绪论 工程材料的力学性能

1、 了解工程材料的主要了解工程材料的主要力学性能指标力学性能指标：屈服强：屈服强度、抗拉强度、延伸率、断面收缩率、硬度、冲度、抗拉强度、延伸率、断面收缩率、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性等力学性能及其击韧性、疲劳强度、断裂韧性等力学性能及其测测试原理试原理。 强调各种力学性能指标的强调各种力学性能指标的生产实际意义生产实际意义。教学目标教学目标定义：定义： 材料的力学性能是指材料在材料的力学性能是指材料在外加载荷外加载荷作用下作用下或或载荷与环境因素载荷与环境因素（温度、环境介质）联合作用（温度、环境介质）联合作用下所表现出来的行为，即下所表现出来的行为，即材料抵抗外加载荷引起材料抵抗外加载

2、荷引起的变形和断裂的能力的变形和断裂的能力。 指标：指标： 强度、塑性强度、塑性 、 硬度、冲击韧性硬度、冲击韧性 、疲劳强度、疲劳强度、蠕变极限、断裂韧性等。蠕变极限、断裂韧性等。1.1 单向静拉伸载荷下材料的力学性能单向静拉伸载荷下材料的力学性能1.2 硬度硬度1.3 冲击载荷下材料的力学性能冲击载荷下材料的力学性能1.4 疲劳载荷下材料的力学性能疲劳载荷下材料的力学性能1.5 高温条件下材料的力学性能高温条件下材料的力学性能1.6 断裂韧性断裂韧性教学内容教学内容1.1 单向静拉伸载荷下材料的力学性能单向静拉伸载荷下材料的力学性能1.1.1 拉伸实验与拉伸曲线拉伸实验与拉伸曲线1.1.2

3、 强度强度1.1.3 塑性塑性1. 拉伸试样拉伸试样GB6397-86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。常用常用标准圆形截面试样标准圆形截面试样。1.1.1 拉伸实验与拉伸曲线拉伸实验与拉伸曲线 l0d0标点标点长试样：长试样：L0=10d0短试样：短试样：L0=5d02. 拉伸实验拉伸实验3. 拉伸曲线（拉伸力拉伸曲线（拉伸力-伸长曲线）伸长曲线）O FD DlFeFsFbO FD Dl弹性阶段弹性阶段屈服阶段屈服阶段强化阶段强化阶段颈缩阶段颈缩阶段定义定义：拉伸试验中得出的：拉伸试验中得出的拉伸力拉伸力与与伸长量伸长量的关系曲线的关

4、系曲线Fk低碳钢的拉伸力伸长曲线低碳钢的拉伸力伸长曲线弹性阶段弹性阶段屈服阶段屈服阶段颈缩阶段颈缩阶段强化阶段强化阶段4. 拉伸曲线（应力拉伸曲线（应力-应变曲线）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试 样的原始横截面积S 0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bsek脆性材料的拉伸曲线（与

5、低碳钢试样相对比）脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象淬火钢及铸铁淬火钢及铸铁1.1.2 强度强度 强度的物理意义是表征强度的物理意义是表征材料对塑性变形和断裂的抗力材料对塑性变形和断裂的抗力。由由拉伸试验拉伸试验可测得材料的弹性极限、屈服强度和抗拉强度等可测得材料的弹性极限、屈服强度和抗拉强度等强度指标强度指标。1. 弹性极限弹性极限e 和弹性模量和弹性模量E 弹性极限e 是指材料在不产生塑性变形的情况下所能承受的最大应力。 弹性模数E是指材料在弹性范围内，应力与应变的比值/(GPa)。E = / E 标志材料抵抗弹性变

