李光平-哈工大-机械工程材料单元1课件

单元1金属材料的力学性能与勤奋的人在一起，你就不会懒惰；与积极的人在一起，你就不会消沉。与智者同行，你会不同凡响；与高人为伍，你就能登上巅峰。和不一样的人在一起，就会有不一样的人生。所以读好书、交好友，可以改变人生轨迹。

强度与塑性目录CONTNETS

硬度

冲击韧性

疲劳强度学习目标掌握金属材料拉伸试验抗拉强度Rm、下屈服强度ReL、伸长率A、断面收缩率Z，掌握布氏、洛氏硬度、冲击韧性、疲劳强度表示方法及符号。会作拉伸试验并用公式计算抗拉强度、下屈服强度、伸长率、断面收缩率；掌握布氏、洛氏硬度的应用范围；会作冲击试验；掌握提高接触疲劳抗力的主要途径学习目标知识目标技能目标知识脉络图1.1强度与塑性

工程材料是指在机械、船舶、化工、建筑、车辆、仪表、航空及航天等工程领域中,用于制造工程构件和机械零件的材料。工程材料按化学组成可分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料,在工业生产中应用最广泛的仍是金属材料。铸铁、碳钢及合金钢称为黑色金属,除黑色金属以外的金属(合金)称为有色金属,如铝及铝合金、铜及铜合金、钛合金、镁合金等。金属材料是现代制造业的基本材料,广泛地用于制造生产和生活用品.金属材料之所以能够获得广泛的应用,是由于其具有许多良好的性能。金属材料的性能包含使用性能和工艺性能两方面。使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能,包括物理性能(如密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性及磁性等)、化学性能(如耐腐蚀性、抗氧化性等)、力学性能等;工艺性能是指金属在制造加工过程中反映出来的各种性能。在机械设备及工具的设计、制造中选用金属材料时,大多以其力学性能为主要依据,因此熟悉和掌握金属材料的力学性能是非常重要的。所谓力学性能是指金属在外力作用下所表现出来的性能,力学性能包括强度、塑性、弹性模量和刚度、硬度、冲击韧性及疲劳强度等。学习寄语我们一同走进学校享受哺育，有他（她）、有我、还有你；校园留下了我们成长的足迹，歌声、笑声、读书声在这里传递；讲台上积攒了老师的汗水，课堂上开启了我们的智慧；是谁凝结了我们的思绪？是谁点缀了我们的心扉？一根根白色的粉笔加深了我们脑海的记忆，一句句鼓励的话语记录了我们顽皮的陶醉；让我们懂得了人生的真谛，令我们精力更加充沛；我们的脸上写满了喜悦与惬意，我们信心百倍、奋起直追；时间宝贵，珍惜，珍惜，再珍惜，勤奋学习，努力，努力，再努力；听：前进的号角已经响起！看：前进的路上早已燃起了希望的火炬！美好的未来等待我们描绘，来吧，让我们一起飞！1.强度金属在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度，强度的大小通常用应力来表示。材料强度越高，可承受的载荷越大。根据载荷作用方式不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度，一般情况下多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。2.拉伸试样圆形拉伸试样，d为试样直径，L0为标距长度，试样可分为短试样（L0=5d）和长试样（L0=10d）两种。

L0=5d的短试样，其断后伸长率记为A；当L0小于15mm时，应优先采用长试样（L0=10d），其断后伸长率记为A11.3。3.力—伸长曲线纵坐标表示力F、单位为Ｎ，横坐标表示伸长量△L、单位为mm，拉伸过程可分为弹性变形、屈服、强化和缩颈四个阶段。

4.屈服强度当金属材料呈现屈服现象时，材料在试验期间达到塑性变形而力不增加的应力点称为屈服强度或屈服极限，用符号Re表示、单位为MPa。在金属材料中，常用下屈服强度ReL代表其屈服强度。用试样标距长度产生0.2℅塑性变形时的应力作为屈服强度，可以替代ReL，称为条件屈服强度或名义屈服强度，计为Rp0.2。屈服强度是工程技术中最重要的力学性能指标之一，设计零件时常以ReL或Rp0.2作为选用金属材料的依据。5.抗拉强度材料在断裂前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用符号Rm表示。零件在工作中所承受的应力，不允许超过抗拉强度，否则会产生断裂；Rm也是机械零件设计和选材的重要依据。Re/Rm的值称为屈强比，屈强比越小，说明工程构件的屈服点距离断裂点越远，可靠性越高，也就是万一超载也不至于马上断裂。但屈强比小，材料强度有效利用率也低。6.伸长率试样拉断后，标距的伸长量与原始标距之比的百分率称为伸长率，用符号A表示。A＝×100％

