第一章-金属材料的力学性能

第一章金属材料的力学性能

为了能正确的使用的使用材料，必须掌握材料的使用性能和工艺性能使用性能：是指为了保证零件的正常工作材料应具备的性能。工艺性能：是指材料在加工过程对不同加工工艺方法的适应能力。

金属材料的性能：1、使用性能：指材料在使用过程中所表现的性能，主要包括力学性能、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。比如：1）医疗器械→不锈钢。2）飞机上使用的零件，要求比重轻，当然强度也要高→铝合金甚至复合材料。2、工艺性能：

包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。指在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能。第一章金属的力学性能金属材料的性能〈使用性能—力学、物理、化学力学性能：受外力作用下所表现出的性能。

判据如：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等第一节金属的力学性能工艺性能—铸造、锻压、焊接、切削加工一、基本概念1、弹性：指物体在外力作用下改变基本形状和尺寸，当外力卸除后物体又恢复到其原始形状和尺寸的特性。研究力学性能意义：是选择和使用金属材料的重要依据2、内力：金属受到外力时为保其不变形，在材料内部作用者与外力相对抗的力称为内力。3、应力：单位面积上的内力。4、应变：指由外力所引起的物体原始尺寸或形状的相对变化；通常以百分比（%）表示5、载荷：金属材料在加工及使用过程中所受的外力。按作用性质分：静载荷：指大小不变或变化过程缓慢的载荷。。冲击载荷：在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。循环载荷：指大小、方向随时间发生周期性变化的载荷按作用形式不同分：6、变形：材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。分为弹性变形与塑性变形外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。

机械设计中，材料的选择是按结构材料的力学性能－即机械性能来进行选择的。材料的力学性能（机械性能）：材料在外力（静载荷、动载荷、交变载荷）作用下，所表现出的性能。包括强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等,是选择、使用金属材料的重要依据。第一节静载时材料的机械性能

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刚度、强度、塑性

刚度、强度、塑性可用静拉伸试验测定。1.拉伸试样（GB6397-86）长试样：L0=10d0拉伸实验

（金属的抗拉强度和塑性都是通过拉伸试验测定）（GB/T228-2002）万能材料试验机

a)WE系列液压式b)WDW系列电子式拉伸过程2.拉伸过程：1）op/pe段：直线(弹性变性)2）es段：曲线(弹性变形+塑性变形)5）b点：出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低，拉伸力达到最大值，试样即将断裂。3）ss’段：水平线（略有波动），塑性变形,作用的力基本不变，试样连续伸长。4）s’b曲线：弹性变形+塑性变形

拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线：弹性变形阶段塑性变形阶段颈缩现象至断裂拉伸试样的颈缩现象低碳钢拉伸过程变化的三个阶段：ΔLF0另，

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。

由实验得出试样横截面上的应力：

试样的应变：

一、弹性和刚度

弹性：在应力、应变图上，如加载后应力不超过，卸载后试样即可完全恢复原状，这种不产生永久变形的性能，称为弹性。弹性极限：（图1－1）上E点的应力值，即不产生永久变形的最大应力值。比例极限：（图1－1）上P点的应力值，即保持应力与应变成正比关系的最大应力值。*与，实用中常取相同值。

刚度：在图1－1上，OP直线的斜率，是材料的弹性模量E，弹性模量E又称为刚度，它是表征材料抵抗产生弹性变形的能力（即衡量材料产生变形难易程度的指标。）。其定义式为：

E愈大，使其产生弹性变形的应力亦愈大，变形愈困难。注：＊E为材料本身的指标，随材料不同而不同。故各种钢材的弹性模量均为：

E＝190000～220000（）

E只取决于材料本身，基本不受热处理、合金化、冷热加工方式的影响。＊E的值，随温度T的升高而降低。

二、强度强度：外力作用下，材料抵抗变形与断裂的能力。分为：拉力——屈服强度、抗拉强度压力——抗压强度弯曲力——抗弯强度剪切力——抗剪强度衡量强度的指标为：屈服强度，抗拉强度1.

