第一章 金属的力学性能

第一章金属的力学性能第一页，共三十五页，编辑于2023年，星期四材料的性能使用性能工艺性能物理性能化学性能

力学性能

热处理性能铸造性能焊接性能锻造性能切削加工性能

(指金属材料在使用过程中表现出的性能)(指金属材料在加工过程中表现出的性能)第二页，共三十五页，编辑于2023年，星期四金属材料的力学性能

-----------是指金属材料在受外力作用时所反映出来的性能。思考如果把铁丝和钢丝折弯有何区别?常用的力学性能主要有：强度、硬度、塑性、冲击韧度和疲劳强度等。研究力学性能意义：是选择和使用金属材料的重要依据第三页，共三十五页，编辑于2023年，星期四第一节刚度、强度、塑性一、拉伸试验及拉伸曲线第四页，共三十五页，编辑于2023年，星期四第五页，共三十五页，编辑于2023年，星期四OE段：弹性变形阶段；平台或锯齿（ES段）：屈服阶段；SB段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。B点：形成了“缩颈”。BK段：非均匀变形阶段，承载下降，到K点断裂。弹性变形——去除外力后试样恢复原状的变形塑性变形——在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形

1、变形过程第六页，共三十五页，编辑于2023年，星期四2、应力与应变曲线应力σ：单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积S0表示:

F σ=——(Mpa) S0应变ε：单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原始标距表示:

Δl

ε=——l0应力－应变曲线（σ-ε曲线）形状和拉伸曲线基本相同，单位不同思考怎样比较不同材料抵抗外力能力的大小？第七页，共三十五页，编辑于2023年，星期四2、应力与应变曲线比例极限（σp）例:弹簧秤弹性极限（σe）如:弹簧屈服极限（σs）抗拉极限(σb)第八页，共三十五页，编辑于2023年，星期四二、刚度

——是表征金属材料抵抗弹性变形的能力σ＝Eε

式中的E为与材料有关的常数，称为弹性模量，工程上常用E作为衡量材料刚度的指标。弹性模量主要取决于金属材料的种类，即金属的本性（晶格类型、晶格常数等）。一般机械零件大都在弹性状态下工作，对刚度有一定要求，如机床主轴、起重机臂等，在使用时不允许产生过量的弹性变形。第九页，共三十五页，编辑于2023年，星期四三、强度

——金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力

工程上常用的金属材料的强度指标：屈服点（σs）或规定残余伸长应力（σr）抗拉强度(σb)第十页，共三十五页，编辑于2023年，星期四屈服点（σs）:指材料产生屈服时的应力规定残余伸长率为0.2%时的应力材料屈服时的拉力（N）屈服点（屈服极限）原标准（GB228-76）：屈服强度很重要，大多数零件不允许有塑性变形规定残余伸长应力:对有明显屈服现象的材料对无明显屈服现象的材料第十一页，共三十五页，编辑于2023年，星期四抗拉强度(σb)

:材料在拉伸条件下所能承受最大拉力的应力值拉伸过程中最大的拉力（N）若零件在使用时不允许产生过量塑性变形，应以材料的σs或σr0.2进行设计计算。若零件在使用时只要求不发生破坏，则以材料的σb来设计计算。因此σs和σb是机械零件设计计算的主要依据。很重要，表示零件破坏前能抗的最大应力值第十二页，共三十五页，编辑于2023年，星期四四、塑性

——在外力作用下金属材料在断裂前产生不可逆永久变形的能力常用的塑性判据：拉伸时的断后伸长率和断面收缩率第十三页，共三十五页，编辑于2023年，星期四由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率δ数值不同，因此应注明试样尺寸比例。如:δ10——试样L0=10d0δ5——试样L0=5d0试样拉断后的标距（mm）试样原始标距（mm）第十四页，共三十五页，编辑于2023年，星期四2、断面收缩率试样断裂后缩颈处的最小横截面积（mm2）试样原始截面积（mm2）δ和ψ是用来判断材料在断裂前所能产生的最大塑性变形量大小。一般认为ψ＞5％的材料为塑性材料，如低碳钢；ψ＜5％的为脆性材料，如灰铸铁

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第十五页，共三十五页，编辑于2023年，星期四塑性对材料的意义:1.是金属材料进行压力加工的必要条件;2.提高安全性:因为零件在工作时万一超载，也会由于塑性变形使材料强化而避免突然断裂

第十六页，共三十五页，编辑于2023年，星期四第二节冲击韧性在设计和制造受冲击载荷的零件和工具（如锻锤、冲床、铆钉枪等）时，必须考虑所用材料的冲击吸收功或冲击韧度。一、摆锤式一次冲击试验第十七页，共三十五页，编辑于2023年，星期四

把试样放在试验机的支承面上，试样的缺口背向摆锤冲击方向。将质量为m的摆锤安放到规定的高度H，然后下落，将试样打断，并摆过支点升到某一高度h，试样在冲击试验力一次作用下，折断时所吸收的功为冲击吸收功为Ak。第十八页，共三十五页，编辑于2023年，星期四1、试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:

Ak=mgH–mgh(J)2、冲击韧度ak

AK

ak=(J/cm²)Sk二、冲击吸收功和冲击韧度就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。冲击吸收功Ak

