工程材料及成形工艺基础课件：材料成形基础2-材料性能

1、工程材料的性能第一节 工程材料的力学性能几个基本概念1.力学性能：材料在外力作用下显示的性能。如：强度、硬度、塑性、韧性等。2.外力（载荷）：静载荷、冲击载荷、交变载荷。3.内力和应力内力：材料内部产生的大小与载荷相等，方向相反的抗力。应力：单位面积上的内力。P: 外力（N）A:受力面积（mm2）：应力（MPa）一、强度与塑性（一）强度：材料在静载荷作用下抵抗变形和 断裂的能力。强度抗拉强度抗压强度抗剪强度抗弯强度抗扭强度一般以抗拉强度作为基本强度指标。1. 拉伸试样: 根据GB6397-86制造。通常：l0=5d0 和 l0=10d0 ，D, h由夹头尺寸定。l0LhD装试样 缓慢加载 试样

2、伸长 颈缩断裂试验过程：实验机记录了拉断时的最大载荷Fmax。曲线记录仪上记录了载荷和试样相对伸长l的关系曲线。五个阶段：oA段：弹性变形阶段。最大载荷PA，去除载荷后变形完全消失。AB段：微量塑性变形阶段。去除载荷后变形不能完全消失。BC段：屈服阶段。最小载荷Ps，Ps不变，试样变形继续增加。CD段：(强化阶段）均匀变形阶段。最大载荷Pb，试样产生大量塑性变形并沿标距均匀增加。DE段：颈缩阶段。试样局部变细（颈缩）载荷逐渐减小，最后在颈缩处被拉断。OA段应力与应变呈正比关系，即符合虎克定律=E。E为材料的弹性模量，对特定的材料E为常数。该阶段称为比例变形阶段。AA段曲线微弯表明应力与应变不呈

3、正比，但除去试验力后试样将恢复原长度，称为弹性变形阶段。由于A点与A点相距较近，通常不作区分，而把OA段称为弹性变形阶段。为使曲线能够直接反映出材料的力学性能，可用应力（试样单位截面上的力，）代替试验力,以应变（试样单位长度上的 伸长量，）取代伸长量l。由此绘成的曲线, 称为应力应变曲线。曲线和 l曲线形状相同，仅是坐标的含义不同。(b) 应力一应变曲线(-曲线) 2.强度指标（1）屈服点（屈服极限） 材料产生屈服现象时的最小应力 。（MPa）s 试样屈服时所承受的最小试验力，N； A0试样原始截面积，mm2。 对无明显屈服现象的（脆性材料）材料，规定残余伸长应力r为相应的强度指标。 例如：0

4、.2为残余伸长率为0.2%时的应力。通常0.2称为条件屈服极限。OseA0.2%Ss0.2屈服强度s和规定残余伸长应力0.2都是衡量材料塑性变形抗力的指标。机械零件在工作时如受力过大，则因过量的塑性变形而失效。当零件工作时所受的应力低于材料的屈服强度或规定的残余伸长应力时，则不会产生过量的塑性变形。材料的屈服强度或规定的残余伸长应力越高，允许的工作应力也越高，则零件的截面尺寸及自身质量就可以减小。材料的屈服强度或规定的残余伸长应力是机械零件设计的主要依据，是评定金属材料性能的重要指标。屈服强度是对组织、成分敏感的性能，可通过热处理、合金化以及塑性变形等方法在很大范围内变化。提高材料的屈服强度往

5、往是热处理、合金化以及塑性变形的主要目的之一。（2）抗拉强度（强度极限）材料在拉伸过程中所能承受的最大载荷与原始截面积之比称为抗拉强度。 （MPa）强度极限表征材料对最大均匀塑性变形的抗力，是材料的主要力学性能指标之一。零件在工作中所承受的应力，不允许超过抗拉强度，否则会产生断裂。b也是机械零件设计和选材的重要依据。将试件拉伸到如图1-2(b)的F点，逐渐撤力，卸载过程中试件的应力、应变沿着与OA平行的直线返回到O1点。表明材料在卸载中应力增量与应变增量成直线关系 即=E 卸载定律载荷全部卸掉后达到O1点，这表明OO1所代表的是不可消失的塑性应变p。对残余应变试件再加载， 应力应变基本上沿着卸

