2 材料的力学性能（强度 塑性 硬度）

第一章金属材料的力学性能机械工程材料2硬度1强度与塑性3冲击韧性主要内容机械工程材料静载荷下的力学性能}4疲劳强度5断裂韧性动载荷下的力学性能}6高温下材料力学性能自我阅读7耐磨性}能够掌握工程材料常见力学性能指标的测试、实验方法，并能运用在安全性能评定中。能够准确提出在外力（载荷）和环境作用下，材料应具备的力学性能指标。学习成果达成1GONGCHENGCAILIAOJIRECHULI2GONGCHENGCAILIAOJIRECHULI机械工程材料对象及特征：内燃机曲轴，工作时受到周期性变化的气体压力、曲柄连杆机构的惯性力，扭转和弯曲应力以及振动、冲击力等的作用。对材料的使用性能要求：高的强度，一定的冲击韧性和弯曲、扭转疲劳强度，在轴颈处要求有高的硬度和耐磨性。一般选用优质碳素钢或合金钢，通过热处理（调质、局部表面淬火+低温回火）工艺达到使用要求。任务：写出设计图纸中技术要求部分有关材料力学性能指标的内容。项目设计机械工程材料1.1金属材料在静载荷下的力学性能

变形

材料在外力的作用下发生的形状和尺寸的变化。通常材料的变形表现为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。弹性变形

外力去处后能够恢复的变形。塑性变形

外力去处后不能恢复的变形。金属材料在静载荷下的力学性能指标主要有：强度、塑性和硬度。机械工程材料拉伸前拉伸实验拉伸后1.1.1强度与塑性机械工程材料Ra0.8L0D0rLuDurRa0.8退火低碳钢的应力-应变曲线采用拉伸实验测绘的拉伸曲线1.1.1强度与塑性DEeAORA'BCRmReLReHRa图1-2退火低碳钢的应力-应变曲线Ra'机械工程材料1.弹性和刚度弹性：即材料不产生永久变形可承受的最大应力值，

指标为弹性极限Ra(单位：MPa）。

通常，

Ra≈Ra'（比例极限）刚度：材料受力时抵抗弹性变形的难易程度，

用弹性模量E（=R/e，单位MPa）表示。比刚度：弹性模量与密度的比值，E/ρ机械工程材料2.

强

度1.屈服强度ReL

（Rp0.2

）：

材料屈服时的应力值，通常有上屈服强度ReH和下屈服强度ReL（较稳定）。

机械工程材料强度：材料在载荷作用下，抵抗永久（塑性）变形和断裂的能力。

两个指标：ReL（或

Rp0.2

）；Rme0RRp0.20.2%铸铁的应力-应变曲线2.抗拉强度Rm：材料断裂前所承受的最大应力值。

对于没有明显屈服现象的材料，用规定塑性延伸强度Rp0.2：塑性延伸率为0.2%时的应力值。3.塑

性拉伸试样的颈缩现象塑性：材料在断裂前承受不可逆的永久变形的能力。

两个指标：A（或A1.13

）；

Z断后伸长率：断面收缩率：机械工程材料短试样

A

：长试样

A1.13：3.塑

性①用断面缩率Z表示塑性比用断后伸长率A更接近真实变形。②直径d0相同时，L0

，A

。只有当L0/d0为常数时，塑性值才有可比性。③当L0=10d0时，伸长率用A11.3

表示；

当L0=5d0时，伸长率用A表示。显然A>A11.3④A>Z时，无颈缩，为脆性材料特征

A<Z时，有颈缩，为塑性材料特征注意事项机械工程材料金属材料强度与塑性新旧标准对照表机械工程材料GB/T228.1-2010GB/T228-1987性能名称符号性能名称符号屈服点—屈服点σs上屈服强度ReH上屈服点σsU下屈服强度ReL下屈服点σsL规定塑性延伸强度Rp规定非比例伸长应力σp抗拉强度Rm抗拉强度σb断后伸长率A和A11.3断后伸长率δ5和δ10断面收缩率Z断面收缩率ψ1.1.2硬

