模块一金属的力学性能

1、金属材料及热处理金属材料及热处理 冯英宇 化学工业出版社 模块模块一一 金属的力学性能金属的力学性能 v知识点知识点 v1.理解金属的常用力学性能指标的含义及计算方法； v2.理解金属的常用力学性能对材料的应用范围和产品质量及 工艺性能的影响； v3.了解常用物理性能和化学性能对材料的应用范围和产品质 量及工艺性能的影响。 v技能点技能点 v1. 掌握常用力学性能指标硬度测试方法及其应用； v2了解强度、塑性、冲击韧度以疲劳极限等力学性能指标 的测试方法及其应用； v3能根据机件或工具的工作条件，分析对其制造材料力学 性能的要求。 v课题一课题一 强度与塑性强度与塑性 v任务提出任务提出 v在

2、现代桥梁设计制造中，金属悬索桥和斜 拉桥是最为常见的结构形式，它不仅具有 用料省、自重轻的特点，而且，还可以实 现其他桥梁无法达到的大跨度结构。虽然 我们现有的知识和能力，还不足以独立完 成一座桥梁的设计工作，但通过对金属材 料强度、塑性等力学性能的学习，可以使 我们对其中金属工作组件的力学性能要求 有一些初步的了解。 试分析设计人员是如何保证桥梁的承载安全的？ 图1-1 悬索桥结构示意图 v任务分析任务分析 v从图1-1中可以看出，悬索桥的桥体重量主要依靠 “主索” (也称悬索或大缆)和“吊索”(也称吊杆) 吊拉，主索和吊索的承载能力是关键因素，它们在 使用过程中不能产生变形，更不能发生断裂

3、。主索 和吊索的截面尺寸过小不能满足使用要求，截面尺 寸过大又造成材料浪费，必须进行精确设计和计算， 其设计依据就是所选用材料的强度和塑性等力学性 能指标。 v一、载荷、变形与应力一、载荷、变形与应力 1.载荷载荷 金属材料在使用和加工过程中所受到的各种外力统称为 载荷，用符号表示。载荷按其作用的性质不同，可分为静载 荷、冲击载荷及交变载荷三种。 2.变形变形 金属材料受到载荷作用而产生的几何变形和尺寸的变化 称为变形。变形分为弹性变形和塑性变形。 3.变形变形 金属材料在受到外力作用时，其内部作用着与外力相对 抗的力，称为内力。单位面积上的内力称为内应力，内应力 能够准确地反映金属材料内部的

4、受力状态。 二、金属室温静拉伸试验二、金属室温静拉伸试验 1.拉伸试样拉伸试样 拉伸试样的形状和尺寸及取样和制样应符合金属材料室 温拉伸试验方法（GB/T2282002），常用拉伸试样如图1- 2a所示。图中0是圆形截面试样的直径，为试样的有效工作部 分称为原始标距。根据原始标距（）与圆形截面试样直径（0） 之间的关系，试样分长比例试样（0 = 100）和短比例试样（0 = 50）两种。拉伸试验时，一般优先选用短比例试样。 2拉伸曲线拉伸曲线 拉伸试验机一般用液压万能试验机或电子万能试验机。 FL FL 图1-2 拉伸试样和低碳钢 曲线 ) 拉伸试样 b) 低碳钢 曲线 v3应力应力应变曲线应

5、变曲线 力力-伸长曲线只代表试样的力学性质，同伸长曲线只代表试样的力学性质，同 一种材料的力一种材料的力-伸长曲线中，横、纵坐标会因伸长曲线中，横、纵坐标会因 试样尺寸不同而各异。为了使同一种材料不试样尺寸不同而各异。为了使同一种材料不 同尺寸试样的拉伸过程及其特性点便于比较，同尺寸试样的拉伸过程及其特性点便于比较， 以消除试样几何尺寸的影响，将力以消除试样几何尺寸的影响，将力-伸长曲线伸长曲线 的横、纵坐标分别用拉伸试样的原始标距长的横、纵坐标分别用拉伸试样的原始标距长 度度L0和原始横截面积和原始横截面积S0去除，则得到应力去除，则得到应力- 应变曲线。应变曲线。 v三、金属的弹性变形三、