6、形的能力，用以表示材料的刚度。 E主要取决于金属本性，与晶体结构和原子间距有密切关系。合金化、热处理、冷塑性变形对其影响较小，即对组织不敏感。E=/ 2. 屈服强度屈服强度S 拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍然继续伸长的现象，称为材料的屈服现象。 拉伸试验过程中，卸去载荷后不能恢复的残余变形叫做塑性变形。 材料在外加载荷作用下开始发生塑性变形的最低应力值，称为材料的屈服强度，用符号S表示。 对于不出现明显屈服现象的材料，国家标准规定以试样产生 0.2% 塑性变形时的应力值作为该材料的屈服极限，用符号0.2表示。 屈服强度是设计和选材的主要依据之一。屈服强度是设计和选材的主要依据之一。S0.2

7、0.23. 抗拉强度抗拉强度b 抗拉强度的物理意义是表征材料对最大均匀变形的抗力，表示材料在拉伸条件下能够承受最大载荷时的应力值，用符号b表示。b= FbS0b 零件设计时一般不允许产生过量的塑性变形，如果使用b作为零件设计的依据，需要采用更大的安全系数。1.1.2 塑性塑性 金属材料在载荷的作用下，产生塑性变形而不断裂的能金属材料在载荷的作用下，产生塑性变形而不断裂的能力称为塑性。塑性指标常用金属断裂时的力称为塑性。塑性指标常用金属断裂时的最大相对塑性变形最大相对塑性变形来表示，如拉伸时的来表示，如拉伸时的延伸率延伸率和和断面收缩率断面收缩率。1. 延伸率延伸率 试样拉断后，标距的伸长与原始

8、标距的百分比。试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。l1-l0l0100%=l1试样拉断后的标距,mml0试样的原始标距,mm2. 断面收缩率断面收缩率S0-S1S0=100%S0试样原始横截面积, mm2S1颈缩处的横截面积,mm2 试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。1.2 硬度硬度1.1.1 布氏硬度布氏硬度1.1.2 洛氏硬度洛氏硬度1.1.3 维氏硬度和显微硬度维氏硬度和显微硬度 硬度是反应材料软硬程度的一种性能指标。硬度是反应材料软硬程度的一种性能指标。 布氏硬度试验是指布氏硬度试验是指用一定直

9、径的用一定直径的球体球体（钢（钢球或硬质合金球）以相球或硬质合金球）以相应的试验力压入式样表应的试验力压入式样表面，经规定保持时间后面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量的卸除试验力，用测量的表面压痕直径表面压痕直径计算硬度计算硬度的一种压痕硬度试验。的一种压痕硬度试验。1.2.1 布氏硬度布氏硬度布氏硬度布氏硬度= F A凹凹=2FDD-（D-d ） 使用刚球压头时布氏硬度值用符号使用刚球压头时布氏硬度值用符号HBS表示；表示；使用硬度合金压头时用符号使用硬度合金压头时用符号HBW表示。表示。 在实际测试时，不必用公式计算，一般用读数在实际测试时，不必用公式计算，一般用读数显微镜测出压痕直径

10、显微镜测出压痕直径d，然后根据，然后根据 d大小查表，即可大小查表，即可求出所测的硬度值。求出所测的硬度值。 举例举例: 120HBS10/1000/30表示直径为表示直径为10mm的钢球在的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持）载荷作用下保持30s测得的布氏测得的布氏硬度值为硬度值为120。 测量比较软的材料。测量测量比较软的材料。测量范围范围 HBS450、HBW650的的金属材料。金属材料。使用范围：使用范围： 压痕大，测量准确，但不压痕大，测量准确，但不能测量成品件。能测量成品件。适用于未经淬火的钢、铸铁、有适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻软的轴承合金。色金属

11、或质地轻软的轴承合金。 优缺点：优缺点：1.2.2 洛氏硬度洛氏硬度 洛氏硬度试验是指采用顶洛氏硬度试验是指采用顶角为角为120的的金刚石圆锥体金刚石圆锥体或或直径为直径为1.588mm的的淬火钢球淬火钢球作为压头。试验时先施加作为压头。试验时先施加初初载荷载荷，使压头与试样表面接，使压头与试样表面接触良好，保证测量准确，再触良好，保证测量准确，再施加施加主载荷主载荷，保持到规定的，保持到规定的时间后再卸除主载荷，依据时间后再卸除主载荷，依据压痕的深度压痕的深度来确定材料的硬来确定材料的硬度值。度值。洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HR表示，表示，HR=k-(h1-h0)/0.002加初载荷加初载