6、载直线O1F上升，到F点后仍沿曲线FDE上升，直到断裂。冷作硬化（加工硬化）当=s时并不发生屈服，而是达到F点的应力后才出现塑性变形，材料的比例极限提高了， 断后的残余应变比原来的少了OO1段。常温下经塑性变形使材料强度提高、 塑性降低的现象，叫做冷作硬化。当构件对塑性的要求不高时，可用冷作硬化提高材料的比例极限与屈服极限，例如对起重机的钢丝绳采用冷拔工艺，对某些型钢采用冷轧工艺均可收到这种效果。建筑工程中的预应力钢筋，是冷作硬化的一个应用。 1234102030e(%)0100200300400500600700800900s(MPa)1、锰钢 2、硬铝 3、退火球墨铸铁 4、低碳钢特点：伸

7、长率较大，为塑性材料。 其它金属材料拉伸时的力学性能测定灰铸铁拉伸机械性能 OPD L强度极限：Pb sb拉伸强度极限，脆性材料唯一拉伸力学性能指标。 应力应变不成比例，无屈服、颈缩现象，变形很小且sb很低。 金属材料压缩时的力学性能 比例极限spy，屈服极限ssy，弹性模量Ey基本与拉伸时相同。1.低碳钢压缩实验：s(MPa)200400e0.10.2O低碳钢压缩应力应变曲线低碳钢拉伸应力应变曲线应力集中的概念 应力集中程度与外形的骤变程度直接相关，骤变越剧烈，应力集中程度越剧烈。 静载下，塑性材料可不考虑，脆性材料（除特殊的，如铸铁）应考虑。 动载下，塑性和脆性材料均需考虑。 应力集中现象

8、：由于截面骤变而引起的局部应力发生骤然变化的现象。 理想应力集中系数:其中：-最大局部应力-名义应力（平均应力）（二）塑性1.塑性：材料在断裂前发生塑性变形的能力。断裂前塑变大，称为塑性好；反之塑性差。塑性差的材料称为脆性材料。例如HT200。塑性好的材料便于锻压、冷冲压、冷拔等加工工艺。2.塑性指标（1）伸长率：试样拉断后，标距的伸长 量与原始标距的百分比，称为伸长率。l0试样原始标距长度，mm。l1试样拉断后的标距长度，mm。伸长率的数值与试样尺寸有关，试验时应对所选定的试样尺寸做出规定，以便比较。如l0=5d0时，用5表示；l0=10d0时，用10或表示。A0试样的原始截面面积，mm2；

9、A1试样拉断后，断口处截面积，mm2。和值愈大，材料的塑性愈好。 （2）断面收缩率：试样拉断后，横截面积 缩减量与原横截面积之百分比。例1-1 有一低碳钢拉伸试样，原直径为10mm、标距长为100mm，拉伸时在载荷为21000N时发生屈服，试样断裂前的最大载荷为30000N，断裂后长度为133mm，断裂处最小直径为6mm, 试计算s、b、。解：计算试样原始横截面积A0 A0= (d0/2)2=(10/2)23.14=78.5（mm2）计算试样断口处截面积A1 A1= (d1/2)2=(6/2)23.14=28.3（mm2）s=Ps/A0= 21000/78.5 =267.5 MPab= Pb/

10、A0=30000/78.5 = 382.2 MPa二、硬度（一）硬度：材料表面抵抗局部变形特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度。它是衡量材料软硬程度的指标。易压入，材料软，反之材料硬。通常硬度越高，材料的耐磨性越好，强度也越高。硬度是重要的力学性能指标。常用硬度指标有：布氏、洛氏和维氏三种。（二）硬度指标1.布氏硬度（1）试验方法： 用一定大小的试验力F,把 直径为D金属球压入被测工件 的表面； 保持规定时间后卸除试验力； 用读数显微镜测出压痕平均 直径d, 求出或查出硬度值。1-5（2）试验原理：用压痕单位面积承受上的平均压力表示硬度的大小。F为试验载荷（N）；D为金属球直径（mm）;d

11、为压痕直径（mm）。当F、D一定时，d越小材料硬度越高。通常用专用放大镜测d，查表得硬度值。（3）符号及表示方法符号：布氏硬度在450以下的材料，试验压头为淬火钢球，布氏硬度符号 HBS； 布氏硬度在 650以下的材料，试验压头为硬质合金球，布氏硬度符号HBW。表示方法：硬度值HBS(HBW)+压头直径/试验载荷/保荷时间例：170HBS10/1000/30表示用压头直径为10mm的淬火钢球，加载9807N ，保荷30秒，测得布氏硬度为170。当压头直径为10mm，保荷时间为1015秒，载荷为29. 42kN（3000kgf）时，通常表示为：硬度值HBS（HBW）（4）试验条件的选择 0.25