6、金属的弹性变形 v1弹性模量弹性模量 金属材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关 系，即E，其比例系数E称为弹性模量。在应力-应变曲 线上，E就是直线（Op段）的斜率。弹性模量表示金属材料 对弹性变形的抵抗能力， E值越大，则产生相同的弹性变形 量需要的外力越大，弹性变形越困难。 v2弹性极限弹性极限 弹性极限是金属材料在外力作用下，只发生弹性变形而 不发生塑性变形时所能承受的最大应力。在应力-应变曲线 上，弹性极限相当于e点所对应的应力值，用e表示。 v3弹性比功弹性比功 弹性比功是表示金属材料吸收弹性变形功的能弹性比功是表示金属材料吸收弹性变形功的能 力，一般用金属开始塑性变形前单位体

7、积吸收的最力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最 大弹性变形功表示。金属拉伸时的弹性比功可表示大弹性变形功表示。金属拉伸时的弹性比功可表示 为：为： 式中式中e 弹性比功弹性比功 弹性极限弹性极限 弹性模量弹性模量 由上式可知，提高材料的弹性比功有两种途径：由上式可知，提高材料的弹性比功有两种途径： 一是提高弹性极限，二是降低弹性模量。一是提高弹性极限，二是降低弹性模量。 e 2 2 e e E E v四、强度与强度指标四、强度与强度指标 v1强度及其意义强度及其意义 强度是指金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力，是工程 技术上重要的力学性能指标。根据载荷性质不同，材料强度 有静强度、疲劳强

8、度等。材料强度的大小，通常用单位面积 所受的力来表示，其单位为MPa。 2.屈服强度屈服强度 屈服强度用符号S表示，在金属材料室温拉伸试验方 法（GB/T2282002）中，用ReL（下屈服强度）选作为 屈服强度指标。计算公式如下： 0 S s F S v3.抗拉强度抗拉强度 试样在断裂前所能承受的最大应力称为抗拉强度，又试样在断裂前所能承受的最大应力称为抗拉强度，又 称强度极限，用符号称强度极限，用符号b表示，表示，GBT22802002规定抗拉强规定抗拉强 度符号用表示，按下列公式计算：度符号用表示，按下列公式计算： 式中式中 b 抗拉强度（抗拉强度（MPa） 试样承受的最大载荷（试样承受

9、的最大载荷（N）；）； S0 试样原始横截面积（试样原始横截面积（mm2） 屈服强度与抗强度的比值（屈服强度与抗强度的比值（S/b或或ReL）称为材）称为材 料的屈强比。料的屈强比。 0 b b F S b F v五、塑性与塑性指标五、塑性与塑性指标 v1.塑性塑性 塑性是金属材料断裂前产生塑性变形的能力。塑性是金属材料断裂前产生塑性变形的能力。 v2.断后伸长率断后伸长率 断后伸长率是指试样拉断后标距的残余伸长量与原始断后伸长率是指试样拉断后标距的残余伸长量与原始 标距的百分比。用符号标距的百分比。用符号表示，新标准表示，新标准GBT22802002规规 定用符号定用符号A表示，其计算方法如

10、下：表示，其计算方法如下： = v式中式中 断后伸长率（断后伸长率（%）；）； vL1 试样拉断后的标距长度（试样拉断后的标距长度（mm）；）； vL0 试样的原始标距长度（试样的原始标距长度（mm）。）。 10 0 100 LL L v3.断面收缩率断面收缩率 断面收缩率是指试样拉断处横截面积的最大缩减量与断面收缩率是指试样拉断处横截面积的最大缩减量与 原始横截面积的百分比，用符号原始横截面积的百分比，用符号表示，表示，GBT22802002 规定用符号规定用符号Z表示。其计算方法如下：表示。其计算方法如下： v = v式中式中 断面收缩率（断面收缩率（%）；）； v S0 试样的原始横截面

11、面积（试样的原始横截面面积（mm2）；）； v S1 试样拉断处的最小截面面积（试样拉断处的最小截面面积（mm2）。）。 任何零件都要求材料具有一定的塑性。很显然，断后任何零件都要求材料具有一定的塑性。很显然，断后 伸长率（伸长率（）与断面收缩率（）与断面收缩率（）越大，发生的塑性变形量）越大，发生的塑性变形量 越大，也就是材料的塑性越好。越大，也就是材料的塑性越好。 01 0 SS 100 S v任务实施任务实施 v 悬索桥承载安全分析悬索桥承载安全分析 v 1桥梁承载安全分析 v 根据以上知识，为了保证悬索和吊索在使用过程中不产 生塑性变形，设计人员要以屈服点或屈服强度为设计依据， 根据各

