金属材料力学性能导论

本章提要1、学习目的和要求通过本章学习，了解工程材料的主要力学性能。2、课程内容（1）材料的强度和塑性；（2）材料的硬度；（3）材料的冲击韧度；（4）材料的疲劳强度；（5）材料的断裂韧度。工程材料的性能使用性能、工艺性能

使用性能：材料在不同的条件下使用，如在载荷、温度、介质、电磁场等作用下将表现出不同的行为，即为材料的使用性能。

工艺性能：材料在加工过程中对所涉及的加工工艺所表面出来的适应性。

工程材料的力学性能（机械性能）是指金属在外力的作用下，抵抗变形和破坏的能力。工程材料的力学性能主要有强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。强度与塑性硬度冲击韧度疲劳强度静载时材料的力学性能动载时材料的力学性能第一节材料的强度与塑性第二节材料的硬度第三节材料的冲击韧度第四节材料的疲劳强度第五节材料的断裂韧度第一节材料的强度与塑性一、拉伸实验及拉伸曲线拉伸试验机

低碳钢拉伸曲线拉伸试样的颈缩现象

ΔLF0

低碳钢拉伸曲线

脆性材料拉伸曲线二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义(一）强度指标1.弹性模量E

表征材料在受力时，抵抗弹性变形的能力。

E=σ/ε

2.比例极限σp

表征应变保持线性关系的极限应力值

σp=Fp/Ao

3.弹性极限σe

表征不产永久变形的最大抗力。

σe=Fe/Ao

二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义(一）强度指标4.屈服强度s

表征材料发生微量塑性变形时的应力值。

σs=Fs/Ao5.抗拉强度b

表征材料断裂前所承受的最大应力值。

σb=Fb/Ao

二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义(一）强度指标新老标准中强度指标的区别：老标准内原有的微量塑性变形抗力指标“比例极限”和“弹性极限”在新标准上已由“规定非比例延伸强度Rp”所取代。规定非比例延伸强度是指试样在加载过程中，非比例延伸率等于规定的引伸计标距百分率时的应力（非比例延伸率：是指试验中任一时刻，引伸计标距的增量与引伸计标距Lo之比的百分率）。对于没有明显屈服现象的金属材料，屈服强度σ0.2（老标准的指标），在新标准中已由“规定残余延伸强度Rr0.2”所取代。

二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义(一）强度指标新老标准中强度指标的区别：

二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义(二）塑性指标1.延伸率δ

表征材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。2.断面收缩率ψ

表征材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。

δ＝（l1-l0）/l0×100％

ψ=△A/Ao=(Ao-Ak)/Aox100%

第二节材料的硬度

材料抵抗其他硬物压入其表面的能力称为硬度，它是衡量材料软硬程序的力学性能指标。可用硬度试验机测定，常用的硬度指标有布氏硬度HBW、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度HV第二节材料的硬度一、布氏硬度HBW（一）试验原理布氏硬度试验规范第二节材料的硬度一、布氏硬度HBW（二）应用范围布氏硬度主要用于组织不均匀的锻钢和铸铁的硬度测试，锻钢和灰铸铁的布氏硬度与拉伸试验有着较好的对应关系。布氏硬度试验还可用于有色金属和软钢，采用小直径球压头可以测量小尺寸和较薄材料。布氏硬度计多用于原材料和半成品的检测，由于压痕较大，一般不用于成品检测。

表示方式：600HBW1/30/20

第二节材料的硬度一、布氏硬度HBW补充说明：（1）硬度超过HB650的材料，不能做布氏硬度试验，这是因为所采用的压头，会产生过大的弹性变形，甚至永久变形，影响实验结果的准确性，这时应改用洛氏和维氏硬度试验。（2）每个试样至少试验3次。试验时应保证两相邻压痕中心的距离不小于压痕平均直径的4倍，对于较软的金属则不得小于6倍。压痕中心距试样边缘的距离不得小于压痕直径的2.5倍，对于软金属则不得小于3倍

第二节材料的硬度二、洛氏硬度HR（一）实验原理洛氏硬度计第二节材料的硬度二、洛氏硬度HR(二)应用范围标尺硬度符号所用压头总试验力F/N适用范围①HR应用范围AHRA金刚石圆锥

588.420—88硬、薄试件，如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。BHRBφ1.5875mm球

980.720—100轻金属，未淬火钢，如有色金属和退火、正火钢等。CHRC金刚石圆锥147120--70较硬，淬硬钢制品；如调质钢、淬火钢等。第二节材料的硬度三、维氏硬度HV（一）实验原理维氏硬度试验原理维氏硬度计第二节材料的硬度三、维氏硬度HV（二）应用范围

维氏硬度试验主要用于材料研究和科学试验方面，小负荷维氏硬度试验主要用于测试小型精密零件的硬度，表面硬化层硬度和有效硬化层深度，镀层的表面硬度，薄片材料和细线材的硬度，刀刃附近的硬度，牙科材料的硬度等。显微维氏硬氏试验主要用于金属学和金相学研究，用于测定金属组织中各组成相的硬度，研究难熔化合物脆性等。显微维氏硬度试验还用于极小或极薄零件的测试，零件厚度可薄至3μm。表示方式：640HV30/20关于硬度实验的几点说明1、在静态力测定硬度的方法中，维氏实验方法是最精确的一种，这种方法测量硬度的范围较宽，可以测定目前所有使用的绝大部分金属材料的硬度2、各种不同方法测的硬度值之间可通过查表的方法进行互换，不可直接比较3、金属材料的硬度是由塑性变形抗力决定的，所以硬度值和强度值之间有某种近似的对应关系，所以零件度纸上通常只标注硬度要求关于硬度实验的几点说明如未淬硬钢：σb=0.362HBWHBW>175σb=0.345HBWHBW<175σb=2.64×103/(130-HRB)HRB<90σb=2.61×103/(130-HRB)100>HRB>90第三节材料的冲击韧度

第三节材料的冲击韧度

材料的韧度是指材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力，是材料塑性和强度的综合表现。材料的冲击韧度是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。指标为冲击韧性值ak

。常用一次摆锤冲击试验方法测定。冲击韧度指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾向。

αK＝A/FA=(GH1-GH2)×9.8J/cm2其中：αK

（J/cm2）

H（m）

A（m2）

G（kg）缺口型式：αKU

αKV

第三节材料的冲击韧度

（一）实验原理

第三节材料的冲击韧度

（一）实验原理

第四节材料的疲劳强度许多机械零件，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力（也称循环应力）。第四节材料的疲劳强度（一）实验原理

疲劳强度是指金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力。实际上，金属材料并不可能作无限多次交变载荷试验。一般试验时规定，钢在经受107次、非铁（有色）金属材料经受108次交变载荷作用时不产生断裂时的最大应力称为疲劳强度。当施加的交变应力是对称循环应力时，所得的疲劳强度用σ–1表示。

部分工程材料的疲劳极限σ-1（MPa）零件工作条件主要失效方式主要力学性能指标紧固螺栓拉应力，剪切应力过量塑性变形，断裂弹簧交变弯曲或扭转应力，冲击过量变形，疲劳本章练习1、分析下列零件的主要力学性能指标本章练习2、在设计机械时多用哪两种强度指标？为什么？3、下列各工件应该采用何种硬度试验方法测定其硬度？（1