机械工程材料课件金属材料的力学性能解析

1、2021/3/271 机械工程材料机械工程材料 2021年年8月月9日星期一日星期一 2021/3/272 材料的材料的性能性能 材料的材料的性能性能 工艺性能工艺性能 使用性能使用性能 v使用性能使用性能:材料在使用过程中所表现的性能材料在使用过程中所表现的性能。 包括包括力学性能、物理性能和化学性能。力学性能、物理性能和化学性能。 v工艺性能工艺性能:材料在加工过程中所表现的性能材料在加工过程中所表现的性能。 包括包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性铸造、锻压、焊接、热处理和切削性 能能等。等。 2021/3/273 一 工艺性能 1 概念:一种材料是否容易加工是否容易加工,也即为 在冷热

2、加工中表现的性能,就称为（加 工）工艺性能。 材料的材料的性能性能 2021/3/274 2 2 主要工艺性能主要工艺性能: : a a、铸造性能铸造性能: : b b、压力加工性能压力加工性能： c c、焊接性能焊接性能 ： d d、切削加工性能切削加工性能： e e、热处理性能热处理性能： 材料能否用铸造方法铸造方法制成优良铸件的性能。 是否容易采用压力加工成型的性能是否容易采用压力加工成型的性能,锻造、 挤压、冲 压等。 是否易于采用一般焊接方法焊成优良接头一般焊接方法焊成优良接头的性 能,如平焊。 是否易于进行某种切削加工某种切削加工的性能,如车、 铣、铇、 磨、镗等。 是改善金属使用

3、性能和工艺性能改善金属使用性能和工艺性能的一种非 常重要的加工方法。 材料的材料的性能性能 2021/3/275 二二 使用性能使用性能 1 1 概念概念: :材料在使用条件下表现的性能使用条件下表现的性能就称为 使用性能。 2 2 主要使用性能主要使用性能: : a a、物理性能物理性能: :比重、导电性、导热性、热膨 胀性、熔点等 . b b、化学性能化学性能：耐腐蚀性、耐气候性、高温抗 氧化性等; c c、机械性能机械性能：刚度、强度、弹性、塑性、韧 性、疲劳强度、硬度等; 材料的材料的性能性能 2021/3/276 三三 机械性能机械性能: : 1.1.概念概念: :材料抵抗外力的性能

4、抵抗外力的性能称为机械性能又 叫做力学性能力学性能。 2.2.力学性能力学性能与外力性质与外力性质及及作用方式有作用方式有关关： 性质性质：拉力、压力、弯曲、扭转 作用方式作用方式：缓慢作用（静载）、快速作用 （动载）、交变作用 3.3.主要性能指标主要性能指标： 静强度、刚度、疲劳强度、韧性、塑性、硬度、 弹性等。 材料的材料的性能性能 2021/3/277 第一章第一章 金属材料的力学金属材料的力学性能性能 【交流与讨论】【交流与讨论】用来制造硬币的金属材料应具用来制造硬币的金属材料应具 哪些特点哪些特点? ? （资源丰富,无毒轻便,耐磨耐腐蚀，美观易加 工。） 制造硬币的金属材料要求耐磨

5、，也就是它必制造硬币的金属材料要求耐磨，也就是它必 须具有定的硬度和强度。硬度和强度属于金属材须具有定的硬度和强度。硬度和强度属于金属材 料的力学性能，本节课我们来学习讨论力学性能。料的力学性能，本节课我们来学习讨论力学性能。 2021/3/278 第一章第一章 金属材料的力学金属材料的力学性能性能 力学性能力学性能: :金属材料在外力作用时表现来的性能。金属材料在外力作用时表现来的性能。 力学性能包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。力学性能包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。 在机械设备及工具的设计、制造中选用金属材料时在机械设备及工具的设计、制造中选用金属材料时, ,大大 多以力学

6、性能为主要依据多以力学性能为主要依据, ,因此熟悉和掌握金属材料的力学因此熟悉和掌握金属材料的力学 性能是非常重要的。力学性能不仅是本章学习的重点，同性能是非常重要的。力学性能不仅是本章学习的重点，同 时也是整个教材的学习重点，希望同学们要努力学习掌握时也是整个教材的学习重点，希望同学们要努力学习掌握 好这些内容。好这些内容。先来先来学习准备知识。学习准备知识。 2021/3/279 第一章第一章 金属材料的力学金属材料的力学性能性能 （一）载荷（一）载荷（金属材料在加工和使用过程中所受的外力）（金属材料在加工和使用过程中所受的外力） 静载荷静载荷: :指大小不变或变动很慢的载荷。指大小不变或