12、悬索、吊索的受力大小和所选用材料的屈服点或屈 服强度，确定其尺寸。 v 由于各种桥梁用金属材料都具有良好的塑性，在受力过 大时，首先产生塑性变形，其变形抗力(即强度)会因加工硬 化而自然提高，不至于发生突然断裂，保证桥梁安全可靠。 v 2在实际设计中，为了确保桥梁使用安全，还应适当 增大金属材料的截面尺寸，具体办法将在相关学科中详细介 绍。 v综合训练综合训练 v 1解释下列名词： v（1）拉伸试验 （2）刚度 （3）弹性极限 （4）屈服现象 （5）强度 （6）屈服强度 （7）抗拉强度 （8）塑性 （9） 断后伸长率 （10）断面收缩率 v2说明下列力学性能指标的意义： v（1）E （2）e（

13、RP）（3）S（REl）（4）b （5） (6) (7)S/b(ReL) v3什么是金属的力学性能?金属的力学性能有哪些? v4简述低碳钢拉伸试验的基本过程。 v5弹性极限、屈服强度、抗拉强度在工程上各有什么实际 意义？ v6什么是塑性?衡量塑性的指标有哪些?分别用什么符号表 示?在工程上有什么实际意义？ 课题二硬度课题二硬度 v任务提出任务提出 在机械制造中，各种机械金属零件和工、模具等都要求 有一定的硬度，根据工作条件对力学性能要求的不同，需要 的硬度要求也不同。如轴承座、汽车半轴、传动齿轮、钻头、 滚动轴承和表面硬化齿轮等，需要进行硬度测试，我们应该 用什么样的方法进行测试？ 任务分析任

14、务分析 硬度是衡量金属材料软硬程度的指标，是指金属材料在 静载荷作用下抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕、划痕 的能力，硬度较高的金属材料具有较强的抗磨损能力。它在 一定成度上反应了材料的综合力学性能指标。硬度值的大小 不仅取决材料本身的性能，而且还取决于测量方法和条件。 用不同的方法测定的硬度值具有不同的意义。 与拉伸试验相比，硬度试验简单，操作迅速方 便，又可直接在零件上或工具上进行试验而不破坏 工件。在产品设计图样的技术条件中，硬度是一项 主要技术指标。硬度的测量方法较多，主要有压入 法、弹跳法和刻痕法三大类。在机械制造过程中， 常用的测量硬度方法是压入法，它是用一定几何形 状的压头，在

15、一定载荷下，压入被测金属表面，根 据被压入程度来测定其硬度值。 生产中应用最常用的有布氏硬度、洛氏硬度和 维氏硬度等三种试验方法。 一、布氏硬度试验一、布氏硬度试验 1.布氏硬度原理布氏硬度原理 布氏硬度试验是在一定的载荷作用下，将一定直径的淬火钢球或硬布氏硬度试验是在一定的载荷作用下，将一定直径的淬火钢球或硬 质合金球压头压入到被测金属表面，保持规定时间后卸除载荷，测量被质合金球压头压入到被测金属表面，保持规定时间后卸除载荷，测量被 测材料表面留下压痕的平均直径，根据计算出压痕面积测材料表面留下压痕的平均直径，根据计算出压痕面积S，最后求出压，最后求出压 痕单位面积上承受的平均压力，以此作为

16、被测金属材料的布氏硬度值，痕单位面积上承受的平均压力，以此作为被测金属材料的布氏硬度值， 如图如图1-3所示。所示。 图 1-3 布氏硬度试验原理示意图 v布氏硬度值的计算公式为： v式中HBS（HBW） 淬火钢球（硬质合金球）试验时的布 氏硬度值； vF 载荷大小（N）； vD 球体直径（mm）； vd 压痕平均直径（mm）； v S 压痕的面积（2）； v布氏硬度值的单位为kgf/2或N/2，习惯上布氏硬度是不 标单位的。 22 2 ()0.102 () FF HBS W S D DDd v2布氏硬度规范布氏硬度规范 目前金属布氏硬度试验方法执行金属布氏硬 度试验 第一部分：试验方法（GB

