第一章 1 金属材料的结构特点和力学性能

1、世界四大材料：钢铁、木材、塑料、水泥 材料分：金属材料、非金属材料、复合材料 金属材料指钢铁、有色金属等材料 非金属材料无机高分子材料（陶瓷、水泥、 木材等），有机高分子材料（如塑料、橡胶）， 复合材料-玻璃钢、碳纤维复合材料、硼纤维材 料。 现在新材料-纳米材料、智能材料 材料按物质结构不同分： 金属材料、非金属材料（有机高分子材料和陶瓷 料)、复合材料 材料按用途不同分： 机械工程材料、土木工程材料、电工材料、电子材料 材料按功能不同分： 结构材料、功能材料、磁性材料等 材料分类 复合材料 金属材料 陶瓷材料 高分子材料 材料发展概括 石器时代 铜器时代：司母戊鼎（公元前1116世纪）11

2、307801100 战国编钟（前475221年）65个 总重2500Kg 天然石，兽骨，树枝 泥巴（日晒原始陶器；火烧瓷器用具） 铁器时代 沧州大狮（公元953年 ）重50T ,长5.3m,宽3m 人工复合材 料 塑料、橡胶、陶瓷、钛合金、碳纤维、纳米等 陶器时代 沧州铁狮铸造 于公 元953年。铁狮 子通高5.78米， 身长6.5米，体 宽3.17米，重约 40吨 第一章 金属材料的力学性能 n第一节：静载荷条件下材料的力学性能 n第二节：非静载荷时材料的力学性能 n第三节：金属材料的断裂韧度 n第四节：高温下材料的力学性能 金属材料的性能 1)使用性能使用性能：在使用过程中表现出的性能 力

3、 学性能、物理性能、化学性能等。 力学性能力学性能（又称机械性能）是指材料抵抗 外力（载荷）作用的能力。设计零件时是由力 学性能作为主要设计依据的。 2)工艺性能工艺性能：在各种加工过程中表现出来的性能。 如：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削性 能等。 第一节 静载荷条件下材料的力学性能 n静载荷静载荷是指对材料缓慢地施加载荷，使材 料的相对变形速度较小时的载荷（一般是小于 0.01mm/s）。 n动载荷动载荷（1）是指加载速度比较快，使材 料的塑性变形速度也较快的冲击载荷。（2） 作用力大小与方向作周期性变化的交变载荷。 一、静拉伸试验及材料的强度与塑性 标准拉伸试样（GB22887） l

4、L0试样原始标距长度（mm） ld0试样的原始直径（mm） 长试样L0=10d0 短试样 L0=5d0 静拉伸试验机原理 一、静拉伸试验及材料的 强度与塑性 =L/ L0 L=Lk L0 =F/A0 图12 低碳钢拉伸曲线 拉伸试样的颈缩现象 低碳钢应力应变曲线 脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比） n弹性变形弹性变形是指当外力解除后变形能够全部 消除恢复原状的变形。 n弹性极限弹性极限 e=Fe/A0 n物理意义物理意义材料保持完全弹性变形所承受的 最大应力。表征材料对（极）微量塑性变形的 抗力。 （一）弹性极限和刚度 1、弹性极限 n材料刚度材料刚度（弹性模量） E= /=tg n物理

5、意义物理意义材料产生单位弹性的相对变形所 需的应力。它是表征材料抵抗弹性变形能力的 力学性能指标。 （一）弹性极限和刚度 2、材料刚度E n材料强度材料强度是指在外力作用下，材料抵抗变 形和断裂的能力。 n屈服点屈服点（屈服强度）： s=Fs/A0 n物理意义物理意义是指材料在外力作用下开始产生 明显塑性变形的最小应力。表征材料抵抗微量 塑性变形的能力。 （二）材料强度 1、屈服点s （二）材料强度 2、抗拉强度 n抗拉强度抗拉强度 b=Fb/A0 n物理意义物理意义材料断裂前所承受的最大应力。 n屈强比屈强比 s/b 材料的屈强比愈小，构件的可靠性愈高。 强度的意义 强度是指金属材料抵抗塑性

