金属材料力学性能及实验

第一章金属(jīnshǔ)的力学性能及试验方法金属材料性能：使用性能和工艺性能使用性能：为保证机械零件或工具正常工作，材料应具备的性能，它包括物理性能（如导电性、导热性、热膨胀性等）、化学性能（如抗腐蚀性、抗氧化性等）和力学性能。工艺性能：在制造机械零件或工具的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能，它包括铸造、锻造、焊接、切削加工等工艺性能以及热处理工艺性等。力学性能：材料在外力作用下所显示(xiǎnshì)的性能，又称机械性能，如强度、硬度、塑性、韧性、抗疲劳性等。共二十七页一、强度强度：金属抵抗永久变形和断裂的能力拉伸试验(shìyàn)法：拉伸试验(shìyàn)在拉伸试验机上进行共二十七页一、强度强度：金属抵抗永久变形和断裂(duànliè)的能力拉伸试验法：拉伸试验在拉伸试验机上进行拉伸试样：圆形试样（断面为圆形），根据GB6397－86的规定，拉伸试样分为长比例试样或短比例试样。对圆形试样：长试样l=10d。；短试样l=5d。共二十七页

拉伸曲线：在开始的阶段，材料处于弹性变形阶段；超过e点后，除弹性变形外，材料开始产生塑性变形，曲线在S点处出现一小段水平线段，这种现象称为“屈服”，标志着材料发生(fāshēng)微量塑性变形。当拉伸力达到后，在试样的标距长度内某处，横截面发生(fāshēng)局部收缩，即产生“缩颈”现象，此时拉伸力开始减小，故b点为曲线上集中干预部，直至断裂（k点）。共二十七页

拉伸曲线：在开始的阶段，材料处于弹性变形阶段；超过e点后，除弹性变形外，材料开始产生塑性变形，曲线在S点处出现(chūxiàn)一小段水平线段，这种现象称为“屈服”，标志着材料发生微量塑性变形。当拉伸力达到后，在试样的标距长度内某处，横截面发生局部收缩，即产生“缩颈”现象，此时拉伸力开始减小，故b点为曲线上集中干预部，直至断裂（k点）。共二十七页内力：试样受拉伸力F作用后，导致材料内部之间产生同样大小的相互作用力应力：单位横截面积上的内力，。

屈服点（屈服极限）：金属(jīnshǔ)产生屈服现象时的应力。

屈服强度：工程技术上一般规定，以试样产生的塑性变形伸长量达到0．2％时的应力，σ0.2。抗拉强度（强度极限）：金属拉断前承受的最大拉应力，共二十七页

二、塑性塑性：金属材料断裂前发生永久变形的能力断后伸长率：试样拉断后标距的伸长量与原始标距的百分比由于(yóuyú)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。断面收缩率：试样拉断处横截面积的减小量与原始横截面积的百分比，Ψ强度是表征材料变形抗力指标，而塑性是描述变形能力的指标。共二十七页第二节硬度(yìngdù)及硬度(yìngdù)试验硬度：金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力一、布氏硬度试验法

布氏硬度试验的原理：用一定直径D（mm）的钢球或硬质合金球，以相应的试验力F（N）压入试件表面，并保持一定的时间，然后卸除试验力，测量试件表面的压痕直径d（mm），用试验力除以压痕球形表面积A（mm2）所得(suǒdé)的商作为布氏硬度值，符号为HBS（压头为钢球时）或HBW（压头为硬质合金球时）。共二十七页共二十七页HBS适用(shìyòng)于测量低于布氏硬度值450的材料；HBW适用于测量低于布氏硬度值650的材料。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选择。共二十七页金属种类布氏硬度范围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黑色金属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共二十七页

120HBS10／1000／30代表用10mm钢球，在1000kgf（10kN）试验力作用下保持30s，测得的布氏硬度值。布氏硬度试验法一般(yībān)用于试验各种硬度不高的钢材、铸铁、有色金属等，也用于试验经淬火、回火但硬度不高的钢件。由于布氏硬度试验的压痕较大，试验结果能更好地代表试件的硬度。共二十七页二、洛氏硬度实验(shíyàn)

洛氏硬度试验法原理：根据压痕的塑性变形深度来衡量硬度。试验时，先加初始试验力98N（10kgf），使压头紧密接触试件表面a，并压入到b处，以此作为衡量压入深度的起点，再加主试验力使压头压入到c处，然后去掉主试验力，由于被试金属(jīnshǔ)弹性变形的消除，压头向上回升到d处。洛氏硬度计表盘上读出即可。共二十七页二、洛氏硬度实验(shíyàn)