7、变动很慢的载荷。 如地面所受讲台的压力如地面所受讲台的压力, ,千斤顶工作所受的载荷。千斤顶工作所受的载荷。 冲击载荷冲击载荷: :指突然增加的载荷。指突然增加的载荷。 如铁匠用铁锤锻打工件、高速行驶的汽车相撞的如铁匠用铁锤锻打工件、高速行驶的汽车相撞的 载荷。载荷。 交变载荷：交变载荷：指周期性或非周期性的动载荷。指周期性或非周期性的动载荷。 如电扇主轴、弹簧工作时所受的载荷。如电扇主轴、弹簧工作时所受的载荷。 2021/3/2710 第一章第一章 金属材料的力学金属材料的力学性能性能 （二）变形（二）变形（金属材料受载荷作用发生几何形状和尺寸（金属材料受载荷作用发生几何形状和尺寸 的变化。

8、）的变化。） 弹性变形弹性变形: :载荷去除后载荷去除后, ,可完全恢复的变形。可完全恢复的变形。 塑性变形塑性变形: :载荷去除后载荷去除后, ,不可恢复的永久变形。不可恢复的永久变形。 金属材料的弹性变形可用于控制机构运动、缓冲金属材料的弹性变形可用于控制机构运动、缓冲 与吸振、储存能量等。金属材料塑性变形可用于与吸振、储存能量等。金属材料塑性变形可用于 成型产品的加工成型产品的加工,70%,70%的金属材料是通过塑性变形的金属材料是通过塑性变形 加工成型的。加工成型的。 2021/3/2711 第一章第一章 金属材料的力学金属材料的力学性能性能 【交流与讨论】【交流与讨论】 1 1、弹性

9、变形与塑性变形的根本区别是什么、弹性变形与塑性变形的根本区别是什么? ? ( (有无永久变形。有无永久变形。) ) 2 2、生活、生产哪些地方发生弹性变形或塑性变形？、生活、生产哪些地方发生弹性变形或塑性变形？ 你知道哪些产品产通过塑性变形加工成形的？你知道哪些产品产通过塑性变形加工成形的？ 3 3、加工制造好的机械零件、加工制造好的机械零件, ,在使用时一旦发生在使用时一旦发生 塑性变形有什么危害塑性变形有什么危害? ? （零件变形、失效（零件变形、失效, ,甚至发生断裂。）甚至发生断裂。） 2021/3/2712 第一章第一章 金属材料的力学金属材料的力学性能性能 （三）应力（三）应力 1

10、 1、内力、内力 : : 金属受外力作用后金属受外力作用后,在材料内部作用在材料内部作用 着与外力相对抗的力称为内力。着与外力相对抗的力称为内力。 F内力 内力= F外力外力 2 2、应力、应力: :单位面积上的内力。单位面积上的内力。 R=F/S 式中式中 F外力（外力（N）; S横横截截面积（面积（mm2）; R应力应力, ,常用常用单位为单位为MPa（N/mm2），）， 1MPa=106 Pa。 2021/3/2713 第一章第一章 金属材料的力学金属材料的力学性能性能 结论结论: :当横截面积一定时当横截面积一定时, ,应力越大应力越大, ,表表 示材料承受载荷的能力越大。示材料承受载

11、荷的能力越大。 例例 碳钢碳钢 最大应力最大应力 235235钢（生活中最常用的钢）钢（生活中最常用的钢） 460 MPa460 MPa 4545钢钢 （制电机主轴的钢）（制电机主轴的钢） 600 MPa600 MPa 65Mn65Mn钢（制沙发弹簧的钢）钢（制沙发弹簧的钢） 735 MPa735 MPa 2021/3/2714 第一章第一章 金属材料的力学金属材料的力学性能性能 【思考思考】4545钢的最大应力钢的最大应力600 Mpa,600 Mpa, 是用什么方法测定出来的是用什么方法测定出来的? ? 拉伸试验机拉伸试验机 拉伸前拉伸前 断裂后断裂后 拉伸试样拉伸试样 通常是将通常是将4