6、变形和断裂的能力，一 般钢材的屈服强度在2001000MPa 之间。 强度越高，表明材料在工作时越可以承受较高的载 荷。当载荷一定时，选用高强度的材料，可以减小 构件或零件的尺寸，从而减小其自重。 因此，提高材料的强度是材料科学中的重要课题， 称之为材料的强化。 在外力作用下金属材料在断裂前产生不可逆永 久变形的能力 常用的塑性判据： 拉伸时的断后伸长率和断面收缩率 （三）材料的塑性 1、伸长率 n材料塑性材料塑性：是指材料在外力作用下产生塑性变 形而不发生断裂的能力。 n伸长率伸长率：是指试样拉断后其标距长度的相对 伸长值。定义为： n短试样的伸长率记为5（L0=5d0） n长试样的伸长率记

7、为10或（L0=10d0） n对于同一种塑性材料510 %100%100 00 0 l l l ll k 2、断面收缩率 n断面收缩率断面收缩率：是指试样拉断后断口处横截面 积的相对收缩值。定义为： n断面收缩率与试样尺寸无关； n金属材料只有具备足够的塑性才能承受各种变 形加工。 %100%100 00 10 A A A AA 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，也会由于塑性变形使材料强化而避 免突然断裂 二、硬度 n硬度硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能指标。 是材料抵抗局部塑性变形的能力，或者说抵抗 其它硬物压入的能力

8、。 n硬度计种类：硬度计种类：布氏硬度（HB）、洛氏硬度 （HR）、维氏硬度（HV） n重要零件或零件的重要部位大多规定材料的硬 度值。因为：（1）硬度测量简便迅速，不需做 试样，也不需破坏试件；（2）多数金属材料的 抗拉强度可以根据其硬度值进行估算。所以硬 度是一个很重要的力学性能指标。 （一）布氏硬度（HB） n设备：布氏硬度计 n方法：用规定直径的淬火刚球或硬质合金球以 一定的试验力压入所测材料的表面，保持规定 时间后，卸除试验力，测量表面压痕直径，然 后根据布氏硬度的定义公式计算出布氏硬度值。 n其物理意义是压痕表面上单位面积所承受的压其物理意义是压痕表面上单位面积所承受的压 力。力。

9、 布氏硬度测量原理及计算 A F HB 22 2 dDDDA 图13 布氏硬度原理图 工件 压头 布氏硬度的表示方法 n标准写法：布氏硬度值 ，布氏硬度符号，测试 条件（压头直径mm/试验力kgf/试验力作用时 间s）。如：200HBS2.5/187.5/30 n简单写法：200HBS n淬火刚球作压头HBS最大有效测量值为 450HBS n硬质合金压头HBW最大有效测量值为 650HBW 常用于测小于450HBS的原材料或零件毛坯的 硬度，不能测淬火钢件的硬度。 适用范围 （二）洛氏硬度（HR） n洛氏硬度洛氏硬度是以压头压入金属材料的压痕深度来 表征材料的硬度。 n压头压头：1）锥角为12

10、0的圆锥金刚石； 2）1.588mm的淬火刚球 n压痕的深度直接可用百分表测出来，还需另外 的测量和计算，十分方便，效率高，是实际生 产中使用最普遍的一种硬度测量方法。 洛氏硬度测量原理 002. 0 ek HR lh为压痕深度 l金刚石压头 k=0.2 l刚球压头 k=0.26 lP0为初载荷 lP1为主载荷 lP= P0 + P1 图14 洛氏硬度原理图 h 三种洛氏硬度试验条件 标值标值压头类型压头类型 初载荷初载荷 （kgkg） 总载荷总载荷 （kgkg） 测试范测试范 围围 应用举例应用举例 HRA 1200金刚石 圆锥 10607085 硬质合金、表面 淬硬层、渗碳层 HRB 1.

