439.5 410MPa 410MPa 5 5 l l l l 0 0 x100% x100% (63.1-50)/50 x100%=26.2% (63.1-50)/50 x100%=26.2% 23%23% S S S S 0 0 x100% x100% 60.31% 60.31% 50%50%材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格。材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格。工程材料及热加工工程材料及热加工第一章第一章 工程材料力学性能工程材料力学性能二、疲劳强度二、疲劳强度( fatigue strength ):( fatigue strength ): 表示材料经无数次交变载荷作

16、用而不致表示材料经无数次交变载荷作用而不致 引起断裂的最大应力值。引起断裂的最大应力值。工程材料及热加工工程材料及热加工第一章第一章 工程材料力学性能工程材料力学性能钢材的循环次数一般取钢材的循环次数一般取 N = 10N = 107 7有色金属的循环次数一般取有色金属的循环次数一般取 N = 10N = 108 8钢材的钢材的疲劳强度疲劳强度与与抗拉强度抗拉强度之间的关系之间的关系: : -1-1 = (0.45 = (0.450.55) 0.55) b b工程材料及热加工工程材料及热加工第一章第一章 工程材料力学性能工程材料力学性能1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂工程材料

17、及热加工工程材料及热加工第一章第一章 工程材料力学性能工程材料力学性能布氏硬度布氏硬度HB HB 洛氏硬度洛氏硬度HR HR 维氏硬度维氏硬度HVHV* *锉刀法锉刀法硬度硬度( hardness ):( hardness ):是指材料抵抗其他硬物是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力体压入其表面的能力常用测量硬度的方法常用测量硬度的方法三、硬度三、硬度DdDF工程材料及热加工工程材料及热加工第一章第一章 工程材料力学性能工程材料力学性能1.1.布氏硬度布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )HB ( Brinell-hardness )布氏硬度计布氏硬度计 硬度值硬度值+ +

18、符号符号HBSHBS或或HBWHBW +( +(球体直径、载荷及载荷保持时间球体直径、载荷及载荷保持时间) )。如如: :120HBS10/1000/30120HBS10/1000/30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）载荷作用下作用下保持保持30s30s测得的测得的布氏硬度值为布氏硬度值为120120。工程材料及热加工工程材料及热加工第一章第一章 工程材料力学性能工程材料力学性能适用范围适用范围:v 450HBS（淬火钢球）（淬火钢球）v 650HBW(硬质合金硬质合金)应用范围：应用范围： 测定结果较稳定、

19、准测定结果较稳定、准确；但不宜测太薄、太硬或成品确；但不宜测太薄、太硬或成品件。件。 HBS用于测小于用于测小于450的材料；的材料；HBW用测小于用测小于650的材料。的材料。主要用来测灰铸铁、有色金属及主要用来测灰铸铁、有色金属及经退火、正火和调质处理的钢材。经退火、正火和调质处理的钢材。工程材料及热加工工程材料及热加工第一章第一章 工程材料力学性能工程材料力学性能2.2.洛氏硬度洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness )HR ( Rockwll hardness )1 1）试验原理：用顶角为）试验原理：用顶角为120120的金刚石圆锥的金刚石圆锥或直径为或直径为1.588m

20、m1.588mm的淬火钢球作压头，在初始试验的淬火钢球作压头，在初始试验力力F F1 1（98N98N）及总试验力）及总试验力F F作用下，将压头压入试样作用下，将压头压入试样表面，按规定保持时间后卸除主试验力，用测量的表面，按规定保持时间后卸除主试验力，用测量的残余压痕深度增量计算硬度。残余压痕深度增量计算硬度。工程材料及热加工工程材料及热加工第一章第一章 工程材料力学性能工程材料力学性能洛氏硬度实验原理示意图洛氏硬度实验原理示意图工程材料及热加工工程材料及热加工第一章第一章 工程材料力学性能工程材料力学性能(2)洛氏硬度表示方法洛氏硬度表示方法如如4045HRC 常见洛氏硬度的试验条件及应

21、用范围常见洛氏硬度的试验条件及应用范围工程材料及热加工工程材料及热加工第一章第一章 工程材料力学性能工程材料力学性能3.3.维氏硬度维氏硬度 HVHV ( diamond penetrator ( diamond penetrator hardness )hardness )适用范围适用范围: 测量薄板类测量薄板类 ; HVHBS ;工程材料及热加工工程材料及热加工第一章第一章 工程材料力学性能工程材料力学性能锉刀法（了解）锉刀法（了解）: : 一组硬度差为一组硬度差为5HRC5HRC的锉刀。的锉刀。例如例如: :10HRC10HRC、15HRC15HRC、20HRC20HRC等。等。工程材料

22、及热加工工程材料及热加工第一章第一章 工程材料力学性能工程材料力学性能四、冲击韧性四、冲击韧性( notch toughness ):( notch toughness ): 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。工程材料及热加工工程材料及热加工第一章第一章 工程材料力学性能工程材料力学性能冲击韧性冲击韧性a akuku为（即以试样冲断时消耗的功表示材料的冲击值）：为（即以试样冲断时消耗的功表示材料的冲击值）： 式中：式中：GG为摆锤的质量（为摆锤的质量（kgkg）；）；H1H1、H2H2分别为冲击前、后摆锤的高度（分别为冲击前、后摆锤的高度（m m）；）；A

23、A为试样断口处的截面积（为试样断口处的截面积（cm2cm2）。）。 对于脆性材料（如铸铁、工、模具钢等），做冲击弯曲试验时，试样不开缺口，因对于脆性材料（如铸铁、工、模具钢等），做冲击弯曲试验时，试样不开缺口，因为开缺口的材料冲击值太低，难以比较不同材料冲击韧性的差异。为开缺口的材料冲击值太低，难以比较不同材料冲击韧性的差异。 材料的冲击值一般不作为设计零件的直接依据，只是作为材料的韧性指标。材料的冲击值一般不作为设计零件的直接依据，只是作为材料的韧性指标。（冲击试验）工程材料及热加工工程材料及热加工第一章第一章 工程材料力学性能工程材料力学性能五. 断裂韧性 断裂韧性是指带微裂纹的材料或零件阻止裂纹扩展的能力。金属材断裂韧性是指带微裂纹的材料或零件阻止裂纹扩展的能力。金属材料从冶炼到各种加工过程，都有可能在材料内部产生微裂纹，这种裂料从冶炼到各种加工过程，都有可能在材料内部产生微裂纹，这