金属力学性能

1、 金属材料的性能金属材料的性能 金属材料的性能包含金属材料的性能包含使用性能使用性能和和工艺性能工艺性能。 使用性能使用性能是金属材料在使用条件下所表现出来是金属材料在使用条件下所表现出来 的性能。的性能。 使用性能使用性能包括包括物理性能物理性能、化学性能化学性能 、力学性能。、力学性能。 工艺性能工艺性能是金属在制造加工过程中反映出来的是金属在制造加工过程中反映出来的 各种性能。各种性能。 1.1 金属的力学性能金属的力学性能 定义定义 : 所谓力学性能是指金属在力或能的所谓力学性能是指金属在力或能的 作用下，材料所表现出来的性能。作用下，材料所表现出来的性能。 指标指标 : 弹性弹性 、

2、刚度、强度、塑性、刚度、强度、塑性 、 硬度、硬度、 冲击韧性冲击韧性 、断裂韧度和疲劳强度等。、断裂韧度和疲劳强度等。 载载 荷荷 定义定义 载荷是指金属材料在加工及使用过程中所受载荷是指金属材料在加工及使用过程中所受 的外力。的外力。 种类种类 1、静、静 载载 荷：大小不变或变化过程缓慢的载荷。荷：大小不变或变化过程缓慢的载荷。 2、冲击载荷：在短时间内以较高速度作用于、冲击载荷：在短时间内以较高速度作用于 零件上的载荷。零件上的载荷。 3、交变载荷：指大小、方向或大小和方向随、交变载荷：指大小、方向或大小和方向随 时间作周期性变化的载荷。时间作周期性变化的载荷。 应应 力力 定义定义

3、: 单位面积上的内力。单位面积上的内力。 金属受拉伸载荷或压缩载荷作用时，其横截面金属受拉伸载荷或压缩载荷作用时，其横截面 积上的应力按下式计算：积上的应力按下式计算： = F/S 式中式中 应力（应力（MPa）；）； F外力（外力（N）；）； S 横截面积（横截面积（mm2）。）。 F S 拉伸图拉伸图 拉伸试样拉伸试样 按照国家标准（按照国家标准（GB/T 2282002）常用的拉）常用的拉 伸试样图：伸试样图： 长试样：长试样：L0=10d0、短试样：、短试样：L0=5d0 力伸长曲线力伸长曲线 拉伸过程拉伸过程 应变应变 拉力拉力 拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象 拉伸试验拉伸试验

4、 机机 初始瞬时效应 力伸长曲线 opop 弹性变形阶段弹性变形阶段 p p点后的水平或锯齿状线段点后的水平或锯齿状线段屈服阶段屈服阶段 (3) (3) 屈服后至屈服后至m m点点强化阶段强化阶段 (4) (4) mkmk缩颈阶段（局部塑性变形阶段缩颈阶段（局部塑性变形阶段) ) 变形阶段变形阶段 退火低碳钢退火低碳钢 低、中回火钢低、中回火钢 淬火钢及铸铁淬火钢及铸铁 中碳调质钢中碳调质钢 不同材料的拉伸曲线不同材料的拉伸曲线 定义：定义： 金属材料在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能金属材料在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能 力。力。 强度指标强度指标 1、屈服强度、屈服强度 材料的屈服

5、强度或规定残余伸长强度是机械零件设材料的屈服强度或规定残余伸长强度是机械零件设 计的主要依据，也是评定金属材料性能的重要指标。计的主要依据，也是评定金属材料性能的重要指标。 0 eH eH F R S 强强 度度 试样在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度，试样在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度， 抗拉强度是机械零件设计和选材的重要依据。抗拉强度是机械零件设计和选材的重要依据。 2、 抗拉强度抗拉强度 塑塑 性性 指材料断裂前发生永久变形的能力。指材料断裂前发生永久变形的能力。 （1）断后伸长率断后伸长率 试样拉断后，标距的伸长试样拉断后，标距的伸长 与原始标距的百分比。与原始标距的百分比