11、588mm 淬火钢球 1010025100 有色金属、退火 钢、正火钢 HRC 1200金刚石 圆锥 101502067淬火钢、调质钢 总载荷=初载荷+主载荷 表示方法 硬度值+HR 例如： 52HRC 70HRA 适用范围 洛氏硬度HRC可以用于硬度很高的材料， 在钢件热处理质量检查中应用最多。 （三）维氏硬度（HV） 1、维氏硬度维氏硬度是一种以正四棱锥 金刚石为压头的硬度测量方 法。 2、硬度值的定义硬度值的定义与布氏硬度相 同，即压痕表面上单位面积 所承受的压力。所不同的是 压痕形状为正四棱锥形。 3、硬度值计算公式： 2 102. 08544. 1 d F A F HV 图15 维氏

12、硬度原理图 n布氏硬度压痕面积大，代表性好（准确），效率 低；适合测试硬度较低的材料；不适合测量薄件和成 品件。 n洛氏硬度压痕面积小，代表性较差，所以通常要 取三点平均值作为测试结果；测试极为方便，是实际 生产中最为常用的一种测试方法；一般用于较高硬度 的测量。 n维氏硬度非常准确；从低硬度到高硬度均可测量； 测试设备昂贵，科学研究用该方法较多。 n各种硬度值可进行粗略换算， 换算公式如下： 三种硬度测试方法优缺点 HBHV10HRC 第二节 非静载荷时材料的力学性能 n静载荷静载荷 是指对材料缓慢地施加载荷，使材 料的相对变形速度较小时的载荷（一般是小于 0.01mm/s）。 n非静载荷（

13、动载荷）非静载荷（动载荷）（1）是指加载速度 比较快，使材料的塑性变形速度也较快的冲击 载荷，锻床、冲床等。（2）作用力大小与方 向作周期性变化的交变载荷，如轴、弹簧、齿 轮等。 一、冲击韧度 n冲击韧度冲击韧度：是指材料抵抗冲击载荷的能力。以 单位面积承受的冲击吸收功来衡量。 n计算公式： n试样种类： 尺寸： 10mm10mm55mm 无缺口 V型缺口 U型缺口 0 A A a k k Ak=mgH n对于一般常用钢材来说，冲击吸收功越大，材 料的韧性越好。 n考虑到试样被冲断所需的冲击吸收功，并非均 匀地消耗于断口处。所以，往往直接用冲击吸 收功来表征材料的冲击韧度。 n材料的冲击韧度值

14、除了取决于材料本身之外， 还与环境温度及缺口的状况密切相关。 n冲击韧度除了用来表征材料的韧性大小外，还 用来测量韧脆转变温度。 n材料的冲击韧度一般只作为设计的参考值。 二、疲劳强度 n疲劳强度疲劳强度：是指材料抵抗交变应力的能力。 n应力循环对称因数： =-1 疲劳强度疲劳强度-1 （轴类所受到的交变弯曲应力） n脉动循环交变应力 =0 疲劳强度疲劳强度0 （齿轮齿跟受到的循环 弯曲应力） max min 疲劳强度的测试 n在疲劳试验机上，用较多的试棒，在不同交变 载荷下进行试验，作出疲劳曲线。 疲劳强度的测试 材料经交变应 力无数次循环 作用而不发生 断裂的最大应 力称为材料的 疲劳强度

15、疲劳强度。 应力 循 环 次 数 图18 金属材料的疲劳曲线示意图 疲劳强度的定义 n疲劳强度定义为：材料经交变应力无数次循环 作用而不发生断裂的最大应力。 n工程上规定，对于钢铁材料为107次；对于有色 金属材料为108次。 n材料的疲劳强度-1与抗拉强度 b密切相关。对 钢来说，其关系为-1=0.450.55b。可见，材 料的疲劳强度随其抗拉强度增高而增高。 n金属材料的疲劳强度通常都小于屈服点，这说 明材料抵抗交变应力比抵抗静应力的能力低。 n1998年6月3日，德国发生了战后最惨重的一起铁路交通 事故。一列高速列车脱轨，造成100多人遇难。 n事故的原因已经查清，是因为一节车厢的车轮“

