第2章 金属材料力学性能

1、l工艺性能：工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。材料在加工过程中所表现的性能。 铸造、锻压、焊接、热处理和切铸造、锻压、焊接、热处理和切 削性能等削性能等l使用性能：使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。材料在使用过程中所表现的性能。 力学性能力学性能、物理性能和化学性能、物理性能和化学性能 力学性能：力学性能：静态力学性能（强度、塑性、硬度）静态力学性能（强度、塑性、硬度） 动态力学性能（冲击韧性、疲劳极限等）动态力学性能（冲击韧性、疲劳极限等）一、金属材料的拉伸试验一、金属材料的拉伸试验评价材料力学性能最简单有效的方法：评价材料力学性能最简单有效的方法：测定材料的拉伸曲线测定材料的拉

2、伸曲线拉伸试验机拉伸试验机图图2.1 拉伸试样图拉伸试样图d0.8L0rLcabcdefgOFLl第第阶段（阶段（oa）：弹性）：弹性变形变形l第第阶段（阶段（ab）：滞弹）：滞弹性阶段性阶段l第第阶段（阶段（bc）：屈服）：屈服前微塑性变形前微塑性变形l第第阶段（阶段（cde）：屈）：屈服变形服变形l第第阶段（阶段（ef）：均匀塑性变形）：均匀塑性变形l第第阶段（阶段（fg）局部塑性变形）局部塑性变形拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象锌单晶的拉伸照片锌单晶的拉伸照片应力应力 = F/S0应变应变 = l/l0应力应力 = F/S0应变应变 = l/l0图图2.3 低碳钢的应力低碳钢的应力应

3、变曲线应变曲线APReHabcdefgReLRmf1A1O(=L/L0)(=F/S0)l比例极限比例极限 pl弹性极限弹性极限 A：材料承受最材料承受最大弹性变形时的应力。大弹性变形时的应力。l屈服强度：屈服强度：上屈服强度上屈服强度ReH 下屈服强度下屈服强度 ReLl规定残余延伸长强度规定残余延伸长强度Rr ：例如例如Rr0.2表示规定残余伸表示规定残余伸长率为长率为0.2时的应力时的应力 l抗拉强度抗拉强度Rm：材料在试样材料在试样断裂前所受的最大应力值断裂前所受的最大应力值 图图2.3 低碳钢的应力低碳钢的应力应变曲线应变曲线APReHabcdefgReLRmf1A1O(=L/L0)(

4、=F/S0) 1. 1. 强度强度材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。抗拉强度是零件设计时的重要依抗拉强度是零件设计时的重要依据，也是评定金属材料强度的重据，也是评定金属材料强度的重要指标之一。要指标之一。 断后伸长率：断后伸长率：%10000lllAu%10000SSSZu断面收缩率：断面收缩率：断裂后拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象 断裂前材料发生永久不可逆变形的能力断裂前材料发生永久不可逆变形的能力l说明：说明： 试样长度对材料的断后伸长率试样长度对材料的断后伸长率A有影响有影响。 比例标距比例标距 长试样：长试样：L0=10d0 ，伸

5、长率用，伸长率用A11.3 表示；表示； 短试样短试样：L0=5d0 ，伸长率用，伸长率用A5.65 表示。表示。 *同一试样，同一试样，l0 ，A 。00SkL 断裂后1. 布氏硬度布氏硬度HB)(2102. 022dDDDFHB布氏硬度计布氏硬度计 衡量材料软硬的指标，反映了材衡量材料软硬的指标，反映了材料抵抗表面局部塑性变形的能力。料抵抗表面局部塑性变形的能力。hdDOFl压头为钢球时，布氏硬度用符号压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬表示，适用于布氏硬度值在度值在450以下的材料。以下的材料。l压头为硬质合金球时，用符号压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬

6、表示，适用于布氏硬度在度在450-650的材料。的材料。l符号符号HBS或或HBW之前的数字表示硬之前的数字表示硬度值度值, 符号后面的数字按顺序分别表符号后面的数字按顺序分别表示示球体直径、载荷及载荷保持时间球体直径、载荷及载荷保持时间。如如 120HBS10/1000/30布氏硬度压痕布氏硬度压痕h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度计l洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HR表示表示l根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为为A、B、C。 lHR(A、C、D)100-e HRB=130-el符号符号HRHR前

7、面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。lHRA用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料, 如硬质如硬质合金、碳化物等。合金、碳化物等。lHRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料, 如有色如有色金属和退火、正火钢等。金属和退火、正火钢等。lHRC用于测量中等硬度材料，如调用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。质钢、淬火钢等。l洛氏硬度的优点：操作简便，压痕洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。小，适用范围广。l缺点：对于组织粗大且不均匀的材缺点：对于组织粗大且不均匀的材料，测得的硬度不够准确。料，测得的硬度不够准确。钢球压头与钢球压头与金刚石压头金刚