12、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20671500N120金刚石圆锥体HRC251001000N1.588mm钢球HRB7085600N120金刚石圆锥体HRA使用范围：使用范围：缺点：压痕小，测量不准确，缺点：压痕小，测量不准确， 需多次测量。需多次测量。优缺点：优缺点：优点：操作简便、迅速，效优点：操作简便、迅速，效 率高，可直接测量成率高，可直接测量成 品件及高硬度品件及高硬度 的材料。的材料。1.2.3 维氏硬度和显微硬度维氏硬度和显微硬度 维氏硬度测试原理维氏硬度测试原理与布氏硬与布氏硬度相同度相同，不同的是维氏硬度用的，不同的是维氏硬度用的压头是两相对面间的夹角

13、为压头是两相对面间的夹角为136的金刚石正四棱锥体的金刚石正四棱锥体。在。在载荷载荷P的作用下，在试样表面上的作用下，在试样表面上压出一个四方锥形的压痕（凹压出一个四方锥形的压痕（凹坑）。测量压痕对角线的长度坑）。测量压痕对角线的长度d，以计算压痕的表面积。，以计算压痕的表面积。以载以载荷荷P除以表面积的数值表示维氏除以表面积的数值表示维氏硬度硬度HV。 P为负荷，单位克；d是压痕对角线长度，单位微米。测量出d值后，可查表或计算求得显微硬度值。优点：优点： 载荷载荷P可以从可以从1Kg100Kg范围内根范围内根据试样大小，厚薄进行选择。改变负荷据试样大小，厚薄进行选择。改变负荷可测定从极软到极

14、硬材料的硬度。可测定从极软到极硬材料的硬度。 显微硬度显微硬度测试原理与维氏硬度完全相同，只是所用载测试原理与维氏硬度完全相同，只是所用载荷要小得多荷要小得多,一般小于一般小于200g力。常用于测定材料中某个相的力。常用于测定材料中某个相的硬度。硬度。硬度种类硬度种类硬度符号硬度符号压头类型压头类型载荷载荷/kgf硬度值有硬度值有效范围效范围典型应用典型应用布氏布氏HBS 10mm淬淬火钢球火钢球1000450退火、正火或退火、正火或调质钢件调质钢件HBW 10mm硬硬质合金球质合金球1000 0.4 Tm)蠕变明显，材料强度用蠕变明显，材料强度用蠕变强度蠕变强度和和持久持久强度强度表示：表示

15、：1）蠕变强度蠕变强度指材料在一定温度下一定时间内产生一定永久变指材料在一定温度下一定时间内产生一定永久变形量所能承受的最大应力。比如：形量所能承受的最大应力。比如：0.2/500800=200MPa表示表示800摄氏度下摄氏度下500小时发生小时发生0.2%应变的蠕变极限为应变的蠕变极限为200MPa。2）持久强度持久强度指材料在一定温度下一定时间内所能承受的最大指材料在一定温度下一定时间内所能承受的最大断裂应力。比如：断裂应力。比如：100800=120MPa表示表示800摄氏度下摄氏度下100小时小时的持久强度极限为的持久强度极限为120MPa。1.6 断裂韧性断裂韧性 由于裂纹的存在破坏了材料的均匀连续性，改变了材料内部应力状态由于裂纹的存在破坏了材料的均匀连续性，改变了材料内部应力状态和应力分布，传统的力学强度理论已不再适用。断裂力学就是在承认机件和应力分布，传统的力学强度理论已不再适用。断裂力学就是在承认机件中存在宏观裂纹的前提下发展起来的。中存在宏观裂