12、Dd0.6D，否则测量无效，故需根据材料的种类、硬度范围及厚度选择试验条件。试验条件：压头常用直径有10mm、5mm、2.5mm三种，试验力有29420N、9807N、7355N、2452N、1839N、613N、153N等数种。 按表1-1选择试验条件。F/D2值相同时，才可比较硬度值大小。（5）布氏硬度试验应用范围主要用于铸铁、非铁金属以及经退火、正火和调质处理的钢材的硬度测定。（低硬度材料）优点：压痕面积大，测量的硬度代表全面，与抗拉强度之间有一定换算关系。b=KHB（低碳钢K3.6）。缺点:压痕大，成品检验有困难，不易测薄板金属材料的硬度，450(650)HB以上不能使用。（2）洛氏硬

13、度 洛氏硬度试验原理 加初试验力F0，压入深度为h1。再加主试验力F1，在总试验力F的作用下，压头压入深度为h2。卸除主试验力，弹性变形恢复，压头回升到h3的位置，由主试验力所引起的塑性变形的压痕深度h=h3-h1。 测试原理：测量压痕深度增量计算硬度值。金属越硬，h值越小。 为适应习惯上数值越大硬度越高的观念，规定常数K减去压痕深度h的值为洛氏硬度指标， 且每0.002mm为一个洛氏硬度单位，用符号HR表示。洛氏硬度是一个无量纲材料性能指标，使用金刚石压头时，K=0.2；使用钢球压头时，K=0.26。 洛氏硬度标尺：HRA、HRB、HRC三种。表1-2列出了各个硬度标尺的压头、总载荷及其适用

14、材料。其中，HRC在生产中应用最广。硬度符号压头类型总试验力F(kN)硬度值有效范围应用举例HRA120金刚石圆锥体0.58847085硬质合金，表面淬硬层，渗碳层。HRB1.588mm钢球0.980725100非铁金属，退火、正火钢等。HRC120金刚石圆锥体1.47112067淬火钢、调质钢等。总试验力=初始试验力+主试验力；初始试验力全为98N。HR试验的优缺点优点：操作迅速，可测极软到极硬的材料，压痕小可测成品或半成品硬度。（能直接读出硬度值） 缺点：材料不均匀时测量不准确，不同标尺不能直接比较硬度大小。将被测工件的不同部位测量数次（至少三次），取其算术平均值，可解决重复性较差的缺点。

15、 例： 60HRC和80HRA不能直接比较大小。应用范围：HRC标尺主用于测量淬火、调质钢的硬度。（HRA、HRB标尺的应用见表1-2)HRC与HB的近似关系：例：300HBS30HRC布氏硬度F/D2值相同时，才可比较大小且650HBW以上不能使用。洛氏硬度不同标尺不能直接比较硬度大小。维氏硬度（符号为HV） 可克服以上缺点其试验方法和技术条件可参阅国家标准GB4340-84。维氏硬度适用范围: 维氏硬度适用于测定微小、薄形、表面渗镀层试件的显微硬度 维氏硬度原理 采用正四棱锥体金刚石压头，在试验力作用下压入试样表面，保持规定时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕对角线长度。 试验力除以压痕表

16、面积的商就是维氏硬度值。维氏硬度值按下式计算： HV = 常数试验力/压痕表面积 0.1891 Fd2式中：HV维氏硬度符号； F试验力，N； d压痕两对角线d1、d2的算术平均值，mm 实用中是根据对角线长度d通过查表得到维氏硬度值。 国家标准规定维氏硬度压痕对角线长度范围为0.0201.400mm 维氏硬度维氏硬度的表示方法 维氏硬度计表示为HV，维氏硬度符号HV前面的数值为硬度值，后面为试验力值。标准的试验保持时间为1015S。如果选用的时间超出这一范围，在力值后面还要注上保持时间。例如： 600HV30表示采用294.2N（30kg）的试验力，保持时间1015S时得到的硬度值为600。

17、 600HV30/20表示采用294.2N（30kg）的试验力，保持时间20S时得到的硬度值为600。 静 载 荷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（如锅炉压力）； 动 载 荷 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（如空气压缩机曲轴）其对材料的作用效果或破坏效应大于静载荷。三、韧性1. 冲击韧性：材料抵抗冲击载荷，而不致破坏的性能。强度：静载荷指标。例：起重机用钢丝绳，要考虑静载荷指标。锤子、锻模的工作条件就与静载荷差距很大（冲击载荷）要用韧性指标。2.冲击试样：方型截面，中间带缺口。标准冲击试样试验过程：（1）

