金属的力学性能

金属的力学性能使用性能工艺性能物理性能化学性能力学性能材料物理性能化学性能力学性能物理性能化学性能物理性能化学性能力学性能物理性能化学性能力学性能力学性能力学性能力学性能力学性能力学性能锻造性能铸造性能焊接性能热处理性能锻造性能铸造性能锻造性能焊接性能铸造性能锻造性能热处理性能焊接性能铸造性能锻造性能锻造性能铸造性能锻造性能焊接性能铸造性能锻造性能铸造性能锻造性能焊接性能铸造性能锻造性能热处理性能焊接性能铸造性能锻造性能锻造性能铸造性能锻造性能焊接性能铸造性能锻造性能热处理性能焊接性能铸造性能锻造性能铸造性能锻造性能焊接性能铸造性能锻造性能第2页,共30页，2024年2月25日，星期天什么叫做金属呢？所谓金属，是指凡是由一种金属元素组成的物质（纯金属），或者由一种金属元素和另外一种或者几种元素熔合而成的具有金属特性的新物质（合金），我们就把它统称为金属。第3页,共30页，2024年2月25日，星期天

在工业生产中，我们用大量的金属材料制成各种机械零件和工程构件，但是，为了改进生产工艺，提高产品质量，还必须正确选用金属材料，充分发挥金属材料的作用，因此，我们首先必须了解金属的机械性能。那么，什么是金属的机械性能呢？所谓金属的机械性能是指金属在受拉伸、压缩、弯曲、冲击等外力作用时，所表现出来的抵抗变形或破坏的能力。常用的金属的机械性能一般包括强度、韧性、塑性和抗疲劳性等。第4页,共30页，2024年2月25日，星期天弹性变形：外力去除后能够恢复的变形叫做弹性变形。塑性变形：外力去除后不能够恢复的变形叫做塑性变形。补充知识：第5页,共30页，2024年2月25日，星期天强度：金属在外力（静载荷）作用下，所表现出来的抵抗塑性变形或者断裂的能力。金属抵抗外力的能力越大则其强度越高。意即，强度越高，表明材料可以承受较高的载荷而不致引起塑性变形或断裂。强度抗拉强度抗弯强度抗压强度当所受外力是拉力时，材料表现出来的抵抗变形或者破坏的能力当所受外力与材料的轴线相垂直，并在作用后使材料弯曲，这时材料所表现出来的抵抗的能力。当所受外力是压力时，材料表现出来的抵抗变形或者破坏的能力一、强度第6页,共30页，2024年2月25日，星期天图8-1圆柱形拉伸试样

根据国家标准GB/T228—2002规定，拉伸试验是指沿试样轴向用静拉伸力进行拉伸，并测量拉伸力和相应的伸长量，来确定其力学性能的试验。拉伸时，一般要将拉伸试样拉至断裂，试验一般在室温10～35℃范围内进行。

1.拉伸试样

通常采用圆柱形试样，其尺寸按照国家标准金属拉伸试验试样中的有关规定进行制作。试样分为短试样和长试样两种。拉伸试样如图8-1所示，图8-1a所示为标准试样，图8-1b所示为拉断后的试样。拉伸试验第7页,共30页，2024年2月25日，星期天图8-2拉伸试验机示意图

1—试样2—工作台3—立柱4—工作活塞

5—表盘6—拉杆7—上夹头8—下夹头2.试验方法

试验在拉伸试验机上进行。图8-2所示为拉伸试验机示意图。将试样装在拉伸试验机的上、下夹头上，起动拉伸试验机，在轴向拉力的作用下，试样受到拉伸。同时，记录装置记录下拉伸过程中的力-伸长曲线。第8页,共30页，2024年2月25日，星期天图8-3退火低碳钢的力-伸长曲线3.力-伸长曲线

在拉伸试验中，拉伸力F和试样伸长量ΔL之间的关系曲线，称为力-伸长曲线。图8-3所示为退火低碳钢的力-伸长曲线图。Fp是试样保持弹性变形的最大拉伸力冷变形强化弹性变形屈服缩颈与断裂Fe屈服拉伸力极限拉伸力Fm第9页,共30页，2024年2月25日，星期天图8-4上屈服强度与下屈服强度强度指标