17、/T2311 2002），用符号HBW表示。 布氏硬度的表示方法为：硬度值硬度符号 试验条件。 在进行布氏硬度试验时，试验力与压头直径平 方的比值（0.102/2）应为30、15、10、5、2.5、1 中的一个。根据金属材料的种类、试样厚度及试样 的硬度范围。按照表1-1的规范选择合适的试验条件， 在试样尺寸允许时，应优先选用直径为10的球压 头。 v3布氏硬度试验过程布氏硬度试验过程 v（1）试样 制备试样过程中不得使试样因冷、热加 工影响试样面原来的硬度，试样面应为光滑的平面， 不应有氧化皮和污物。试样厚度至少应为压痕深度 8倍，试验后，试样背面如出现可见变形，则表明 试样太薄。 v（2）

18、试验设备 试验设备，即布氏硬度计必须满足 金属布氏硬度试验 第2部分：硬度计 （GB/T23122002）的要求，能施加预定试验 力或9.807N29.42kN 范围内的试验力。常用 HB3000B型数显布氏硬度计。 v （3）试验过程 布氏硬度试验一般在1035 的室温进行。 v 将被测试样放置在样品台中央，顺时针 平稳旋转手轮，使样品台慢慢上升，试样与 压头紧密接触，直至手轮与螺母产生相对滑 动，停止转动手轮。此时按下“开始”键， 试验开始自动进行，以此自动完成以下过程： 试验力加载，试验力完全加上后开始按设定 的保持时间保持该试验力，时间到后即开始 卸载，完成卸载后恢复初始状态。 v 逆

19、时针旋转手轮，样品台下降，取下试 样，用读数显微镜测量表面的压痕直径，并 取下试样，从专门的硬度表中查出相应的硬 度值。 二、洛氏硬度试验二、洛氏硬度试验 v1.洛氏硬度原理洛氏硬度原理 v 洛氏硬度试验是采用顶角为1200的金刚石圆锥体或一 定直径的钢球为压头，以规定的试验力将其压入试样表面。 图1-4 洛氏硬度试验原理示意图 v 洛氏硬度值是以残余压痕深度大小确定，压痕深度越大， 硬度越低；反之则硬度越高。为了照顾习惯上数值越大，硬 度越高的概念，一般用一个常数减去压入深度作为硬度值， 并以0.002mm的压痕深度为一个硬度单位。由此获得的硬度 值称为洛氏硬度值，用符号HR表示。计数公式如

20、下： v式中 HR 洛氏硬度值； v k 常数，用金刚石圆锥体作压头时 = 100；用钢球作 压头时 = 130； v h 残余压痕深度（mm）。 v布氏硬度试验时，一般均由硬度计的指示器上直接读出。 0.002 h HRk v2.洛氏硬度规范洛氏硬度规范 v 目前，金属洛氏硬度试验方法执行金属洛氏硬度试验 第1部分：试验方法（GB/T23112004）。为了能用 同一硬度计测量从软到硬或薄厚试样的材料硬度，需要采用 有不同的压头和载荷组成的A、B、C、D、E、F、G、H、K 等9种洛氏硬度标尺，此外还有6种表面洛氏硬度，共15种。 最常用的是A、B、C三种标尺，分别记作HRA、HRB、 HR

21、C，其中洛氏硬度C标尺应用最广。 洛氏硬度不标单位，是一个无量纲的力学性能指标，表 示方法是将硬度值写在硬度符号前面。例如，50HRC表示用 C标尺测定的洛氏硬度值为50。洛氏硬度各标尺之间没有对 应关系，洛氏硬度试验条件及应用范围见表1-2。 洛氏硬度试验方法是目前应用最广泛的硬度测试方法， 它的优点是测量迅速简便，压痕较小，可用于测量产品件； 同样由于压痕较小，测得的硬度不够准确，数据重复性差。 因此，在测试金属的洛氏硬度时，需要选取不同部位测定三 次，取其平均值为该材料的硬度值。 v3洛氏硬度试验过程洛氏硬度试验过程 v（1）试样 试样表面应尽可能是平面，不应有氧化 皮及其他污物，一般表