18、将试样放在试验机支座上，缺口背向摆锤冲向；（2）将摆锤抬到一定高度H1;（3）使摆锤自由落下，将试样击断并自由回升到高 度H2。H1-举起高度（m）；H2-回升高度（m）；G-摆锤重量（N）。冲击试验示意图试验原理：（1）冲击功的计算：E=GH1-GH2=G（H1-H2）（焦耳）（2）冲击韧度： 冲击试样缺口处单位面积上的冲击功。aku冲击韧度（冲击值）；Aku冲断试样所消耗的冲击功，J；S0试样缺口处的截面积，cm2。一般认为ak值越大，材料的韧性越好，即抗冲击性能越好。对于承受大能量冲击一次（或次数不多）而破坏的机件（如装甲版等），ak值可作为冲击抗力指标。生产中不少受冲击负荷的机件如锤杆

19、、钎尾等用ak值作为抗力指标并未收到预期的效果。试验分析认为这类机件是受多次冲击才发生断裂的，在冲击能量低的多冲条件下，抗力主要取决于材料的强度。通常脆性材料的冲击韧性值远比塑性材料为低，承受冲击载荷的构件多采用塑性材料。冲击值的大小与很多因素有关。受试样形状、表面粗糙度、内部组织的影响，还与试验时的环境温度有关。因此，冲击值一般作为选择材料的参考，不直接用作强度计算。冲击值对组织缺陷很敏感，它能反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织等方面的变化，因此，冲击试验是生产上用来检验冶炼、热加工、热处理等工艺质量的有效方法。四、疲劳极限（疲劳强度）1. 疲劳（断裂）：在变载荷低应力（小于ReH）条件下，

20、材料产生局部累计损伤，经一定的应力循环次数而发生断裂的现象。杂质、表面划痕等处 微裂纹 应力循环次数增加裂纹扩展 有效截面 突然断裂2. 疲劳曲线交变应力与应力循环次数的关系曲线。材料在无数次循环载荷作用下不致引起断裂的最大应力为疲劳极限。对称应力循环时，疲劳强度以符号-1表示。水平线处表示该材料可经受无数次应力循环而不发生疲劳断裂，这个应力值称为疲劳极限或疲劳强度。图1-8 疲劳曲线3. 疲劳极限-1:钢经受107次、有色金属经受108次应力循环，不产生破裂的最大应力。例：一种钢材-1= 60MPa，意指在最大值60MPa变载荷作用下，可承受107以上的应力循环。60MPa即该材料疲劳曲线平

21、台处的应力值。4.提高疲劳强度的措施合理设计工件结构、减少应力集中，采取表面强化的方法，提高工件的表面质量等。 第二节 工程材料工艺性能工艺性能材料是否易加工成型的性能。包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能等。1.铸造性能：能否用铸造的方法获得优良铸件的性能。包括流动性、收缩率和偏析倾向等。例：铸铁比铸钢的铸造性能好，灰铸铁比球墨铸铁的铸造性能好。2. 锻造性能材料能否用锻压的方法获得优良锻件的性能。一般与塑性与塑变抗力有关。塑性好易锻，塑变抗力小易锻。例：低碳钢比高碳钢锻造性能好，铸铁不可锻。3. 焊接性能 ：是否易用一定的焊接方法获得优良的焊接接头的性能。可焊性好，接头不易开裂，

22、无气孔，力学性能好。例：低碳钢比高碳钢焊接性能好，铸铁不可焊。4. 切削加工性能 材料是否易被刀具切削的性能。切削加工性能好，刀具磨损小，切削用量大，加工表面光洁。例：45钢的切削加工性能比T10钢好。Mn13钢很难切削加工。（1）屈服点（屈服极限） 材料产生屈服现象时的最小应力 。小结强度指标1.强度材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。（2）抗拉强度（强度极限） 材料拉断前的最大应力。2. 塑性：材料在断裂前发生塑性变形的能力。塑性指标（1）伸长率：试样拉断后，标距的伸长量与原 始标距的百分比。（2）断面收缩率：试样拉断后，横截面积缩减 量与原横截面积的百分比。3. 硬度材料抵抗局部变形、压痕或刻划的能力。（1）布氏硬度：用