金属材料强度指标常用的有屈服强度、规定残余延伸强度、抗拉强度等。1.屈服强度

当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点，应区分上屈服强度和下屈服强度。屈服强度是工程技术上极为重要的力学性能指标之一，也是大多数机械零件选材和设计的依据。第10页,共30页，2024年2月25日，星期天图8-5规定残余延伸强度2.规定残余延伸强度

工业上常使用的一些金属材料，如高碳钢、铸铁等，在进行拉伸试验时并没有明显的屈服现象，也不会产生缩颈现象，这就需要人为规定一个相当于屈服强度的强度指标，即规定残余延伸强度。第11页,共30页，2024年2月25日，星期天3.抗拉强度

抗拉强度是指试样拉断前承受的最大标称拉应力，用符号Rm表示，单位为MPa。Rm可用下式计算

Rm是金属由均匀塑性变形向局部集中塑性变形过渡的临界值，也是金属在静拉伸条件下的最大承载能力。对于塑性金属来说，拉伸试样在承受最大拉应力之前，变形是均匀一致的。但超过Rm后，金属开始出现缩颈现象，产生集中变形。第12页,共30页，2024年2月25日，星期天表8-1金属强度与塑性新、旧标准对照表

金属材料的塑性指标主要有断后伸长率和断面收缩率，用拉断试样时的最大相对变形量来表示。二、塑性（塑性：在外力作用下金属材料产生塑性变形而不致引起断裂的能力。）第13页,共30页，2024年2月25日，星期天1.断后伸长率

在进行拉伸试验时，拉伸试样在力的作用下产生塑性变形，原始试样中的标距长度会不断伸长。试样拉断后断后标距的残余伸长与原始标距之比的百分率为断后伸长率，用符号A表示。A可用下式计算2.断面收缩率

试样拉断后横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分率称为断面收缩率。断面收缩率用符号Z表示。Z值可用下式计算标距：试样部分原始长度A和Z越大，则塑性越好。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。第14页,共30页，2024年2月25日，星期天塑性对材料的意义：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，也会由于塑性变形而使材料强化而避免突然断裂。3、强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。第15页,共30页，2024年2月25日，星期天

硬度是衡量金属软硬程度的一种力学性能。硬度的大小通过硬度试验测定。

硬度试验和拉伸试验都是在静态力作用下测定材料力学性能的方法。由于硬度试验不需要制作专门试样，方法简便迅速，基本上不损伤试样，而且可以直接在工件上进行测试，因而在生产中被广泛应用。硬度是一项综合的力学性能指标，从金属表面的局部压痕即可反映出材料的强度和塑性，因此在零件图上常常标注各种硬度指标来作为技术要求。硬度值的高低直接影响机械零件的耐磨性，一般情况下硬度值越高，耐磨性也越好。三、硬度

硬度测量方法有压入法、划痕法、回弹法等，其中应用最为普遍的是压入法。第16页,共30页，2024年2月25日，星期天图8-6布氏硬度试验原理图

根据GB/T231.1—2002的规定，布氏硬度是在布氏硬度计上进行的一项硬度试验方法。它是在规定的试验力作用下，将一定直径的硬质合金球压入试样表面，保持一定的时间后去除试验力，测量试样表面的压痕直径d，然后根据压痕直径d计算其硬度值或从表8-2中查出该材料的布氏硬度值。原理如图8-6所示。1、布氏硬度第17页,共30页，2024年2月25日，星期天布氏硬度值是指压痕单位表面积上所承受的平均压力，用符号HBW表示。布氏硬度值可用下式计算式中，只有d是变数，因此试验时只要测量出压痕直径d(mm)，即可通过计算或查表得出HBW值。布氏硬度值一般都不标出单位，只写明硬度的数值。第18页,共30页，2024年2月25日，星期天布氏硬度的标注方法：在硬度符号的前面，标注测定的硬度值，在硬度符号的后面，用相应的数字注明压头球直径、试验力数字和与规定时间（10~15s）不同的试验力保持时间。一般试验力保持时间为10~15s时不需注明。例：350HBW5/75、600HBW1/30/20注：力的单位通常为公斤力kgf，注：1kgf=9.8N，kgf即一千克的力的意思

