金属材料的力学性能

德修身技立业金属材料的力学性能盾构教研室主讲：吕金豆强度塑性硬度CONTENTS目录010203韧性疲劳性能0405金属材料的力学性能金属材料是目前应用最广泛的材料，常用的金属材料有碳素结构钢、合金钢、铸铁、非铁金属及合金、金属粉末冶金材料。一般联结件(普通碳）素钢)机床床身（灰铸铁）中低压阀门（可锻铸铁）曲轴（球墨铸铁）热水器内胆（不锈钢）车刀刀片（硬质合金）制动器(粉末冶金摩擦材料)低载齿轮(粉末冶金结构材料)铣刀（刃具钢）冲压模具（模具钢）机床主轴(优质碳素钢)游标卡尺(碳素工具钢）锅炉结构件（耐热钢）挖掘机铲斗（高猛钢）深沟球轴承（轴承钢）蜗轮蜗杆（铜合金）自行车架（铝合金）滑动轴承（轴承合金）碳素钢合金钢有色金属铸铁粉末冶金材料1.金属材料的力学性能—强度1、强度：强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗永久变形和断裂的能力。当材料在满足强度的载荷作用范围内是不会发生破坏，只有当材料承受的载荷超过了自身的强度时才会发生断裂之类的破坏。车轴断裂1.金属材料的力学性能—强度

根据外力作用性质不同，主要有屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等。工程常用的是屈服强度和抗拉强度。相同条件下，材料的强度越高，则构件的承载力也就越高。材料的强度等力学性能须通过试验的方法进行测定。此类试验须按标准（如国家标准、部标准）中规定的方法进行。此处重点介绍低碳钢的拉伸强度测试实验。

拉伸试验机1.金属材料的力学性能—强度1.金属材料的力学性能—强度

为了便于对试验结果进行比较，试验时首先要把待测试的材料加工成试件。我国国家标准GB/T228-1987《金属拉力试验法》中规定，拉伸试件截面可采用圆形（如图2-4a）或矩形，长度可根据其截面尺寸按规定比例或不按比例适当选取。按比例选取的试件长短两种规格。圆截面长试件其工作段长度（也称标距）l0=10d0，短试件l0=5d0。金属材料的压缩实验，一般采用短圆柱形试件，其高度为直径d0的1.5-3倍。图3拉伸试件图4压缩试件1.金属材料的力学性能—强度

拉伸实验机在实验过程中可以绘制出施加的载荷与试件变形的线图，一般称为拉伸曲线。随试件尺寸的不同，会使拉伸图在量的方面有所差异。为了消除尺寸的影响，将拉力除以试件横截面的原始面积A0，得出试件横截面上的正应力用σ表示；伸长量Δl除以标距的原始长度l0，得出试件在工作段内的相对伸长量ε，以σ为纵坐标、ε为横坐标绘出的曲线称为应力—应变图，它表明从加载开始到破坏为止，应力与应变的对应关系，反映了材料的性能。图5拉伸曲线图图6应力-应变图1.金属材料的力学性能—强度阶段力学特性拉伸图（应力-应变线图）特征第Ⅰ阶段（弹性变形阶段）试件受力以后，长度增加，产生变形，这时如将外力卸去，试件工作段的变形可以消失，恢复原状。此类变形称为弹性变形，因此，称第Ⅰ阶段为弹性变形阶段。曲线呈直线状第Ⅱ阶段（屈服阶段）弹性变形阶段以后，试件的伸长显著增加，但外力却滞留在很小的范围内上下波动。外力不需增加，变形却继续增大，这种现象称为屈服或流动。屈服阶段中拉力波动的最低值称为屈服载荷，用Fs表示。所对应的应力称为屈服强度（屈服极限），用σs表示。曲线出现波动第Ⅲ阶段（强化阶段）过了屈服阶段以后，继续增加变形，需要加大外力，试件对变形的抵抗能力又获得增强，力与变形是非线性的关系。此阶段称为强化阶段。曲线非线性增长第Ⅳ阶段（颈缩阶段）当拉力继续增大达某一确定数值时，可以看到，试件某处突然开始逐渐局部变细，形同细颈，称颈缩现象。因此，第Ⅳ阶段称为颈缩阶段。颈缩出现前，试件所能承受的拉力最大值，称为最大载荷，用Fb表示。所对应的应力称为抗拉强度（强度极限），用σb表示。曲线单调下降2.金属材料的力学性能—塑性2.塑性