屈服强度：即（图1－1）上，S点的应力，表示材料在外力作用下开始产生塑性变形的最低应力值。零（构）件在工作中一般不允许产生塑性变形。因此,是零（构）件设计计算时的主要参数，是材料选择的重要指标。

条件屈服强度σ0.2

有些材料在拉伸图中没有明显的水平阶段。为了衡量这些材料的屈服特性,规定产生永久残余变形等于一定值(一般为原长度的0.2%)时的应力,称为条件屈服强度或简称屈服强度σ0.2

。

脆性材料拉伸试验的屈服点：试样卸除载荷后，其标距部分的残余伸长率达到试样标距长度的0.2%时的应力，用符号σ0.2表示。FsS0σs=

应用：σs和σ0.2常作为零件选材和设计的依据。脆性材料的屈服点ΔLF0F0.20.2%L0F0.2S0σ0.2=计算公式:2.抗拉强度：即图（1－1）上，B点的应力，是试样在拉断前的最大应力值，即材料承受最大载荷时的应力。同样是零（构）件设计、选材的重要指标。注：＊的比值称为屈强比。屈强比愈小，构件可靠性愈高,但材料利用率愈低。＊热处理、合金化、冷热加工等对的数值会产生很大的影响。

σb=FbS0应用：制作机械零件和工程构件时的选材和设计的依据。计算公式:

屈服强度和抗拉强度在机械设计和选择、评定金属材料时有重要意义，材料不能在超过其σs的条件下工作，否则会引起机件的塑性变形；更不能超过其

σb的条件下工作，否则会导致机件的破坏。三、塑性塑性：产生塑性变形但不断裂的性能称为塑性。塑性大小，用伸长率，断面收缩率表示：注：＊，的值愈大，材料塑性愈好。需承受各种变形加工与冲击载荷的零件应具有一定的塑性。

＊，虽然与，，一样，是材料的力学性能指标，但在零（构）件的设计中，却不参与强度计算过程。另：，，，，均为材料的整体强度标。第二节动载时材料的机械性能

--冲击韧性动载荷主要有两种形式：冲击：以较高速度施加到零件上的载荷。交变载荷：其大小与方向作周期性变化的载荷。摆锤式冲击实验机计算公式

Ak=GH1

-GH2

=G（H1

-H2）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。试验过程如图所示。冲击韧度（ak）：冲击吸收功除以试样缺口处截面积。ak=AK/S

（J·cm-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）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。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

。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。冲击韧性（）定义：即指材料抵抗冲击的能力，用的值表示。由其测量方法（见图1－3）确定的计算式为：

J/cm

式中单位：1J/cm＝0.1kgf、m/cm

冲击韧性（）的大小，除取决于材料本身外，还受温度，试样大小，缺口形状等的影响。

说明：

1.不参与零（构）件的设计计算过程。

2.工作时受冲击的零件，进行强度计算时,应按经验选择有一定值的材料。如：受冲击的零件，选材49J/cm

一般载荷零件，选材＝29～49J/cm3.实际中，常用冲击试验来检验:①材料的组织均匀性、白点、裂纹等。②用来检验材料的热处理质量如：回火脆性，晶粒大小等。第三节疲劳强度许多零件如曲轴、齿轮、连杆、弹簧等在交变载荷作用下工作，发生断裂时的应力远低于该材料的屈服强度，这种现象叫疲劳破坏。据统计，80%机件失效是由于疲劳破坏。疲劳强度——金属材料在无数次交变载荷作用下而不致于引起断裂的最大应力。疲劳断裂现象：零件工作时承受交变载荷，即使交变应力往往低于，但经一定循环次数后便发生的断裂现象。

常用疲劳强度指标为：

――对称循环疲劳强度

――脉动循环疲劳强度

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,即交变应力与断裂前的循环次数N之间的关系。有色金属N》108，钢材N>107

不疲劳破坏

疲劳曲线疲劳破坏原因:材料有杂质,表面划痕,能引起应力集中（指受力构件由于几何形状、外形尺寸发生突变而引起局部范围内应力显著增大的现象）,导致微裂纹,裂纹扩展致使零件不能承受所加载荷突然破坏.不断裂断裂点断裂产生疲劳破坏的原因

材料有杂质、表面划伤等缺陷应力集中

微裂纹

裂纹扩展

破坏一定应力循环次数：即循环基数N（见后图1－4），(钢

,有色金属

)。

说明：冲击韧性（），疲劳强度，都是材料的整体力学性能。疲劳强度指标，是零件强度计算、选择材料的重要参数。第四节硬度硬度---静载时材料的局部机械（力学）性能指标硬度：材料抵抗更硬的物体压入其内的能力,是材料性能的一个综合物理量。表示材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的能力。工程上常用的硬度指标有：布氏硬度HB，洛氏硬度HRC，肖氏硬度HV，维氏硬度HS等，各种硬度指标的值之间，可以换算。一、布氏硬度HB

用直径D的淬火钢球或硬质合金球,在一定压力P下,将钢球垂直地压入金属表面,并保持压力到规定的时间后卸荷,测压痕直径d.