12、545钢制成标准试样钢制成标准试样, ,放在拉放在拉 伸机上进行拉伸试验测出来的。伸机上进行拉伸试验测出来的。 0 l k l 0 d F F k d 拉伸前 拉伸后 应变应变:物体形状尺寸所发生的相物体形状尺寸所发生的相 对改变。对改变。 物体内部某处的线段在变形后物体内部某处的线段在变形后 长度的改变值同线段原长之比长度的改变值同线段原长之比 值称为值称为“线应变线应变” 0 l l （伸长量） （应变） 2021/3/2716 第一章第一章 金属材料的力学金属材料的力学性能性能 （四）拉伸曲线（四）拉伸曲线 低碳钢的拉伸曲线低碳钢的拉伸曲线 oeoe弹性形变形阶段弹性形变形阶段 试样的伸

13、试样的伸 长量长量L L和载荷和载荷F F成正比成正比, ,试样只发生试样只发生 弹性形变。弹性形变。 eses屈服阶段屈服阶段 试样发生屈服试样发生屈服 现象现象, ,开始产生明显的塑性变形。开始产生明显的塑性变形。 屈服现象屈服现象: :载荷保持不变或略有载荷保持不变或略有 减小而试样的变形继续增加的现象减小而试样的变形继续增加的现象 。 （ （1）低碳）低碳钢钢的拉伸曲的拉伸曲线线 2021/3/2717 第一章第一章 金属材料的力学金属材料的力学性能性能 （四）拉伸曲线（四）拉伸曲线 低碳钢的拉伸曲线低碳钢的拉伸曲线 sbsb强化阶段强化阶段 试样发生变形强化试样发生变形强化 , ,产

14、生大量的塑性变形。产生大量的塑性变形。 变形强化变形强化: :随着塑性变形的增加随着塑性变形的增加, ,金金 属材料强度、硬度增大，塑性、韧性下属材料强度、硬度增大，塑性、韧性下 降的现象。降的现象。 bZbZ缩颈阶段缩颈阶段 试样出现缩颈，塑试样出现缩颈，塑 性变形所需的载荷逐渐减小。性变形所需的载荷逐渐减小。 b b点点出现出现 缩颈现象，即试样局部截面明显缩小试缩颈现象，即试样局部截面明显缩小试 样承载能力降低，拉伸力达到最大值，样承载能力降低，拉伸力达到最大值， 而后降低，但变形量增大，而后降低，但变形量增大，Z Z点时试样发点时试样发 生断裂。生断裂。 （ （1）低碳）低碳钢钢的拉伸

15、曲的拉伸曲线线 2021/3/2718 第一章第一章 金属材料的力学金属材料的力学性能性能 （四）拉伸曲线（四）拉伸曲线 铸铁铸铁的拉伸曲线的拉伸曲线 屈服现象并不是所有金属屈服现象并不是所有金属 材料都有的材料都有的, ,它只存在于低碳它只存在于低碳 钢等塑性材料中钢等塑性材料中, ,但铸铁等脆但铸铁等脆 性材料既不产生屈服现象，性材料既不产生屈服现象， 也不会缩颈，因为它们在尚也不会缩颈，因为它们在尚 未产生塑性变形时就断了。未产生塑性变形时就断了。 铸铁的拉伸曲线如下。铸铁的拉伸曲线如下。 （ （2） ）铸铁铸铁的拉伸曲的拉伸曲线线 2021/3/2719 第一章第一章 金属材料的力学金

16、属材料的力学性能性能 1.1.强度强度 定义定义: :是指材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。是指材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。 抵抗能力越大抵抗能力越大, ,则强度越高。衡量强度大小的指标主要有则强度越高。衡量强度大小的指标主要有 屈服强度和抗拉强度屈服强度和抗拉强度。 计算公式如下计算公式如下: : R= Fs/ SR= Fs/ SO O Fs Fs试样产生屈服现象时的载荷（试样产生屈服现象时的载荷（N N）; ; S SO O试样原始横截面积（试样原始横截面积（mmmm2 2）; ; RR屈服强度（屈服强度（MPaMPa）。）。 屈服强度屈服强度R:材料发生屈服时的应力