式中Lu——试样拉断后的标距，mm；Lo——试样的原始标距，mm。7.断面收缩率试样拉断后，缩颈处横截面积的变化量与原始横截面面积的百分比称为断面收缩率，用符号Z表示。Z＝×100％

式中S0——试样原始横截面面积，mm2；Su——试样拉断后缩颈处的横截面面积，mm2。8.弹性模量弹性模量表示金属材料抵抗弹性变形的能力。弹性模量E值主要取决于各种金属材料的本性，而与热处理、微量合金化及塑性变形等对其影响很小，它是一个对组织不敏感的力学性能指标。弹性模量E是指金属材料在弹性状态下的轴向拉伸应力与相应的应变的比值。

9.刚度工程上将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。零件的刚度除了与零件横截面大小、形状有关外，还主要取决于材料的性能（即材料的弹性模量E）。E越大，刚度越大。1.2硬度

金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度。它是各种零件和工具必须具备的性能指标，是衡量金属材料软硬程度的一种指标。通常材料越硬，其耐磨性越好。机械制造业所用的刀具、量具、模具等，都应具备足够的硬度，才能保证使用性能和寿命。有些机械零件如齿轮等，也要求有一定的硬度，以保证足够的耐磨性和使用寿命。因此，硬度是金属材料一项重要的力学性能。与拉伸试验相比，硬度试验简便易行，因而硬度试验应用十分广泛。硬度测试的方法很多，最常用的有布氏硬度试验法、洛氏硬度试验法和维氏硬度试验法三种。绽放梦想学习驶载着我们的愿望扬帆远航，歌声传递着我们的梦想延伸绽放；为了抓住宝贵时光，为了使自己能力更强；我们一起发奋在技校课堂，在这里我们茁壮成长。知识给了我们腾飞的翅膀，让我们在蓝天上翱翔；知识给了我们智慧和力量，让我们把家乡装扮得更加美丽漂亮；请相信我们一定会把满意的答卷交上，我们一定会做得更好更棒！1.布氏硬度布氏硬度是通过测量试样表面压痕直径来计算布氏硬度值，其单位为MPa，一般均不标出，用符号HBW来表示。布氏硬度主要适用于测定灰铸铁、有色金属、以及退火、正火、调质处理后的各种软钢等硬度不是很高的材料；不宜于测量成品及薄件。2.洛氏硬度洛氏硬度是通过直接测量的压痕深度来计算洛氏硬度值，用符号HR表示，没有单位，通常以0.002为一个硬度单位；可测定成品及较薄工件；常用的洛氏硬度标尺是A、B、C三种，其中C标尺应用最为广泛。3.维氏硬度维氏硬度是通过测量压痕投影的两对角线平均长度来计算维氏硬度值，用符号HV表示，不标注单位。可测量较薄的材料及表面渗碳、渗氮层的硬度。1.3冲击韧性

许多机械零件在工作中，往往要受到冲击载荷的作用，如活塞销、锻锤杆、冲模和锻模等。制造这类零件所用的材料，其性能指标不能单纯用静载荷作用下强度、塑性、硬度等性能指标来衡量，而必须考虑其抵抗冲击载荷的能力，即必须具备足够的冲击韧性。冲击韧性是指金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力；冲击韧性的主要判断依据是冲击吸收能量。冲击吸收能量越大，说明材料的韧性越好。明天更好再庞大的机器我们也能双手制造，再复杂的设备我们也能操作得了；为了让明天飞得更高，我们一起发奋在技工学校。此时我们正在专心绘描，此刻我们也在用心思考。因为我们知道：一定要把专业知识记牢，用知识武装自己的头脑；这样我们才能做得比别人更好，有付出就一定会有回报！我们坚信明天会更加美好！1.冲击试样冲击试样常用的有U形缺口和V形缺口两种试样，其外形尺寸为10mm×10mm×55mm。一般情况下，尖锐缺口和深缺口试样适用于韧性较好的材料。2.冲击吸收能量冲击吸收能量是试样在冲击试验力作用下折断时所吸收的能量，用符号K表示，单位为J。用U形和V形缺口试样测得的冲击吸收能量分别用KU和KV表示。如KU2就表示U形冲击试样在2mm刀刃下的冲击吸收能量。3.夏比摆锤冲击试验材料的冲击韧性用夏比摆锤冲击试验来测定。夏比摆锤冲击试验是将规定几何形状的缺口试样置于试验机两支座之间，缺口背向打击面放置，实质上就是通过能量转换过程，测量试样在这种冲击下折断时所吸收的能量。让摆锤从一定高度落下，将试样一次冲断。在这一过程中，用试样所吸收的能量K的大小作为衡量材料韧性的指标。