16、内部疲 劳断裂”引起的。首先是一个车轮的轮箍发生断裂，导 致车轮脱轨，进而造成车厢横摆，此时列车正好过桥， 横摆的车厢以其巨大的力量将桥墩撞断，造成桥梁坍塌 ，压住了通过的列车车厢，并使已通过桥洞的车头及前5 节车厢断开，而后面的几节车厢则在巨大惯性的推动下 接二连三地撞在坍塌的桥体上，从而导致了这场近50年 来德国最惨重的铁路事故。 变动载荷和循环应力 n1.变动载荷 n引起疲劳破坏的外力，指载荷大小、甚至方 向均随时间变化的载荷，其在单位面积上的平均 值即为变动应力。 n变动应力可分为规则周期变动应力(也称循环应力 )和无规则随机变动应力两种。 金属疲劳产生的原因 a)应力大小变化 b)c

17、）应力大小和方向都变化 d)应力大小和方向无规则变化 1.平均应力 2.应力幅 2 minmax m 2 minmax a t 一个应力循环 m a max min 零件在循环应力作用下,在一处或几处产生 局部永久性累积损伤,经一定循环次数后突然产 生断裂的过程,称为疲劳断裂. 疲劳断裂由疲劳裂纹产生扩展瞬时断 裂三个阶段组成。 2.疲劳断裂 n尽管疲劳失效的最终结果是部 件的突然断裂,但实际上它们是 一个逐渐失效的过程，从开始 出现裂纹到最后破断需要经过 很长的时间。 n疲劳断裂的宏观断口一般由三 个区域组成，即疲劳裂纹产生 区（裂纹源）、裂纹扩展区和 最后断裂区。 3.疲劳断口 轴的疲劳断

18、口疲劳辉纹（扫描电镜照片） n当应力低于某值时，材料经受无限次循环应力 也不发生疲劳断裂，此应力称为材料的疲劳极 限，记作R（R为应力比），就是S-N曲线中的 平台位置对应的应力。 n通常，材料的疲劳极限是在对称弯曲疲劳条件 下（R1）测定的，对称弯曲疲劳极限记作 -1。 4.疲劳强度 疲劳强度的影响因素 n疲劳强度的影响因素疲劳强度的影响因素：1）材料本身的组织结 构状态； 2）表面粗糙度和应力状态。 n提高零件疲劳强度的措施提高零件疲劳强度的措施： 1、改善内部组织； 2、设计上减小应力集中，转接处避免锐角连 接； 3、降低零件表面粗糙度； 4、强化表面，如表面淬火、表面滚压、渗碳 等。

19、n早在上世纪20年代,Griffth就提出了著名的裂纹体的脆 断强度理论。 n第二次世界大战后，广泛使用高强度材料，引起了一 系列的脆断事故。而且断裂应力远低于s，即低应力 脆断。 n为防止低应力脆断，不得不对其强度断裂抗力进行 研究，从而形成断裂力学这门新学科。 n根据断裂力学的分析，裂纹的尖端前沿存在应力集中， 形成裂纹尖端的应力场，其大小可用应力强度因子K1 来描述： 第三节 金属材料的断裂韧度 K K1 1=Ya=Ya 第四节 高温下金属材料的力学性能 n高压蒸气锅炉、内燃机、航空航天发动机等机 器设备中的一些构件是长期在较高温度下运行 的。 n所谓高温是指机件的服役温度超过金属的再结