第19页,共30页，2024年2月25日，星期天图8-7洛氏硬度试验原理图

洛氏硬度是用锥角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球作为压头，在洛氏硬度计上进行的一项硬度试验方法，如图8-7所示。试验时，先加初试验力，然后再加主试验力，将压头压入试样表面之后，去除主试验力，在保留初试验力的情况下，根据试样压痕深度来确定金属的硬度大小。2、洛氏硬度第20页,共30页，2024年2月25日，星期天洛氏硬度的标注方法：在硬度符号HR的前面应该注明硬度数值，HR后面应该注明使用的标尺。如50HRC表示用“C”标尺测定的洛氏硬度值为50。布氏硬度优点：测量误差小，数据稳定缺点：压痕大，对金属的损伤大，不能用于太薄件及比压头还硬的材料洛氏硬度优点：操作简便、压痕小、适用范围广缺点：压痕小，测量结果的准确性、重复性不如不是硬度试验。区别第21页,共30页，2024年2月25日，星期天

强度、塑性、硬度等力学性能指标都是在静态力作用下测定的。但在实际生产过程中，有些零件受到的是动态力，是高速作用的载荷冲击，如压力机的冲头、锻锤的锤杆、汽车变速齿轮及飞机的起落架等，这些工件除要求具有一定的强度、塑性、硬度等力学性能外，还必须具有足够的韧性，以满足实际性能的需要。

韧性是指金属材料在动态力作用下抵抗断裂的能力，也即金属在断裂前吸收变形能量的能力。动态力，特别是冲击载荷，比静态力的破坏性要大得多。因此，需要采用测定冲击载荷下的冲击吸收功来确定韧性，用冲击韧度表示。为了测定金属的冲击吸收功，通常都采用夏比冲击试验。四、冲击韧度第22页,共30页，2024年2月25日，星期天图8-8夏比冲击试验原理图

1—固定支座2—带缺口的试样3—刻度盘4—摆锤

夏比冲击试验是在摆锤式冲击试验机上进行的。试验时，将带有缺口的试样安放在试验机的机架上，使试样的缺口位于两固定支座中间，并背向摆锤的冲击方向，如图8-8所示。将一定质量的摆锤升高至h1，则摆锤具有势能AKV1(V形缺口试样)。冲击力方向1、实验原理第23页,共30页，2024年2月25日，星期天图8-9冲击试样

a)U形缺口试样b)V形缺口试样2、冲击试样

为了使试验结果不受其他因素影响，冲击试样要根据国家标准制作，如图8-9所示。第24页,共30页，2024年2月25日，星期天图8-10冲击吸收功-温度曲线3.冲击韧度

用试样断口处截面面积去除冲击吸收功即得冲击韧度。以V形缺口试样为例，其计算式为4.冲击吸收功-温度关系曲线

冲击吸收功与试验温度有关。有些金属在室温时并不显示脆性，而在较低温度下则可能发生脆断。冲击吸收功与温度之间的关系曲线如图8-10金属的韧脆转变温度越低，说明金属的低温抗冲击性能越好第25页,共30页，2024年2月25日，星期天图8-11多次冲击弯曲试验示意图

多次冲击弯曲试验如图8-11所示。试验时将试样放在试验机支座上，使试样受到试验机锤头的小能量多次冲击，在一定冲击能量下测定被测试样。记录开始出现裂纹和最后破裂的冲击次数，并以此作为其多次冲击抗力指标。研究结果表明：多次冲击抗力取决于金属的强度和塑性指标。小能量多次冲击的脆断问题，主要由金属的强度决定；大能量多次冲击的脆断问题，主要取决于金属的塑性。金属在多次冲击下的破坏过程包括裂纹产生、裂纹扩张和瞬时断裂三个阶段，其破坏是每次冲击损伤积累的结果，与每一次冲击的破坏过程不同。第26页,共30页，2024年2月25日，星期天图8-12对称循环交变应力

应力是对称循环应力，其最大值σmax和最小值σmin的绝对值相等，即σmax/σmin=-1，如图8-12所示。许多零件工作时承受的应力值通常都低于材料的屈服强度或规定残余延伸强度，零件在这种循环载荷作用下，经过一定循环次数后仍会产生裂纹或发生突然断裂，这种现象称为金属的疲劳。第27页,共30页，2024年2月25日，星期天图8-13疲劳断裂的断口示意图研究表明：疲劳断裂首先是在零件局部区域产生应力集中造成的。首先，形成微小的