洛氏硬度试验法原理：根据压痕的塑性变形深度来衡量(héngliáng)硬度。试验时，先加初始试验力98N（10kgf），使压头紧密接触试件表面a，并压入到b处，以此作为衡量(héngliáng)压入深度的起点，再加主试验力使压头压入到c处，然后去掉主试验力，由于被试金属弹性变形的消除，压头向上回升到d处。洛氏硬度计表盘上读出即可。共二十七页二、洛氏硬度实验(shíyàn)

洛氏硬度试验法原理：根据压痕的塑性变形深度来衡量硬度。试验时，先加初始试验力98N（10kgf），使压头紧密(jǐnmì)接触试件表面a，并压入到b处，以此作为衡量压入深度的起点，再加主试验力使压头压入到c处，然后去掉主试验力，由于被试金属弹性变形的消除，压头向上回升到d处。洛氏硬度计表盘上读出即可。共二十七页

试验时，根据被测的材料(cáiliào)不同，压头的类型、试验力及按表-2选择，对应的洛氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种符号压头类型载荷/kgf硬度有效范围使用范围HRA金刚石圆锥体6070～85适用于测量硬质合金、钢表、淬火层或渗碳层HRB直径为1.588mm钢球10025～100（相当60～230HB）适用于测量非铁金属退火、火等HRC金刚石圆锥体15020～67(相当HB230～700)适用于调质钢、淬火钢等表-2共二十七页

第三节韧性(rènxìnɡ)和冲击试验

冲击力：零件受到突然作用的外力韧性：金属在冲击力作用下，断裂前吸收变形(biànxíng)能量的能力。韧性愈好，代表金属的抗冲击能力愈强。一、摆锤式一次冲击试验按GB229－84的规定，将被试金属制成标准的冲击试样。共二十七页

摆锤式一次冲击试验原理：试验在专门的摆锤式冲击试验机上进行，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(zhīdiǎn)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共二十七页

摆锤式一次冲击试验原理：试验在专门的摆锤式冲击试验机上进行，把试样放在试验机的支承面上，试样的缺口背向(bèixiànɡ)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共二十七页

摆锤式一次冲击试验原理：试验在专门的摆锤式冲击试验机上进行，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(ránhòu)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共二十七页实际上，冲击吸收功AK数值可由试验机读出，而无需(wúxū)计算冲击韧度：将冲击吸收功AK值除以试样缺口底部的横载而积A0（cm2）得到的值ak=AK/A0冲击韧度作为衡量材料刚性的依据共二十七页

实际上，冲击吸收功AK数值可由试验机读出，而无需计算冲击韧度：将冲击吸收功AK值除以试样(shìyànɡ)缺口底部的横载而积A0（cm2）得到的值ak=AK/A0冲击韧度作为衡量材料刚性的依据共二十七页二、多次重复冲击试验(shìyàn)的概念

在小能量多次冲击破坏时，应进行多次重复冲击试验测定其多冲抗力材料制成专门的多冲缺口试样1放在多冲试验机上，使之受到试验机锤头2的小能量（＜15J)多次冲击。测定材料在一定(yīdìng)冲击能量下，开始出现裂纹或最后破断的冲击次数作为多冲抗力指标共二十七页

第四节金属(jīnshǔ)疲劳的概念

交变压力：是指大小和方向构随时间周期变化的应力金属的疲劳：在多次交变应力作用，金属会在远小于抗拉强度σb，甚至(shènzhì)小于屈服点σs。的应力下失效（出现裂纹或完全断裂）。疲劳曲线：实验证明，一般钢铁材料所受交变应力最大值σmax与其失效前的应力循环次数（疲劳寿命）N的曲线关系。疲劳极限σ-1：材料可经受无数次应力循环而不失效的应力值。通常规定经受107循环周次而不失效的最大应力为钢铁的疲劳极限共二十七页

第四节金属疲劳(píláo)的概念

交变压力：是指大小和方向(fāngxiàng)构随时间周期变化的应力金属的疲劳：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）。疲劳曲线：实验证明，一般钢铁材料所受交变应力最大值σmax与其失效前的应力循环次数（疲劳寿命）N的曲线关系。疲劳极限σ-1：材料可经受无数次应力循环而不失效的应力值。通常规定经受107循环周次而不失效的最大应力为钢铁的疲劳极限σ

σ－1107(108)㏑N共二十七页疲劳破坏的过程：一般认为，在突变应力作用下，材料的某些局部地区逐渐产生微小的裂纹，尤其在氧化物、硫化物等非金属夹杂物和钢件表面的沟槽、螺纹根部、加工刀痕等处，更易诱发裂纹。随着应力循环次数的增加，裂纹逐渐扩展，使钢件剩下的断面大为减小，以致不能承受载荷而突然断裂。各向异性:由于(yóuyú)晶体中原子的规则排列，晶格上不同的晶面和晶向的原子密度便不相同，因而沿着一个晶体的不同方