第一章 金属材料的机械(力学)(2)新

1、包括两方面 材料材料使用性能使用性能 材料材料工艺性能工艺性能 力学性能力学性能（强度、塑性、韧性等）强度、塑性、韧性等） 物理性能物理性能（光、热、电、磁等）（光、热、电、磁等） 化学性能化学性能（氧化、腐蚀等）（氧化、腐蚀等） 生物性能（生物性能（相容性、自恢复性等）相容性、自恢复性等） 加工性能加工性能（切削、锻造等）（切削、锻造等） 铸造性能铸造性能（适合铸造与否）（适合铸造与否） 焊接性能焊接性能（容易焊接与否）（容易焊接与否） 热处理性能热处理性能（可热处理强化）（可热处理强化） 机械工程材料的常用性能机械工程材料的常用性能 l第一章第一章 金属材料的机械（力学）性能金属材料的机械

2、（力学）性能 l材料的性能包括材料的性能包括 : l 使用性能使用性能 ( 力学性能、物理、化学性能力学性能、物理、化学性能) l 工艺性能工艺性能 ( 铸造性、可锻性、切削加工性铸造性、可锻性、切削加工性) l力学性能力学性能 ( 机械性能机械性能 ) l _ 材料在载荷材料在载荷 (外力或能量外力或能量) 以及环境因素作用下表现出以及环境因素作用下表现出 l 的变形和破断的特性。的变形和破断的特性。 l 材料受外力作用时，将会产生变形和破坏。其过程一般是：材料受外力作用时，将会产生变形和破坏。其过程一般是：弹性变形弹性变形 塑性变形塑性变形断裂。断裂。弹性变形弹性变形是外力去除后能够自行恢

3、复的变形。是外力去除后能够自行恢复的变形。塑性变形塑性变形是是 外力去除后不能完全自动恢复而保留下来的变形，又称永久变形外力去除后不能完全自动恢复而保留下来的变形，又称永久变形 。 l1-1 1-1 静载时材料的机械性能静载时材料的机械性能 l一、静拉伸试验一、静拉伸试验 l 各种性能指标含义、单位、及影响因素。各种性能指标含义、单位、及影响因素。 l1. 1. 应力应力- -应变应变 曲线（分为四阶段）：曲线（分为四阶段）： l 弹性变形弹性变形 l 屈服变形屈服变形 l 均匀塑性变形阶段均匀塑性变形阶段 l 局部集中塑性变形局部集中塑性变形 l 颈缩颈缩 拉伸试样拉伸试样 拉伸试验机拉伸试

4、验机 * 拉伸试样： 长试样：L0=10d0 短试样：L0=5d0 d0 L0 0 拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象 力力伸长曲线伸长曲线 F e s b k L Fs Fb O 屈服屈服 弹弹 性性 变变 形形 缩颈缩颈 断裂断裂 塑塑 性性 变变 形形 b s e 弹性变形弹性变形弹性变形、弹性变形、 塑性变形塑性变形 非线性弹非线性弹 性变形性变形 l2. 2. 强度强度 l 材料抵抗变形、断裂的能力，材料抵抗变形、断裂的能力， l 单位单位 MN/mMN/m2 2 ( MPa ( MPa ） l 屈服强度屈服强度s s l 材料开始明显塑性变形的抗力材料开始明显塑性变形的抗力, ,

5、 是设计是设计 l 和选材的主要依据之一。和选材的主要依据之一。 l s s = = F Fs / s / A Ao o 工业上的屈服强度规定产生工业上的屈服强度规定产生0.2%0.2%变形时应力值变形时应力值 为屈服强度为屈服强度. . 即即: : s s = = 0.2 0.2 l 抗拉强度抗拉强度b b ( ( 质量控制指标质量控制指标 ) ) l 抗拉强度是指试样拉断前所承受的最大拉应力，抗拉强度是指试样拉断前所承受的最大拉应力， l 用用 符号符号bb表示。是零件设计的重要依据表示。是零件设计的重要依据, ,也是也是 l 评定金属材料质量的重要指标。评定金属材料质量的重要指标。 b