HB=F/S(N/mm2)单位一般不写

S-压痕面积.

布氏硬度试验原理图

布氏硬度计

计算公式：

压头是直径为D的钢球或硬质合金球。

HBS——压头为钢球，用于测量<450HBSHBW——压头为硬质合金,用于测量>450HBW（<650HBW）特点：

布氏硬度因压痕面积较大，HB值的代表性较全面，而且实验数据的重复性也好。由于淬火钢球本身的变形问题，不能试验太硬的材料，一般测HB450以下的材料；硬质合金可测HB450以上的材料。

由于压痕较大，不能进行成品检验。

通常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等材料的硬度。

对钢铁材料，

通常负荷采用

3000kg，保持时间

10~15s;

对软金属，

负荷可降至500kg。通常硬度和负荷的关系为：

3000kgBHN96-6001500kgBHN48-300500kgBHN16-100

试样厚度一般不小于压痕深度的10倍,试验后压痕直径的大小应在

0.25D<d<0.6D,否则试验结果无效.

布氏硬度标记例:HB2.5/187.5/10=190表示

2.5mm钢球

187.5kg载荷保持10s.HB350表示

10mm钢球

3000kg载荷保持10s.布氏硬度试验

(GB231-63)

l

影响因素:

压头材料钢球直径钢球表面质量负荷大小负荷保持时间直径测量试样表面光洁度布氏硬度试验

(GB231-63)

洛氏硬度计用金刚石圆锥或钢球为压头，实验时是根据测量到的压入深度，转变成刻度盘上的数据。二、洛氏硬度HR

用金刚石圆锥或钢球作压头，在规定的预载荷和总载荷下，压入材料，卸载后，测其深度ｈ，由公式求出，可在洛氏硬度计上直接读出，无单位．洛氏硬度一般用于HB>450洛氏硬度试验1－试样表面2－基准线F0－初始试验力F1－主试验力F－总试验力A、C标尺－金刚石圆锥压头B标尺－钢球压头

e－残余压痕深度增量，0.002mm为单位洛氏硬度计l

测量

以金刚石圆锥或钢球作压头压入金属表面,先后两次施加载荷:初负荷(通常10kg)及总负荷(初负荷加主负荷)60、100、150kg,由两次负荷压痕深度之差,求得洛氏硬度.

洛氏硬度按所选压头和负荷不同分为15种,以HRA、HRC、HRB最为常用

洛氏硬度试验

(GB230-63)

洛氏硬度试验

(GB230-63)洛氏硬度HRAHRCHRB采用压头金刚石圆锥(120O)金刚石圆锥(120O)1.588mm钢球总负荷60kg150kg100kg常用范围70-8520–6725–100大致相当于维氏硬度390–900240-90060–240应用薄板、硬质合金`表面淬火等淬火钢、调质钢等低中碳钢、退火钢、铜合金、硬铝合金等l

计算公式

h0----初负荷作用下的压痕深度

mm.h1----加上主负荷并卸除,而保留初负荷时的压痕深度

mm.

洛氏硬度试验

(GB230-63)l

影响因素:

金刚石圆锥压头角度金刚石圆锥压头顶端的球面半径钢球压头直径初负荷﹑总负荷﹑负荷施加速度测深装置的影响总负荷保持时间的影响.

洛氏硬度试验

(GB230-63)特点：洛氏硬度HR可以用于硬度很高的材料，而且压痕很小，几乎不损伤工件表面，故在钢件热处理质量检查中应用最多。但洛氏硬度由于压痕较小，硬度代表性就差些，如果材料中有偏析或组织不均匀的情况，则所测硬度值的重复性也差。

l

测量

采用136o

金刚石正方形角锥体压头。硬度值为所施加的负荷除以压痕的表面积

P-----所施加的负荷

（kgf）

d-----压痕对角线的平均值

（mm）

l

影响因素:

金刚石压头相对两面夹角、负荷大小及施加速度﹑显微镜刻度误差﹑压痕测量误差.

三、维氏硬度

试验原理将顶部两相对面具有规定角度的正四凌锥体金刚石压头用一定的试验力压入试验表面，保持一定时间后，卸除试验力，测量式样表面压痕对角线长度（见图1）：将顶部两相对面具有规定角度的正四凌锥体金刚石压头用一定的试验力压入试验表面，保持一定时间后，卸除试验力，测量式样表面压痕对角线长度（见图1）：维氏硬度用HV表示，符号之前为硬度值，符号之后按如下顺序排列：

数显维氏硬