22、面粗糙度Ra0.8m。 v（2）试验设备 试验设备，即洛氏硬度计是应用最 广的一种硬度计。洛氏硬度计必须满足金属洛氏 硬度试验 第2部分：硬度计（GB/T2302 2004）的要求，常用的是HR150型洛氏硬度计。 v（3）试验过程 洛氏硬度试验一般也是在10 35的室温进行。以HR150型洛氏硬度计为例简 单叙述其过程。 三、维氏硬度试验三、维氏硬度试验 v1.维氏硬度原理维氏硬度原理 v 维氏硬度试验原理与布氏硬度 试验原理相似，也是根据压痕单位 表面积上的试验力大小来计算硬度 值，不同的是维氏硬度采用相对面 夹角为136的正四棱锥体金刚石作 压头，试验原理如图15所示。 图15 维氏硬度

23、的试验原理示意图 v计算公式如下： v式中HV 维氏硬度，不标单位； v F 试验力（N）； v S 压痕面积（2）； v d 压痕两对角线长度平均值（mm）。 v 在实际测试时，维氏硬度值不用计算，而是用测微计测出 压痕对角线的长度，计算出平均值后，再根据的大小查 GB/T4340.11999附表，即可求出所测硬度值。 2 0.1891 FF HV Sd v2维氏硬度规范维氏硬度规范 维氏硬度试验所用的试验力根据试件的大小、薄厚及其他 条件选择，常用试验力在49.03980.7N范围内。 维氏硬度的表示方法与布氏硬度相同，在符号HV的前面 写硬度值，试验条件写在符号的后面，若试验力保持时间为

24、 1015s时，可以不标出。如640HV30/20表示在30 kgf （294.2N）试验力作用下，保持20s测得的维氏硬度值为 640。 维氏硬度的优点是试验载荷小，压痕较浅，适用范围宽，测试 范围在53000HV，可以测定从极软到极硬的各种金属材料， 尤其适于测量零件表面淬火层及化学热处理的表面层等。同 时维氏硬度只用一种标尺，材料的硬度可以直接通过维氏硬 度值比较大小，不存在布氏硬度试验力与球体直径D之间关 系的约束，也不存在洛氏硬度那样不同标尺的硬度无法统一 的问题。维氏硬度的缺点是对试样表面要求高，压痕对角线 长度测量比较麻烦，不适于大批测试。 v3维氏硬度试验过程维氏硬度试验过程

25、v（1）试样 维氏硬度试验，特别是小载荷维氏硬度试验，由 于试验力较小，所以压痕尺寸很小。为保证清晰地测量出压 痕对角线长度，因而对试样表面质量要求较高。试样面应平 坦光滑，无氧化皮及污物。试样或试验层的最小厚度应满足 试验要求，试验后，试样背面不应出现可见的变形痕迹，从 而保证试验结果的准确可靠。表面粗糙度Ra0.4m；小载 荷维氏硬度试样粗糙度Ra0.2m。 v（2）试验设备 试验设备，即维氏硬度计是测量维氏硬度的 精密计量仪器，维氏硬度计配有测微目镜，用于加载后测读 压痕对角线长度，使用方便，测量精度高。 v（3）试验过程 维氏硬度试验与布氏硬度试验基本相同。先 对试样进行加载，载荷保持

26、规定时间后卸除载荷。用测微目 镜测量压痕对角线长度，查表或直接输入硬度计得到试样的 维氏硬度值。 v任务实施任务实施 v 典型零件硬度测试方法与硬度大小比较典型零件硬度测试方法与硬度大小比较 v一、测量硬度值一、测量硬度值 v1测量轴承座的硬度值 v 轴承座通常用灰铸铁制造，一般直接在铸态下使用，本 身硬度不高，且组织不均匀，应采用布氏硬度测量其硬度值。 一般情况下，该材料的硬度值在200HBS左右。 v2测量传动齿轮和汽车半轴的硬度值 v 传动齿轮和汽车半轴常采用中碳钢制造，组织均匀致密， 经最终热处理后硬度相对较高，应采用洛氏硬度HRC测量其 硬度值。成品零件的硬度值一般在50HRC左右。

27、 v3测量滚动轴承的硬度值 v 滚动轴承(内外套圈)用含碳量较高的专用钢制造，组织 致密，硬度较高，其硬度值同样采用洛氏硬度HRC测量。成 品硬度应在60HRC以上。 v4.测量钻头的硬度值 v 钻头一般用含碳量较高的专用钢制造，组织致密，硬度 很高，应采用洛氏硬度HRC测量其硬度值。成品硬度应在 65HRC左右。 v5.测量表面硬化齿轮的硬度分布 v有的齿轮常用低碳钢制造，采用表面硬化的热处理方法，使 齿轮表面一层得到较高的硬度，而心部仍保持较低的硬度， 以满足其使用性能的要求。可用维氏硬度测量其表面硬化层 的硬度值，具体硬度值取决于表面硬化方法。 v 二、比较硬度大小二、比较硬度大小 v