6、b = = F Fb / b / A Ao o l 铸铁、陶瓷、复合材料等脆性材料铸铁、陶瓷、复合材料等脆性材料 l b b = = s s l 中、高碳钢等无明显屈服现象中、高碳钢等无明显屈服现象. . l 比强度比强度b b /d /d 玻璃钢玻璃钢 d = 2.0, d = 2.0, l b b = 1060MN/m = 1060MN/m2 2， 为铝的三倍。为铝的三倍。 l 3. 塑性塑性 、 塑性是材料在静载荷作用下产生变形而不破坏的能力。塑性是材料在静载荷作用下产生变形而不破坏的能力。 评定材料塑性的指标是断后伸长率和断面收缩率。评定材料塑性的指标是断后伸长率和断面收缩率。 塑性直

7、接影响到零件的成形及使用。塑性好的材料，不仅能塑性直接影响到零件的成形及使用。塑性好的材料，不仅能 顺利地进行轧制、锻压等成形工艺，而且在使用中万一超截，由顺利地进行轧制、锻压等成形工艺，而且在使用中万一超截，由 于变形而能避免突然断裂。所以大多数机械零件除要求具有较高于变形而能避免突然断裂。所以大多数机械零件除要求具有较高 的强度外，还必须有一定的塑性。一般情况，伸长率达的强度外，还必须有一定的塑性。一般情况，伸长率达5 5或断面或断面 收缩率达收缩率达1010的材料，即可满足大多数零件的使用要求。的材料，即可满足大多数零件的使用要求。 、是表示材料塑性好坏的指标。是表示材料塑性好坏的指标。

8、 塑性好的材料易加工、使用时不易突然断裂。塑性好的材料易加工、使用时不易突然断裂。 (1)断面收缩率断面收缩率(percentage reduction in area): 是指试样拉断处横截面积是指试样拉断处横截面积A1 的收缩量与原始横截面积的收缩量与原始横截面积A0之比。之比。 A0 A1 = 100% A0 (2)伸长率伸长率(延伸率延伸率) specific elongation: 是指试样拉断后的标距伸长量是指试样拉断后的标距伸长量L k与与 原始标距原始标距L 0之比。之比。 L k L 0 = 100% L 0 10% 属塑性材料属塑性材料 二二.硬度硬度( hardness

9、):是指材料抵抗其他是指材料抵抗其他 硬物体压入其表面的能力。硬物体压入其表面的能力。 布氏硬度布氏硬度HB 洛氏硬度洛氏硬度HR 维氏硬度维氏硬度HV 肖氏硬度肖氏硬度HS 锉刀法锉刀法 常用测量硬度的方法常用测量硬度的方法 l硬度硬度 l 硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变 形、压痕或划痕的能力，是衡量材料软硬的判据，是一形、压痕或划痕的能力，是衡量材料软硬的判据，是一 个综合的物理量。是工业上质量检验、工艺设计最常用个综合的物理量。是工业上质量检验、工艺设计最常用 的试验方法。材料的硬度越高，耐磨性越好，故常将硬的试验方法。材料的硬度越高，耐磨性

10、越好，故常将硬 度值作为衡量材料耐磨性的重要指标之一。抵抗外物压度值作为衡量材料耐磨性的重要指标之一。抵抗外物压 入的能力入的能力 。 l 硬度的应用：硬度的应用： l 检验产品质量检验产品质量 l 衡量刀具、轴承等软硬程度和耐磨性衡量刀具、轴承等软硬程度和耐磨性 l 可换算为强度极限可换算为强度极限 l1 1布氏硬度布氏硬度 l 用直径为用直径为D D的淬火钢球或硬质合金球，以相应的试验力的淬火钢球或硬质合金球，以相应的试验力F F 压入试样表面，保持规定的时间后卸除试验力，在试样表面留下压入试样表面，保持规定的时间后卸除试验力，在试样表面留下 球形压痕，如左图所示。球形压痕，如左图所示。