1.4疲劳强度

许多机械零件，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力（也称循环应力）。疲劳破坏（又称为金属的疲劳）是指在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象。疲劳破坏前没有明显的变形，断裂前没有预兆。疲劳破坏的原因：机械零件之所以产生疲劳断裂，是由于材料表面或内部有缺陷（夹杂、划痕、显微裂纹等），这些地方的局部应力大于屈服点，从而产生局部塑性变形而导致开裂。这些微裂缝随应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至最后承载的截面减小到不能承受所加载荷而突然断裂。成长摇篮花灿烂，歌灿烂，学习圣殿美校园。书相伴，技能添，捷报频传，欢呼一片。看！看！看！文也练，武也练，职场英才德为先。好习惯，好理念，厚德强能，全面发展。赞！赞！赞！1.疲劳破坏疲劳破坏（又称为金属的疲劳）是指在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象。疲劳破坏前没有明显的变形，断裂前没有预兆。2.疲劳破坏产生的原因机械零件之所以产生疲劳断裂，是由于材料表面或内部有缺陷（夹杂、划痕、显微裂纹等），这些地方的局部应力大于屈服点，从而产生局部塑性变形而导致开裂。这些微裂缝随应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至最后承载的截面减小到不能承受所加载荷而突然断裂。3.疲劳曲线疲劳曲线是指交变应力与循环次数的关系曲线。当应力降到某个数值时，曲线与横坐标平行，表示应力低于此值时，试样可以经受无数次周期循环而不被破坏，此应力值称为材料的疲劳强度值。4.疲劳强度疲劳强度或疲劳极限，是金属材料在无限多次交变应力作用下而不破坏的最大应力。当交变应力为对称循环应力时，疲劳强度用符号R-1表示。对于黑色金属，一般规定应力循环107周次而不断裂的最大应力为疲劳强度；有色金属、不锈钢等取108周次而不断裂的最大应力为疲劳强度。5.提高疲劳强度的措施金属的疲劳强度受到很多因素的影响，如工作条件、表面状态、材料成分、组织及残余内应力等。合理选材，改善零件的结构形式，减少开孔、挖槽、切口等，避免应力集中，减小材料和零件的缺陷，降低零件表面粗糙度数值，采取各种表面强化的方法，避免表面划伤、腐蚀等，都能提高零件的疲劳强度。6.低周疲劳工程中有些机件是在承受交变应力（或重复应力）较高（接近或超过材料的屈服强度），加载频率较低，并经受循环周次较低（102～105周次）时发生了疲劳断裂，这种疲劳称为低周疲劳。低周疲劳的寿命与材料的强度及各种表面强化处理关系不大，它主要取决于材料的塑性。因而，当机件在低调疲劳下服役时，应在满足强度要求下，选用塑性较高的材料。7.冲击疲劳

承受小能量冲击载荷的零件，在经过千百万次冲击后发生断裂的现象，称为冲击疲劳。因此，对这些零件已不能用一次冲击弯曲试验所测得的冲击吸收功来衡量其对冲击载荷的抗力，而应采用冲击疲劳抗力的指标。8.热疲劳由于温度循环变化而产生热应力循环变化，由这种循环热应力引起的疲劳称为热疲劳。提高热疲劳抗力的主要途径有：降低材料的线膨胀系数；提高材料的高温强度和导热性；尽可能减少应力集中和使热应力得到应有的塑性松弛等。9.接触疲劳接触疲劳通常发生在滚动轴承、齿轮、钢轨与轮箍等一类零件的接触表面。因为接触