28、几种工件的硬度测量方法并不是完全相同的，应换算成 同一种硬度和标尺。以上实例中，可将轴承座的布氏硬度 HB换算成洛氏硬度HRC，按经验法： v同一种材料的三种硬度HB、HRC、HV值，在数字上大致呈 现下列关系：HRC110HB，HBHV。在进行材料间硬度 比较时，若硬度相差较大，可直接近似换算比较。如以上实 例就能满足这一条件，即轴承座的硬度值大致为20HRC。比 较结果为：轴承座硬度齿轮硬度滚动轴承硬度钻头硬度。 v综合训练综合训练 v1解释下列名词： v（1）布氏硬度 （2）洛氏硬度 （3）维氏硬度 v2试说明布氏硬度、洛氏硬度与维氏硬度的试验 原理，并比较布氏硬度、洛氏硬度与维氏硬度试

29、 验方法的优缺点。 v3现有如下零件和材料等需测定硬度，试说明选 用何种硬度试验方法为宜。 v（1）高速钢刀具 （2）淬火钢 （3）灰铸铁 （4）仪表小黄铜齿轮 （5）硬质合金 （6）退火 态低碳钢 课题三课题三 冲击韧性与疲劳极限冲击韧性与疲劳极限 v任务提出任务提出 v 以下是我们所认知的两个实例： v 1普通铸铁结构件，在静载荷作用下并不容易破坏，而一旦受到 碰撞或冲击，很容易产生裂纹甚至断裂，而钢就不易产生裂纹和断裂。 v 2一条普通钢丝，在一点附近的两侧用手捏紧，经少量次弯曲是 不会断裂的，但经反复多次弯绕，最后是可以折断的。 v这些现象说明了什么问题?金属材料在不同性质载荷作用下有

30、哪些不同的 性能表现?在机械设计、加工和使用过程中如何正确运用？ v任务分析任务分析 v 以上两个实例反映了同一个问题，即金属材料在不同性质载荷作用 下的抵抗能力是不同的，也就是说表现出不同的力学性能。金属材料在 使用和加工过程中所承受的载荷往往是比较复杂的，不仅有静载荷，也 有冲击载荷或交变载荷，也可能同时受到多种载荷的作用。因此，必须 研究金属材料在不同性质载荷作用下的力学性能和评价方法。拉伸试验 和硬度试验都属于静载荷试验，以下研究冲击载荷试验和疲劳载荷试验 及其相应的性能指标。 一、冲击韧性一、冲击韧性 v1冲击载荷和冲击韧性冲击载荷和冲击韧性 v 在很短时间内作用金属材料上的载荷称为

31、冲击载荷。冲 床的冲头、锤锻杆、风动工具、锤子等，它们是利用冲击载 荷工作的；而在其他很多情况下，则要尽量避免受到冲击载 荷的作用，如在刀具的切削过程中以及汽车行驶通过凹坑等。 v 冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载时间短，加载速 率高，应力集中，使金属材料的变脆倾向增大，因此冲击载 荷对材料的破坏效应大于静载荷。 v 金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，或者说在 断裂前变形吸收能量的能力叫冲击韧性，它是金属材料力学 性能的重要指标。常用冲击韧度来衡量金属材料冲击韧性的 好坏，但习惯上，韧性和韧度不加严格区分。 v2冲击试验冲击试验 v 工程上常用一次摆锤冲击试验来测定材料抵抗冲击载荷的能

32、力，即 测定试样在冲击载荷作用下被折断而消耗的冲击吸收能量（新标准用 K），单位为J（焦耳）。一次摆锤冲击试验按国家标准金属材料夏比 摆锤冲击试验方法（GB/T2292007）进行。 v （1）冲击试样 标准中冲击试样有夏比U型缺口和夏比V型缺口两种 试样类型。选择试样类型的原则应根据使用材料的产品技术条件、材料 的服役状态和力学特性，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。铸铁或工具钢等脆性材料常采用无缺口冲击试样。 v （2）冲击试验机 冲击试验机有手动和半自动两种。通过更换摆锤， 冲击试验机的标准打击能量300J和150J，打击瞬间摆锤的冲击速度应为 5.05.5m/s。