8、石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕l维氏硬度用符号维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的表示，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。数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。 如如640HV30/20l维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点，但需要在显微维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点，但需要在显微镜下测量压痕尺寸。镜下测量压痕尺寸。 小负荷维氏硬度计小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计显微维氏硬度计 反应材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。反应材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。

9、l韧度：韧度：材料在载荷作用下直至断裂前，单位体积吸收的变形材料在载荷作用下直至断裂前，单位体积吸收的变形功，是一个材料常数功，是一个材料常数l韧性：韧性：表征材料韧脆程度的广义词，不是材料常数表征材料韧脆程度的广义词，不是材料常数l冲击韧度值：试样缺口处单位横截面上的吸收功冲击韧度值：试样缺口处单位横截面上的吸收功 ak=Ak/F图2.7 摆锤式冲击试验原理冲击试样hH摆锤abl冲击吸收功冲击吸收功 Ak=G(H-h) Ak越大，材料的塑性越好越大，材料的塑性越好l材料的冲击韧度随温度下材料的冲击韧度随温度下降而下降。降而下降。在某一温度范在某一温度范围内冲击韧度值急剧下降围内冲击韧度值急剧

10、下降的现象称韧脆转变。发生的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧韧脆转变的温度范围称韧脆转变脆转变温度。温度。材料的使用材料的使用温度应高于韧脆转变温度温度应高于韧脆转变温度。韧体心立方金属具有韧脆转变体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金温度，而大多数面心立方金属没有。属没有。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Titanic近代船用钢板近代船用钢板l疲劳：材料在交变应力作用下，在一处或几处产生局部永疲劳：材料在交变应力作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完久性

11、累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。（如齿轮、轴、连杆等）全断裂的过程。（如齿轮、轴、连杆等）l材料经无数次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称材料经无数次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用为疲劳极限。用 -1-1表示。表示。 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。提高材料疲劳极限的方法：提高材料疲劳极限的方法：改善材料的形状结构，减少表面缺陷，进行表面强化等。改善材料的形状结构，减少表面缺陷，进行表面强化等。l材料抵抗磨损的能力。材料抵抗磨损的能力。可用磨损量（如试样表层的磨可用磨损量（如

12、试样表层的磨损厚度或试样体积或重量的减少）来表示，磨损量越损厚度或试样体积或重量的减少）来表示，磨损量越小，耐磨性越高。小，耐磨性越高。l减轻磨损，提高耐磨性的措施：减轻磨损，提高耐磨性的措施：选择摩擦系数小的材选择摩擦系数小的材料组合；提高零件的表面硬度；改善润滑条件等。料组合；提高零件的表面硬度；改善润滑条件等。 图图2.3 低碳钢的应力低碳钢的应力应变曲线应变曲线APReHabcdefgReLRmf1A1O(=L/L0)(=F/S0)低应力脆断：材料在远低于屈服低应力脆断：材料在远低于屈服强度的情况下出现脆性断裂强度的情况下出现脆性断裂。油油轮断裂和北极星导弹发动机壳体轮断裂和北极星导弹

13、发动机壳体爆炸与材料中存在微裂纹有关爆炸与材料中存在微裂纹有关 1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂北极星导弹北极星导弹裂纹扩展的基本形式裂纹扩展的基本形式断裂韧度断裂韧度 是反映材料抵抗脆性断裂能力的性能指标。是反映材料抵抗脆性断裂能力的性能指标。与裂纹的大小、形状和外加应力无关，主要取决于材料的与裂纹的大小、形状和外加应力无关，主要取决于材料的成分、内部组织和结构。成分、内部组织和结构。应力强度因子：应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标描述裂纹尖端附近应力场强度的指标aYKI CCICaYK 23/mMN断裂韧度断裂韧度：KI的临界值。的临界值。l C为断裂应力，为断裂应力，aC为临界裂纹半长，单位为为临界裂纹半长，单位为 l材料在长时间的恒温、恒应力作用下，即使应力小于屈服材料在长时间的恒温、恒应力作用下，即使应力小于屈服强度，也会缓慢地发生塑性变形，这种现象叫做强度，也会缓慢地发生塑性变形，这种现象叫做蠕变蠕变。通。通常温度越高，蠕变的发展越快，产生断裂的时间就越短。常温度越高，蠕变的发展越快，产生断裂的时间就越短。l高温下金属的强度可用高温下金属