20、 晶温度。 n如何评价材料的高温力学性能，并运用这些力 学性能评估高温构件的安全性和寿命，是一个 十分复杂和问题。 图为撞击倒塌之后的世贸中心原址一片狼籍 n高温服役：研究应力、应变、温度与时间 的关系。 n温度的高低，是相对金属的熔点而言，故 采用约比温度：Trg=T/Tm(单位为K)。 Trg0.5，高温；Trg0.30.4Tm；陶瓷： T0.40.5Tm；高分子。 n蠕变：材料(金属)在长时间的恒温、恒载 荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。( 注意与应力松驰的区别) n蠕变断裂：由蠕变变形导致的材料的断 裂。 二、蠕变曲线 n蠕变速率 n减速蠕变阶段，开始大，逐渐减速； n恒速蠕变阶段，

21、速度几乎保持不变； n加速蠕变阶段，逐渐增大，最后产生断 裂。 d dt 三、应力和温度对蠕变曲线的 影响 n应力较小，或温度较低时，第二阶段较 长，第三阶段很短；反之，第二阶段很 短，很快断裂。 8.2 蠕变变形与蠕变断裂机理 一、蠕变变形机理 n常温下的变形：滑移、孪生。 n高温下的蠕变：滑移和攀移交替进行。 n蠕变变形机制：两种 n位错滑移蠕变 n扩散蠕变 n这两种蠕变机制之间没有确切的划分界 限。 1、位错滑移蠕变 n外来热激活能，有利于加强位错的运动( 滑移、攀移、交滑移等)，克服短程障碍 。材料发生塑性变形。 n蠕变第一阶段，蠕变变形而产生形变硬 化，蠕变速率。也称为“减速蠕变阶段

22、 ”。 n第二阶段：动态回复(软化)，硬化与软化 达到平衡，蠕变速率为一常数。 蠕变变形机理 2、扩散性蠕变 n约比温度0.5。 n高温和应力的作用下，空位、原子的定 向扩散(不均匀应力场)。材料产生蠕变 。 3、晶界滑动 n高温和应力的作用下，晶粒发生转动(即 晶界滑动)。晶粒减小，晶界滑动对蠕 变的作用越大。 二、蠕变断裂机理 1、裂纹萌生 (1) 三晶粒交会处萌生楔形裂纹(高应力，低 温度) n晶界滑动，三晶粒交会处造成应力集中，形 成空洞，空洞相互连接，便形成楔形裂纹。 (2) 晶界上空洞汇聚(低应力、高温度) n相变形成空洞，第二相质点附近，晶界滑动 产生的空洞；空洞长大，汇聚形成裂

23、纹。 蠕变断裂机理 2、裂纹扩展 3、断裂 n沿界断裂，高温氧化，夹杂物。 n断口宏观特征：断口附近产生塑性变形 ；变形区域有很多裂纹(龟裂)；高温氧化 。 8.3 高温力学性能指标及其影 响因素 一、蠕变极限 n定义：在高温长时间载荷作用下，机件 不致产生过量塑性变形的拉力指标。 n蠕变极限与常温下机件设计选用是相似 的。材料蠕变极限中所指定的温度和时 间，一般由机件的具体服役条件而定。 必须限定应力在一定的温度和时间范围 内不发生过量蠕变。 蠕变极限的表示方法 1、 n在规定温度(t)下，使试样在规定时间内产 生的稳态蠕变速率不超过规定值的最大应 力。 2、 n在规定温度(t)下和规定的时间()内，使试 样产生的蠕变总伸长率()不超过规定值的 最大应力。 t t 二、持久强度极限 n定义：高温下载荷长期作用时材料对断裂 的抵抗能力。 n表示方法：在一定温度下和规定的持续时 间内引起断裂的最大应力值。 n例如 =300MPa，表示材料在700经 1000h后发生的断裂应力，即持久强度为 300MPa。 3 700 1 10 持久强度极限 n通过高温拉伸持久试验测定。 n由于时间长，一般是作lglg曲线，用 外推法计算持久强