11、l 布氏硬度值用球面压痕单位面积上布氏硬度值用球面压痕单位面积上 l所承受的平均压力表示。用淬火钢球作所承受的平均压力表示。用淬火钢球作 l压头时，布氏硬度用符号压头时，布氏硬度用符号“HBS”HBS”表示表示; ;用用 l硬质合金球作压头，布氏硬度用符号硬质合金球作压头，布氏硬度用符号“HBW”HBW”表示。表示。 l 布氏硬度适用于未淬火的钢、铸铁、有色金属或软质的轴承布氏硬度适用于未淬火的钢、铸铁、有色金属或软质的轴承 合金。合金。 l 压头：压头： 淬火钢球淬火钢球 HBSHBS 硬质合金钢球硬质合金钢球 HBWHBW 布氏硬度计布氏硬度计 l HB = F/S HB = F/S （

12、MPa MPa 或或 kgf/mmkgf/mm2 2 ） ， l F F 施加的载荷施加的载荷 l S S 压头表面积压头表面积 l l 特点特点： l 平均、重复性好；平均、重复性好； l 压痕面积大，不适合于成品检验；压痕面积大，不适合于成品检验； l HBS - HBS - 钢球压头（钢球压头（450450）；）； l HBW - HBW - 硬质合金钢球压头（硬质合金钢球压头（450450） 表示方法：表示方法：符号符号HBS或或HBW之前的数字表示硬度值，符号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。后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷

13、保持时间。 如如: :120HBS10/1000/30表示表示直径为直径为10mm的钢球的钢球在在1000kgf （9.807kN）载荷载荷作用下作用下保持保持30s测得的测得的布氏硬度值为布氏硬度值为120。 h1-h0 洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图 洛氏硬度计洛氏硬度计 10HRCHBS l洛氏硬度洛氏硬度 洛氏硬度是以顶角为洛氏硬度是以顶角为120120的金刚石圆锥体或直径为的金刚石圆锥体或直径为 1.5881.588的淬火钢球作压头，以规定的试验力使其压入试的淬火钢球作压头，以规定的试验力使其压入试 样表面。试验时，先加初试验力，然后加主试验力。压入样表面。试验时，先加初试验力

14、，然后加主试验力。压入 试样表面之后卸除主试验力，在保留初试验力的情况下，试样表面之后卸除主试验力，在保留初试验力的情况下， 根据试样表面压痕深度，确定被测金属材料的洛氏硬度值。根据试样表面压痕深度，确定被测金属材料的洛氏硬度值。 优点：操作简便、可直接读数。优点：操作简便、可直接读数。 压痕小；适于各种硬度值的测量；压痕小；适于各种硬度值的测量； 是目前工厂应用最为广泛的试验方法。是目前工厂应用最为广泛的试验方法。 缺点：重复率低缺点：重复率低 HRHR （120120金刚石圆锥体压头或金刚石圆锥体压头或1.588mm1.588mm的钢球）的钢球） l HRB HRB（钢球压头，（钢球压头，

15、100kg100kg载荷）载荷） l 测量未淬火钢，有色金属。测量未淬火钢，有色金属。 l HRC HRC（圆锥压头，（圆锥压头，150kg150kg载荷）载荷） l 测量调质钢、淬硬钢制品。测量调质钢、淬硬钢制品。 l HRA（圆锥压头，（圆锥压头，60kg载荷）载荷） l 测量硬、薄试件、硬质合金。测量硬、薄试件、硬质合金。 l 表面洛氏硬度（表面洛氏硬度（HR15N HR30N HR45NHR15N HR30N HR45N） 钢球压头钢球压头 与金刚石与金刚石 压头压头 洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕 适用范围适用范围: 测量薄板类测量薄板类 ; HVHBS ; 用压痕两对角 线的平均长度 来