度机械工程材料掌握金属材料硬度性能指标的概念及其内涵。掌握硬度性能指标的实验测定及其表示方法。

硬度试验设备简单，操作迅速方便，一般不需要破坏零件或构件，可以在成品或半成品件上测试，而且对于大多数金属材料，硬度与其他的力学性能（如强度、耐磨性）以及工艺性能（如切削加工性、可焊性等）之间存在着一定的对应关系。

因此，硬度被广泛地用以检验原材料和热处理件的质量、鉴定热处理工艺的合理性以及作为评定工艺性能的参考。一般除强韧性要求较高的情况外，均可按硬度值估算材料强度，从而避免做复杂的拉伸实验等。常将硬度作为技术条件标注在零件图样或写在工艺文件中。1.1.2

硬度机械工程材料11332200固体材料抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度，即固体材料表面受压时抵抗局部变形的能力，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度值的大小不仅取决于材料的成分和组织结构，还取决于测定方法和试验条件。测量方法1：布氏硬度HB测量方法2：洛氏硬度HR测量方法3：维氏硬度HV布氏硬度计布氏硬度测量原理图1.硬度指标1：布氏硬度机械工程材料HBW为布氏硬度值（MPa）；F为载荷（N）；S为压痕面积（mm2）

FdhD1.硬度指标1：布氏硬度机械工程材料当F、D一定时，布氏硬度值仅与压痕平均直径d的大小有关。d越小，布氏硬度值越大，材料硬度越高；反之，则说明材料较软。实际应用中，查表0.102×F/D2的数值，根据测量压痕的平均直径d即可查得布氏硬度值。1.硬度指标1：布氏硬度机械工程材料压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。（逐渐被淘汰，新标准已不用）符号HBW之前的数字表示硬度值,符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。例如：120HBW10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。压头为硬质合金球（一般用碳化钨）时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。（现标准推行）1.硬度指标1：布氏硬度机械工程材料

优点：测量误差小，数据稳定。

缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。硬度测量属于非破坏性测量方法，因此常用于成品检测。材料的布氏硬度HBW与抗拉强度Rm之间存在一定的经验关系，得到广泛应用，例：

低碳钢Rm(MPa)≈3.53HBW；

高碳钢Rm(MPa)≈3.33HBW；

灰铸铁Rm(MPa)≈0.98HBW；

合金调质钢Rm(MPa)≈3.19HBW；

退火铝合金Rm(MPa)≈4.70HBW。1.硬度指标1：布氏硬度机械工程材料金刚石圆锥压头与碳化钨球压头洛氏硬度压痕2.硬度指标2：洛氏硬度机械工程材料洛氏硬度测试示意图2.硬度指标2：洛氏硬度机械工程材料h洛氏硬度有A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T共11种标尺。金刚石圆锥做压头时，N=100；合金球做压头时，N=130。A~K标尺S=0.002mm；N、T标尺S=0.001mm。11332abdc002压头试样试验力为适应数值越大、硬度越高的习惯，引入全量程常数N和标尺常数S2.硬度指标2：洛氏硬度机械工程材料主要试验规范及应用举例见表。硬度符号压头类型初试验力F0

/N（kgf）主试验力F1

/N(kgf)总试验力F

/N(kgf)硬度值有效范围适用材料特征应用举例HRA120°金刚石圆锥98.07(10)490.3(50)588.4（60）20~95HRA高硬度较小较薄件或中硬度材料的表面硬度硬质合金、表淬层和渗碳层HRBϕ1.5875mm碳化钨球98.07(10)882.6(90)980.7（100）20~100HRBW较低硬度退火钢、正火钢及有色金属等HRC120°金刚石圆锥98.07(10)1373(140)1471.1（150）20~70HRC中等硬度调质钢、淬火回火钢等HRA用于测量高硬度材料,如硬质合金、表淬层和渗碳层。HRB用于测量低硬度材料,如有色金属和退火、正火钢等。HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。优点：操作简便，压痕小，适用范围广。缺点：测量结果分散度大。2.硬度指标2：洛氏硬度机械工程材料常用标尺有HRA、HRB、HRC三种，其中HRC应用最广。如55HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为55。小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计维氏硬度计3.硬度指标3：维氏硬度机械工程材料d1d2维氏硬度试验原理示意图3.硬度指标3：维氏硬度机械工程材料维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。根据载荷范围不同，规定了三种测定方法—维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验、显微