6、。 100% uo o LL A L （2）断面收缩率）断面收缩率 试样拉断后，缩颈处横截试样拉断后，缩颈处横截 面积的缩减量与原始横截面面积的缩减量与原始横截面 积的百分比。积的百分比。 塑性指标不直接用于计算，但任何零件都需要一定塑性指标不直接用于计算，但任何零件都需要一定 塑性。防止过载断裂；塑性变形可以缓解应力集中、塑性。防止过载断裂；塑性变形可以缓解应力集中、 削减应力峰值。削减应力峰值。 A11.1 10% 属塑性材料属塑性材料 硬硬 度度 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 硬度硬度 是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力是指材料抵抗其他硬物体压入其

7、表面的能力 常用测量硬度的方法常用测量硬度的方法 (1)布氏硬度布氏硬度 HB 布氏硬度计布氏硬度计 (1)布氏硬度布氏硬度 HB 适用范围适用范围: v 450HBS; v 650HBW; (1)布氏硬度布氏硬度 HB 表示方法：符号表示方法：符号HBS或或HBW之前的数之前的数 字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分 别表示别表示球体直径球体直径、载荷载荷及及载荷保持时间载荷保持时间。 如如: :120HBS10/1000/30表示直径为表示直径为10mm的的 钢球在钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保载荷作用下保 持持30s测得的布氏硬度值

8、为测得的布氏硬度值为120。 (2)洛氏硬度洛氏硬度 HR 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 (3)维氏硬度维氏硬度 HV 适用范围适用范围: 测量薄板类测量薄板类 ; HVHBS ; 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能 力。力。 冲击韧性冲击韧性 冲击韧性值冲击韧性值K就是试样缺口处单位截面积就是试样缺口处单位截面积 上所消耗的冲击功。上所消耗的冲击功。 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 疲劳强度疲劳强度 表示材料经无数次交变载荷作用表示材料经无数次交变载荷作用 而不致

9、引起断裂的最大应力值。而不致引起断裂的最大应力值。 钢材的循环次数一般取钢材的循环次数一般取 N = 107 有色金属的循环次数一般取有色金属的循环次数一般取 N = 108 钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系: -1 = (0.45 (0.450.55)0.55) b 1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂 1.2 金属的工艺性能 金属工艺性能金属工艺性能是指金属材料在加工过程中是否易于加是指金属材料在加工过程中是否易于加 工成形的能力。工成形的能力。 1、铸造性能：、铸造性能：金属及合金在铸造工艺中获得优良铸件金属及合金在铸造工艺中获得优良铸件

10、 的能力称为铸造性能。主要指标有流动性、收缩性和的能力称为铸造性能。主要指标有流动性、收缩性和 偏析倾向等。偏析倾向等。 2、锻造性能：、锻造性能：用锻压成形方法获得优良锻件的难易程用锻压成形方法获得优良锻件的难易程 度称为锻造性能。度称为锻造性能。 3、 焊接性能：焊接性能：焊接性能是指金属材料对焊接加工的适焊接性能是指金属材料对焊接加工的适 应性。应性。 4、切削加工性能：、切削加工性能：金属材料的切削加工性能是指金属金属材料的切削加工性能是指金属 材料在切削加工时的难易程度。材料在切削加工时的难易程度。 应用举例 图示为连杆螺栓，在工作时需保证有足够 的力学性能（如：不产生过量的塑性变形 或断裂）和使用寿命。那么如何判断该零 件是否达到技术要求呢？ 解决方案 为保证连杆螺栓具有足够的使用性能，采用合金为保证连杆螺栓具有足够的使用性能，采用合金 钢材料，其力学性能需达到下列技术要求：钢材料，其力学性能需达到下列技术要求： 抗拉强度抗拉强度Rm931MPa，屈服强度，屈服强度ReL784 MPa， 伸长率伸长率A12%，断面收缩率，断面收缩率Z50%，冲击韧性冲击韧性K