16、计算。 H V=F/S a a d l维氏硬度（维氏硬度（HVHV） l 金刚石正四棱锥压头，精确，但操作复杂，金刚石正四棱锥压头，精确，但操作复杂， l 用于科学试验。用于科学试验。 l 压力可选压力可选5 5120kg120kg间的特定值；适于各种间的特定值；适于各种 l 硬度值的测量；压痕小，可测表面硬化层、硬度值的测量；压痕小，可测表面硬化层、 l 薄片零件。薄片零件。 工工 件件 254mm 2.5g h l5显微硬度（显微硬度（HM） l压力小于压力小于10kg的的HV，可测组成相的硬度。，可测组成相的硬度。 小负荷维氏小负荷维氏 硬度计硬度计 显微维氏硬度显微维氏硬度 计计 l一

17、组硬度差为一组硬度差为5HRC的锉刀。例如的锉刀。例如: 10HRC、15HRC、20HRC等。等。 HRA、HRB、HRC分别测得的硬度， 不可直接比较大小 例如：例如： 50HRC70HRA 50HRC40HRC 50HRB40HRC l硬度之间互换的关系硬度之间互换的关系： l 200 600HBS时时： 10HRc HBS l硬度小于硬度小于450HBS时时： HBS HV l1-2 1-2 动载时材料的机械性能动载时材料的机械性能 一、冲击韧性一、冲击韧性（impact toughnessimpact toughness） l 材料抵抗冲击载荷的能力材料抵抗冲击载荷的能力 l a a

18、ku ku = = 冲击破坏所消耗的功冲击破坏所消耗的功 A Ak k / / 试样断口截面积试样断口截面积 F F l ( J/cm ( J/cm2 2 或或 MJ/mMJ/m2 2 ) ) l A Ak k变形功及断裂功（变形功及断裂功（ J J ） l 影响因素影响因素 ：材料、：材料、T T、试样大小、缺口形状等。、试样大小、缺口形状等。 l 应用应用 汽车紧急制动；蒸汽锤；冲床等动载荷。汽车紧急制动；蒸汽锤；冲床等动载荷。 l 脆性材料脆性材料 断裂前无明显变形，断口呈结晶状，有金属光泽。断裂前无明显变形，断口呈结晶状，有金属光泽。 l 韧性材料韧性材料 断裂前明显塑变，断口呈灰色纤

19、维状，无光泽。断裂前明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽。 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。 冲击试验机冲击试验机 冲击试样和冲击试验示意图冲击试样和冲击试验示意图 试样冲断时所消耗的试样冲断时所消耗的冲击功冲击功A k为为: A k = m g H m g h (J) 冲击韧性值冲击韧性值a k 就是试样缺口处单位就是试样缺口处单位 截面积上所消耗的冲击功。截面积上所消耗的冲击功。 AK a k = (J/cm) S0 建造中的建造中的Titanic 号号 TITANIC的沉没的沉没 与船体材料的质量与船体材料的质量 直接有关直接有关 Titanic近代

20、船用钢板近代船用钢板 l二、二、疲劳强度疲劳强度( fatigue strength ): 疲劳疲劳：材料在交变应力作用下，在远小于强度极限，：材料在交变应力作用下，在远小于强度极限， l 甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。 l 疲劳占失效零件的疲劳占失效零件的70%70%以上，以上，80%80%的断裂由疲劳造成。的断裂由疲劳造成。 疲劳极限疲劳极限：表示材料经无数次交变载荷作用而不致引表示材料经无数次交变载荷作用而不致引 起断裂的最大应力值。起断裂的最大应力值。 对称弯曲疲劳强度对称弯曲疲劳强度-1 -1 l 疲劳原因疲劳原因 划痕、内应力集中引起微裂纹展划