17、值。材料发生屈服时的应力值。 2021/3/2720 第一章第一章 金属材料的力学金属材料的力学性能性能 1.1.强度强度 定义定义: :是指材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。是指材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。 抵抗能力越大抵抗能力越大, ,则强度越高。衡量强度大小的指标主要有则强度越高。衡量强度大小的指标主要有 屈服强度和抗拉强度屈服强度和抗拉强度。 计算公式如下计算公式如下: : Rm = F= Fb b / S / SO O l抗拉强度抗拉强度Rm:材料断裂前所承受的最大应力值。材料断裂前所承受的最大应力值。 F Fb b试样承的最大载荷（试样承的最大载荷（N N）;

18、 ; S S0 0试样原始横截面积（试样原始横截面积（mmmm2 2）; ; Rm 抗拉强度（抗拉强度（MPaMPa）。）。 2021/3/2721 【交流与讨论交流与讨论】 45 45钢制造的机械零件钢制造的机械零件, , Rr=355 MPa,=355 MPa, Rm =600MPa=600MPa。当工作应力。当工作应力R R工作 工作 355MPa355MPa，甚，甚 至至R R工作 工作 600MPa600MPa将发生什么时候危害将发生什么时候危害? ? 金属材料的屈服强度和抗拉强度数值越大金属材料的屈服强度和抗拉强度数值越大, ,材料的强度越材料的强度越 大。机械零件工作时所受的应力

19、当超过材料的屈服强度时大。机械零件工作时所受的应力当超过材料的屈服强度时 , ,零件则发生塑性变形，导致零件精度下降零件则发生塑性变形，导致零件精度下降; ;零件工作时当零件工作时当 所受的应力超过材料的抗拉强度时，零件则产生过量的塑所受的应力超过材料的抗拉强度时，零件则产生过量的塑 性变形而造成失效甚至断裂。因此，金属材料的屈服强度性变形而造成失效甚至断裂。因此，金属材料的屈服强度 和抗拉强度是机械设计和选材的主要依据，也是评定金属和抗拉强度是机械设计和选材的主要依据，也是评定金属 材料优劣的重要指标。材料优劣的重要指标。 2021/3/2722 第一章第一章 金属材料的力学金属材料的力学性

20、能性能 2.2.刚度与弹性刚度与弹性 刚度刚度: :材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力称为刚度。材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力称为刚度。 在在弹弹性性阶阶段段: : 比例系数比例系数E 称为弹性模量称为弹性模量,它反映材料对弹性变形的它反映材料对弹性变形的 抗力抗力,代表材料的代表材料的“刚度刚度”。 lF E E所以: E 材料抵抗弹性变形的能力越大。材料抵抗弹性变形的能力越大。 弹性模量的大小主要取决于材料的本性弹性模量的大小主要取决于材料的本性, ,随温度升高而逐随温度升高而逐 渐降低。渐降低。 RR R 2021/3/2723 第一章第一章 金属材料的力学金属材料的力学性能性能 2

21、.2.塑性塑性 塑性塑性: :金属材料产生永久变形而不破坏的能力称为塑性金属材料产生永久变形而不破坏的能力称为塑性。 衡量塑性好与差的指标主要是伸长率和断面收缩率衡量塑性好与差的指标主要是伸长率和断面收缩率, ,它它 们也是通过金属试样拉伸试验测得的。们也是通过金属试样拉伸试验测得的。 伸长率（伸长率（A A） 试样拉断后试样拉断后, ,标距的伸长量与原始标距的标距的伸长量与原始标距的 百分比称为伸长率。百分比称为伸长率。 式中式中 L L1 1试样拉断后的标距（试样拉断后的标距（mmmm）; ; L L0 0试样的原始标距（试样的原始标距（mmmm）; ; A A伸长率。伸长率。 A 202