作为材料韧性判据，与温度、试样形状、尺寸、表面粗糙度、内部组织和缺陷有关。第十九页，共三十五页，编辑于2023年，星期四1.冲击韧度对材料内部缺陷反映很敏感能够灵敏地显示材料的宏观缺陷和组织微小变化，因此在生产中可用来检验材料的冶金质量,热加工质量冲击韧度对材料的意义:2.冲击韧度随温度下降越来越低→冷脆现象在韧脆转变温度以下，材料由韧性状态转变为脆性状态。材料的韧脆转变温度越低，说明低温冲击性能越好

第二十页，共三十五页，编辑于2023年，星期四第四节疲劳强度材料的疲劳：材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累计损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。在多次交变应力作用，金属会在远小于抗拉强度σb，甚至小于屈服点σs的应力下失效（出现裂纹或完全断裂）

疲劳破坏的原因：应力集中——微裂纹——扩展——断裂破坏。疲劳强度（σ-1）：金属材料经无穷多次（钢材107）应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力值。第二十一页，共三十五页，编辑于2023年，星期四第四节硬度硬度：硬度试验方法:压入法

它是材料性能的一个综合的物理量。(表示金属材料在一个小的体积范围内金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力）布氏硬度（HB）洛氏硬度（HR）维氏硬度（HV）第二十二页，共三十五页，编辑于2023年，星期四一、布氏硬度1、测定原理布氏硬度计

第二十三页，共三十五页，编辑于2023年，星期四2、计算公式HBS：淬火钢球作压头；适用于＜450HBSHBW：硬质合金作压头；适用于＜650HBW第二十四页，共三十五页，编辑于2023年，星期四试验时，根据被测的材料不同，球直径、试验力及试验力保持时间按表1-1选择材料种类布氏硬度范围HBS（HBW）试样厚度/mm0.102球的直径/mm试验力F/KN（kgf)试验力保持时间/s钢、铸铁140-4506～34～2<23010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)12<140>66～31010.05.09.807(1000)2.452(250)12非铁金属>1306～34～2<23010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)3036～1309～36～31010.05.09.807(1000)2.452(250)308～35>62.510.02.452(250)60表1-1布氏硬度试验规范第二十五页，共三十五页，编辑于2023年，星期四3、表示方法XXXHBS(W)XX/XXX/XX硬度值压头直径（mm）试验力保持时间（s）试验力（0.102N）500HBW5/750例：表示用直径5mm硬质合金球在7355N试验力作用下保持10~15s测得的布氏硬度值为500120HBS10/1000/30表示用直径10mm钢球压头在9807N试验力作用下保持30s测得的布氏硬度值为120习惯上布氏硬度值不标出试验规范，如170HBS。第二十六页，共三十五页，编辑于2023年，星期四4、适用范围

常用于测小于450HBS的原材料或零件毛坯的硬度，不能测淬火钢件的硬度。优点：试验数据准确、稳定缺点：测试较麻烦;压痕大，不适合成品检验第二十七页，共三十五页，编辑于2023年，星期四二、洛氏硬度测定原理第二十八页，共三十五页，编辑于2023年，星期四硬度符号压头类型总实验力F/N硬度值有效范围应用范围HRA金刚石圆锥体58870～85适用于测量硬质合金、表面淬硬层或渗碳层HRB直径为1.588mm钢球98025～100适用于测量非铁金属,退火、正火钢等HRC金刚石圆锥体147020～67适用于调质钢、淬火钢等试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表1-2选择，对应的洛氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种表1-2常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围2、符号第二十九页，共三十五页，编辑于2023年，星期四3、表示方法硬度值+HR例：52HRC70HRA4、适用范围洛氏硬度HRC可以用于硬度很高的材料，在钢件热处理质量检查中应用最多。优点：测量迅速简便，压痕小，可在成品零件上检测。缺点:准确性不够。第三十页，共三十五页，编辑于2023年，星期四三、维氏硬度1、测定原理用一定的试验力F，将顶角为1360的金刚石四棱锥压入金属表面，保持一定时间后卸去试验力，然后测出压痕对角线长度d1、d2（mm），并求出压痕对角线的平均值d。第三十一页，共三十五页，编辑于2023年，星期四2、计算公式3、表示方法硬度值+HV+试验力/保持时间如：640HV30/204、适用范围适用于测量零件薄的表面硬化层的硬度。第三十二页，共三十五页，编辑于2023年，星期四一、判断题1.有些没有明显屈服现象的金属材料其屈服点可用符号σr0.2表示2.一般来说硬度高的金属材料耐磨性也好。3.压痕直径越大，材料硬度越高。4.甲零件的硬度为250HBS，乙零件的硬度为52HRC，则甲比乙的硬度高。5.材料在受力时抵抗弹性变形的能力称为刚度。6.材料在多次交变载荷作用下的破坏现象称为疲劳。7.强度高的材料，韧性都低。8.冲击吸收功是机械零件设计选材的主要依据。9.某些机械零件工作时承受应力远小于材料的屈服点，也能发生突然性断裂。10.拉伸试验时，试样的伸长量与拉伸力总成正比。11.屈服点代表试样在试验过程中力不增加，而仍能继续伸长（变形）时的应力。12.金属材料的硬度越高，其抵抗局部弹性变形能力越强。第三十三页，共三十五页，编辑于2023年，星期四二、选择题1、拉伸试验可测定材料的（）。A.强度B.硬度C.塑性D.韧性2、材料在动载荷作用下表现的力学性能是（）。A.σb