21、痕、内应力集中引起微裂纹展 l 影响因素影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、：循环应力特征、温度、材料成分和组织、 l 夹杂物、表面状态、残余应力等。夹杂物、表面状态、残余应力等。 l 陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低；陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低； l 金属材料，纤维增强复合材料疲劳强度较高。金属材料，纤维增强复合材料疲劳强度较高。 钢材的循环次数钢材的循环次数一般取一般取 N = 107 有色金属的循环次数有色金属的循环次数一般取一般取 N = 108 钢材的钢材的疲劳强度疲劳强度与与抗拉强度抗拉强度之间的关系之间的关系: -1 = (0.45 (0.450.55)0.55) b

22、 疲劳断口的特点疲劳断口的特点 l疲劳源区和疲劳裂纹扩展区的微观形貌疲劳源区和疲劳裂纹扩展区的微观形貌 一个疲一个疲 劳源劳源 两个疲两个疲 劳源劳源 微裂纹微裂纹 疲劳疲劳 条纹条纹 疲疲 劳劳 源源 区区 疲疲 劳劳 裂裂 纹纹 扩扩 展展 区区 本节中本节中 所讲的所讲的 材料的材料的 力学性力学性 能指标能指标 及应用及应用 刚度刚度：在设计中，考虑构件在受在设计中，考虑构件在受 力时发生的弹性变形量，需要用力时发生的弹性变形量，需要用 刚度。主要力学性能是材料的弹刚度。主要力学性能是材料的弹 性模量。如镗床的镗杆、齿轮轴性模量。如镗床的镗杆、齿轮轴 等等 弹性指标弹性指标：弹性极限和

23、弹性模弹性极限和弹性模 量是设计弹性零件考虑的性能指量是设计弹性零件考虑的性能指 标。如汽车板簧和各类弹簧等标。如汽车板簧和各类弹簧等 强度和塑性指标强度和塑性指标：屈服强度屈服强度 和塑性用于一般零件的抗断裂设和塑性用于一般零件的抗断裂设 计。计。 硬度硬度：在耐磨零件中必须考虑的在耐磨零件中必须考虑的 性能指标。如滚珠轴承、活塞环性能指标。如滚珠轴承、活塞环 等等. 1-3 1-3 高温下的机械性能高温下的机械性能 温度升高温度升高 硬度、强度、弹性模量下降；塑性、韧性硬度、强度、弹性模量下降；塑性、韧性 增加。增加。 蠕变蠕变 常温下工作的有机材料，随时间的延长，应变量常温下工作的有机材

24、料，随时间的延长，应变量 缓慢增加，甚至发生断裂。缓慢增加，甚至发生断裂。 1-4 1-4 断裂韧性断裂韧性 K KIC IC 低应力脆断低应力脆断 应力远小于屈服强度时发生突然脆性应力远小于屈服强度时发生突然脆性 断裂断裂 机理机理 微裂纹、缺陷、应力集中微裂纹、缺陷、应力集中 裂纹扩展裂纹扩展 失稳扩展失稳扩展 。 断裂韧性断裂韧性 裂纹失稳扩展抗力裂纹失稳扩展抗力 影响因素影响因素 成分、热处理、加工工艺。成分、热处理、加工工艺。 低应力脆断：低应力脆断： 有些零件在工作应力远远低于屈服点时就会发生有些零件在工作应力远远低于屈服点时就会发生 脆性断裂脆性断裂.这种现象称为低应力脆断这种现

25、象称为低应力脆断 。 如如1943.1.161943.1.16日日, , 美国美国T-2T-2型油船停泊在装货码头时沿甲型油船停泊在装货码头时沿甲 板扩展板扩展, ,断成两半断成两半, ,计算的甲板应力为计算的甲板应力为7kg/mm2.7kg/mm2.破坏是突然发破坏是突然发 生的生的, , 当时海面平静当时海面平静, ,天气温和天气温和, ,其计算的甲板应力只有其计算的甲板应力只有 7.0kg/mm27.0kg/mm2，远低于，远低于b(30-40kg/mm2)b(30-40kg/mm2)。 1-5 1-5 工艺性能工艺性能 是力学性能、物理化学性能的综合是力学性能、物理化学性能的综合 l 铸造性铸造性：包括流动性、收缩性、