22、1/3/2724 第一章第一章 金属材料的力学金属材料的力学性能性能 2.2.塑性塑性 塑性塑性: :金属材料产生永久变形而不破坏的能力称为塑性金属材料产生永久变形而不破坏的能力称为塑性。 衡量塑性好与差的指标主要是伸长率和断面收缩率衡量塑性好与差的指标主要是伸长率和断面收缩率, ,它它 们也是通过金属试样拉伸试验测得的。们也是通过金属试样拉伸试验测得的。 断面收缩率（断面收缩率（Z Z）: :试样拉断后试样拉断后, ,缩颈处横截面积的最大缩缩颈处横截面积的最大缩 减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率。减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率。 式中式中 S SO O试样原始横截面积（试样

23、原始横截面积（mmmm2 2）; ; S S1 1试样拉断处的最小横截面积（试样拉断处的最小横截面积（mmmm2 2）; ; Z Z断面收缩率。断面收缩率。 Z 2021/3/2725 第一章第一章 金属材料的力学金属材料的力学性能性能 2.2.塑性塑性 金属材料的金属材料的A A、Z Z值越大值越大, ,表示材料的塑性越好。表示材料的塑性越好。 塑性好的金属的实用意义塑性好的金属的实用意义: : 塑性好的金属可以发生大量塑性变形而不破坏塑性好的金属可以发生大量塑性变形而不破坏, ,便于便于 通过塑性变形加工通过塑性变形加工, ,制成形状复杂的零件制成形状复杂的零件; ; 塑性好的金属在受力过

24、大时，由于首先产生塑性变塑性好的金属在受力过大时，由于首先产生塑性变 形而不致发生突然断裂，使用比较安全。形而不致发生突然断裂，使用比较安全。 2021/3/2726 第一章第一章 金属材料的力学金属材料的力学性能性能 超塑性金属材料超塑性金属材料 超塑性金属材料是指伸长率大于超塑性金属材料是指伸长率大于300%300%的金属材料。它是的金属材料。它是 19201920年德国材料专家罗森汉在研究锌铝铜合金时发现的。超塑性年德国材料专家罗森汉在研究锌铝铜合金时发现的。超塑性 是在特定条件下的一种奇特现象是在特定条件下的一种奇特现象, ,超塑性金属材料能像软糖一样伸长超塑性金属材料能像软糖一样伸长

25、1010 倍、倍、2020倍甚至上百倍倍甚至上百倍, ,既不出现缩颈，也不会断裂。最常用的铝、镍、既不出现缩颈，也不会断裂。最常用的铝、镍、 铜、铁、钛合金，它们的伸长率在铜、铁、钛合金，它们的伸长率在2006000%2006000%之间。如碳钢和不锈钢在之间。如碳钢和不锈钢在 150800%150800%之间，铝锌合金为之间，铝锌合金为1000%1000%纯铝高达纯铝高达6000%6000%。 超塑性材料加工具有很大的实用价值。难变形的合金因超塑性材料加工具有很大的实用价值。难变形的合金因 超塑性变成了软糖状，从而可以像玻璃和塑料一样，用吹塑和可挤压超塑性变成了软糖状，从而可以像玻璃和塑料一

26、样，用吹塑和可挤压 加工方法制造零件，从而大大节省能源和设备。超塑性材料制造零件加工方法制造零件，从而大大节省能源和设备。超塑性材料制造零件 的另一优点是可以一次成形，省掉了机械加工、铆焊等工序，达到节的另一优点是可以一次成形，省掉了机械加工、铆焊等工序，达到节 约原材料和降低成本的目的。据专家展望，未来超塑性材料将在航天约原材料和降低成本的目的。据专家展望，未来超塑性材料将在航天 、汽车、车厢制造等部门中广泛采用。、汽车、车厢制造等部门中广泛采用。 【拓展视野拓展视野】 2021/3/2727 第一章第一章 金属材料的力学金属材料的力学性能性能 力学性能力学性能屈服强度屈服强度抗拉强度抗拉强

27、度伸长率伸长率断面收缩率断面收缩率 符号符号 【复习上次课内容复习上次课内容】 1 1填写下列力学性能名称或符号填写下列力学性能名称或符号: : 2 2上题中哪些是强度指标上题中哪些是强度指标? ?哪些是塑性指标？哪些是塑性指标？ 【新课导入新课导入】金属材料的软硬是我们经常关注的问题金属材料的软硬是我们经常关注的问题, ,请问常请问常 见的金属材料中哪些是比较软的？哪些是比较硬的？见的金属材料中哪些是比较软的？哪些是比较硬的？ 在工业生产中在工业生产中, ,我们仅仅知道金属材料软和硬是远远不够我们仅仅知道金属材料软和硬是远远不够 的，还必须精确知道其硬度值的大小。本节课我们来深入学习的，还必

