第1部分-金属材料的力学性能

1、金属材料的力学性能金属材料的力学性能体育装备材料体育装备材料主讲教师：王虹主讲教师：王虹Email： Tel:OAD ENERGY概述概述u 使用性能：材料在使用过程中所表现使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。化学性能。u 工艺性能：材料在加工过程中所表现工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。处理和切削性能等。神舟一号飞船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

2、变化，称为变形变形。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 ENERGYu 强度：强度：材料在外力作用下抵抗变材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。形和破坏的能力。u 屈服强度屈服强度 s s：材料发生微量塑性变材料发生微量塑性变形时的应力值。形时的应力值。u 条件屈服强度条件屈服强度 0.20.2：残余变形量为残余变形量为0.2%0.2%时的应力值。时的应力值。u 抗拉

3、强度抗拉强度 b b：材料断裂前所承受的材料断裂前所承受的最大应力值。最大应力值。s0.2一、弹性和塑性一、弹性和塑性ROAD ENERGYu 弹性：弹性：指标为弹性极限指标为弹性极限 e e，即，即材料材料承受最大弹性变形时的应力。承受最大弹性变形时的应力。u 刚度：刚度：材料受力时抵抗弹性变形的材料受力时抵抗弹性变形的能力。能力。指标为弹性模量指标为弹性模量E E* *惯性矩惯性矩I I。 ）（MPaE tane弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度

4、。 一、弹性和塑性一、弹性和塑性ROAD ENERGY低碳钢的应力-应变曲线拉伸试样拉伸试验机应力 = P/F0应变 = (l-l0)/l0ROAD ENERGY塑性：塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。指标为：指标为： 伸长率：伸长率：%100001 lll %100010FFF断面收缩率：断裂后拉伸试样的颈缩现象一、弹性和塑性一、弹性和塑性ROAD ENERGYu 说明：说明：u 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。u 直径直径d d0 0 相同时，相同时，l l0 0 ， 。只有当。只有

5、当l l0 0/d/d0 0 为常数时，塑为常数时，塑性值才有可比性。性值才有可比性。u 当当l l0 0=10d=10d0 0 时，伸长率用时，伸长率用 表示；表示；u 当当l l0 0=5d=5d0 0 时，伸长率用时，伸长率用 5 5 表示。显然表示。显然 5 5 时，无颈缩，为脆性材料表征时，无颈缩，为脆性材料表征 450的试验h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计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

6、面的数字为硬度值，后面为前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。使用的标尺。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：操作简便，压痕小，适用范围广。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 洛式硬度压痕很小，测量值有局部性，须测数点求平均值，适用成品和

7、薄片，归于无损检测一类；布式硬度压痕较大，测量值准，不适用成品和薄片，一般不归于无损检测一类。u 洛式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。） 布式硬度的硬度值有单位，且和抗拉强度有一定的近似关系。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 洛式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。布式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。u 在一定条件下，HB与HRC可以查表互换。其心算公式可大概记为：1HRC1/10HB。 u 硬度试验是机械性能试验中最简单易行的

8、一种试验方法。为了能用硬度试验代替某些机械性能试验，生产上需要一个比较准确的硬度和强度的换算关系。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 实践证明，金属材料的各种硬度值之间，硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高。ROAD ENERGY二、硬度二、硬度n 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一种以正四棱锥金刚石为压头的硬度测量方法。压头的两个相对面间的夹角为136度，硬度值定义与布氏硬度相同，即压痕表面上单位面积

9、所能承受的压力，所不同的是压痕形状为四棱锥，用测量压痕对角线的平均长度来计算压痕面积及硬度值 .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及载荷保持时间。分别表示载荷值及载荷保持时间。u 根据载荷范围不同，规定了三种测定方法根据载荷范围不同，规定了三种测定方法维氏硬度试验维氏硬度试验 、小负荷维、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。氏硬度试验、显微维氏硬度试验。u 维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。 小负荷维氏硬度计显微维氏硬

10、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。常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧度。用一次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

11、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

12、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

13、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

14、、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）, ,导致微裂纹导致微裂纹, ,裂裂纹扩展致使零件不能承受所加载纹扩展致使零件不能承受所加载荷突然破坏。荷突然破坏。四、疲劳强度四、疲劳强度ROAD ENERGY通过通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化化等方法可提高材料疲劳抗力。等方法可提高材料疲劳抗力。轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）四、疲劳强度四、疲劳强度ROAD ENERGY 材料有杂质、表面划伤等缺陷应力集中 微裂纹 裂

15、纹扩展 破 坏五、产生疲劳破坏的原因五、产生疲劳破坏的原因ROAD ENERGY六、金属材料的其他性能六、金属材料的其他性能u 使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力力学性能、物理性能和化学性能学性能、物理性能和化学性能。物理性能：密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性。如，飞机上使用的零件要求比重轻；电机、电器用零件要考虑导电性， 等等。化学性能：室温或高温时抵抗各种化学作用的能力，也称化学稳定性， 包括耐酸性、耐碱性、抗氧化性等等。如，化工设备、医疗器械要求化学稳定性好。ROAD ENERGY各种金属材料存在各不相同的使用性能。因此：u必须首先熟悉各种金属材料的主要性能。u根据不同的技术要求，选择合适的金属材料。六、金属材料的其他性能六、金属材料的其他性能