塑性是指金属材料在给定载荷外力的作用下，产生永久变形而不被破坏的能力。金属材料在受到拉伸变形时，长度和横截面积都要发生变化。因此，金属的塑性可以用材料的伸长率δ和截面收缩率ψ两个指标来衡量伸长率δ试件拉断后，工作段的残余伸长量Δl=l1-l0与标距长度l0的比值，代表试件拉断后塑性变形程度，称为材料的伸长率，用δ表示。即

截面收缩率ψ试件断口处横截面面积的相对变化率称为截面收缩率，用ψ表示，即

金属材料的伸长率和截面收缩率愈大，表示该材料的塑性愈好，即材料能承受较大的塑性变形而不破坏。2.金属材料的力学性能—塑性工程上通常把常温、静载下伸长率大于5%的金属材料称为塑性材料，如低碳钢；而把伸长率小于5%的金属材料称为脆性材料，如灰口铸铁等。低碳钢是一种塑性极好的材料，在汽车制造业中常用这种材料通过冲裁、拉延、翻边等压力加工的方法来加工出汽车的车身覆盖件。图7压力加工图8汽车覆盖件3.金属材料的力学性能—硬度3.硬度

硬度是指材料局部抵抗硬物压入其表面的能力，是衡量材料软硬程度的指标。例如将一个坚硬的钢球压入钢板的表面，就会在钢板表面留下圆形痕迹，这个痕迹的大小就反映了材料的软硬程度。硬度是由硬度计测试出来的。图9硬度测试原理图10硬度计3.金属材料的力学性能—硬度

硬度是由硬度计测试出来的。常用的硬度标准有三套：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度，这三种硬度标准有不同的测试方法和应用范围。图11布氏硬度测试原理图12洛氏硬度测试原理图13维氏硬度测试原理3.金属材料的力学性能—硬度

硬度是由硬度计测试出来的。常用的硬度标准有三套：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度，这三种硬度标准有不同的测试方法和应用范围。类别测试方法应用范围布氏硬度（HB）用一定大小的试验力F,把直径为D的淬火钢球或硬质合金球压入被测金属的表面，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，然后按公式求出-布氏硬度HB值，或者根据d从已备好的布氏硬度表中查出HB值。布氏硬度测量法适用于铸铁、非铁合金、各种退火及调质的钢材，不宜测定太硬、太小、太薄的工件。洛氏硬度（HR）洛氏硬度（HR）试验方法是用一个顶角为120度的金刚石圆锥体或直径为/的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕深度求出材料的硬度。根据实验材料硬度的不同，可分为三种不同标度来表示：HRA、HRB、HRC。测试当被测样品过小或者布氏硬度（HB）大于450时，就改用洛氏硬度计量。维氏硬度（HV）以49.03~980.7N的负荷,将相对面夹角为138°的方锥形金刚石压入材料表面,保持规定时间后，用测量压痕对角线长度，再按公式来计算硬度的大小。维氏硬度还有小负荷维氏硬度和显微维氏硬度，试验负荷<1.961N，试验负荷1.961~<49.03N，它适用于较大工件和较深表面层的硬度测定。还适用于较薄工件、工具表面或镀层的硬度测定。4.金属材料的力学性能—韧性4.韧性

韧性表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。韧性越好，则发生脆性断裂的可能性越小。韧性可在材料科学及冶金学上，韧性是指当承受应力时对折断的抵抗，其定义为材料在破裂前所能吸收的能量与体积的比值。衡量材料抗冲击能力的指标用冲击韧度来表示。冲击韧度是通过冲击实验来测定的。图14韧性测试原理图15韧性测试机5.金属材料的力学性能—疲劳性能5.疲劳性能

许多机械零件和工程构件，是承受交变载荷工作的。在交变载荷的作用下，虽然应力水平低于材料的屈服极限，但经过长时间的应力反复循环作用以后，也会发生突然脆