33、根据需要，也可使用其他冲击能量试验机。 v（3）一次摆锤冲击试验 一次摆锤冲击试验原理如图1-6所示，试验时， 将标准试样置于试验机支座上（缺口背向摆锤冲击方向），然后把质量 为的摆锤抬升到一定高度1，然后释放摆锤、冲断试样，摆锤冲断试样后 由于惯性继续运动到H2。冲击过程中如果忽略各种能力损失（空气阻力 及摩擦等），摆锤的位能损失mgH1-mgH2=mg(H1H2)就是冲断试样 所需要的能量，即是试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击能量，即 v mg(H1H2) k A 图1-6 一次摆锤冲击试验原理 v （4）小能量多次冲击试验 在工程实际中，承受 到冲击载荷的机件, 除了弹壳、装甲板、石油

34、射孔 枪等外，很少因为一次大能量冲击而遭破坏,绝大多 数是在小能量多次冲击作用下而破坏的,如凿岩机风 镐上的活塞、冲模的冲头等。在小能量多次冲击条 件下，材料的破坏是由于多次冲击损失的积累，导 致裂纹的产生与扩展的结果不同于一次冲击的破坏 过程。小能量多次冲击的脆断主要取决于材料的强 度，塑性、韧性处于次要地位。虽然高强度球墨铸 铁冲击时吸收能量很低，但却用于制造发动机中的 重要零件曲轴，原因是发动机曲轴工作时承受的是 小能量多次冲击，球墨铸铁的高强度保证了材料的 抗破坏能力。因此，对于金属材料进行小能量多次 冲击试验和研究具有很重要的实用意义。 二、疲劳极限二、疲劳极限 v1金属疲劳现象金属

35、疲劳现象 v （1）交变载荷和循环应力 工程中许多零件和构件都是在交变载荷 下工作的，如曲轴、连杆、齿轮及弹簧等。交变载荷是指大小，甚至方 向随时间变化的载荷，其在单位面积上的平均值为变动应力。交变应力 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。 v 生产中工件正常工作时其变动应力多为循环应力，循环应力中大小 和方向都随时间发生周期性变化的应力称为交变应力，只有大小变化而 方向不变的循环应力称为重复循环应力。 v （2）金属疲劳概念 金属材料在受到交变应力或重复循环应力时往 往在工作应力小于屈服强度的情况下突然断裂，这种现象称为疲劳断裂。 疲劳断裂是金属零件或构件在交变应力或

36、重复循环应力长期作用下由于 累积损伤而引起的断裂现象。据统计在失效机械零件或构件中，大约有 80%以上属于疲劳破坏。 v疲劳断裂与静载荷和冲击载荷断裂相比，具有以下特点： v 1)疲劳是一种低应力断裂。其断裂应力常低于材料的抗 拉强度，甚至屈服强度。断裂寿命随应力不同而变化，应力 高则寿命短，应力低则寿命长。当应力低于某一临界值时， 寿命可达无限长。 v 2)疲劳是脆性断裂。由于疲劳的应力比屈服强度低，所 以不论是韧性材料还是脆性材料，在疲劳断裂前，均没有明 显的塑性变形，它是在长期累积损伤过程中，经裂纹萌生和 缓慢扩展到临界尺寸时突然发生的。由于断裂前没有明显的 预兆，使疲劳断裂危险性极大。 v 3)宏观断口一般可明显地分为三个区域，即疲劳源，疲 劳裂纹扩展区和瞬间断裂区。疲劳源多在机件的表面处。 v2疲劳曲线和疲劳极限疲劳曲线和疲劳极限 v金属承受的循环应力和断裂时应力循环周次之间的关系通常 用疲劳曲线来描述，疲劳曲线是疲劳应力与疲劳寿命的关系 曲线，如图1-7所示。它是确定疲劳极限，确定疲劳应力判 据的基础。 图1- 7 疲劳曲线 v 曲线表面，金属材料所受循环应力的最大值max越大， 则疲劳断裂前所经历的应力循环周次越低，反之，金属材料 所受循环应力的最大值max越小，则疲劳断裂前所经历的 应力循环周次越大。当应力低于某值时，材料经受无限次