28、须精确知道其硬度值的大小。本节课我们来深入学习 第四个力学性能硬度的有关知识。第四个力学性能硬度的有关知识。 RrRmAZ 2021/3/2728 第一章第一章 金属材料的力学金属材料的力学性能性能 4.4.硬度硬度 定义定义: :材料抵抗表面局部弹塑性变形的能力。材料抵抗表面局部弹塑性变形的能力。 硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标。各硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标。各 种不同的机械零件对硬度都有不同的要求种不同的机械零件对硬度都有不同的要求, ,尤其是机械制造业尤其是机械制造业 所用的刀具、量具、模具等所用的刀具、量具、模具等, ,都应具备足够的硬度，才能保证都

29、应具备足够的硬度，才能保证 使用性能和寿命，因此硬度是金属材料重要的力学性能之一使用性能和寿命，因此硬度是金属材料重要的力学性能之一 。 硬度试验设备简单，操作方便，能在零件上进行试验而不硬度试验设备简单，操作方便，能在零件上进行试验而不 破坏。硬度值还可以间接地反映金属材料的强度和金属的化破坏。硬度值还可以间接地反映金属材料的强度和金属的化 学成分、金相组织和热处理工艺上的差异，因而硬度试验在学成分、金相组织和热处理工艺上的差异，因而硬度试验在 机械工程中得到普遍应用。硬度试验方法很多，生产中常用机械工程中得到普遍应用。硬度试验方法很多，生产中常用 的有的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度布氏硬

30、度、洛氏硬度和维氏硬度等试验方法。等试验方法。 2021/3/2729 第一章第一章 金属材料的力学金属材料的力学性能性能 4.4.硬度硬度 定义定义: :材料抵抗表面局部弹塑性变形的能力。材料抵抗表面局部弹塑性变形的能力。 布氏硬度计 1)1)布氏硬度布氏硬度HBHB )( 2 102. 0 22 dDDD F HB 2021/3/2730 v压头为钢球时压头为钢球时,布氏硬度用符号布氏硬度用符号HBS表示表示,适用于布氏硬度值适用于布氏硬度值 在在450以下的材料。以下的材料。 v压头为硬质合金球时压头为硬质合金球时，用符号用符号HBW表示，适用于布氏硬度在表示，适用于布氏硬度在 650以

31、下的材料。以下的材料。 l120HBS10/1000/30 表表示直径为示直径为10mm的钢球在的钢球在1000kgf 载荷作用下保持载荷作用下保持30s测得的布氏硬度测得的布氏硬度 值为值为120。 布氏硬度压痕布氏硬度压痕 表示方法表示方法:硬度值硬度值+HBS(HBW)+D+F+t 2021/3/2731 v布氏硬度的优点布氏硬度的优点:测量误差小测量误差小,数据稳定。数据稳定。 v缺点缺点:压痕大压痕大,不能用于太薄件、成品件及比压头还不能用于太薄件、成品件及比压头还 硬的材料。硬的材料。 v应用：应用：适于测量退火、正火、调质钢适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有铸铁及有 色金属的硬

32、度。色金属的硬度。 2021/3/2732 第一章第一章 金属材料的力学金属材料的力学性能性能 2)洛氏硬度洛氏硬度 洛氏硬度用洛氏硬度用符号符号HRHR表示表示,HR=k-(h1-h0)/0.002,HR=k-(h1-h0)/0.002 根据压头类型根据压头类型 和主载荷不同和主载荷不同, , 分为分为1111个标尺个标尺, , 常用的标尺为常用的标尺为 A A、B B、C C。 h1-h0 洛氏硬度测试示意图 洛氏硬度计洛氏硬度计 2021/3/2733 v符号符号HR前面的数字为硬度值前面的数字为硬度值,后后 面为使用的标尺。面为使用的标尺。 lHRA用于用于测测量高硬度材料量高硬度材料

33、,如硬如硬 质质合金、表淬合金、表淬层层和渗碳和渗碳层层。 。 lHRB用于用于测测量低硬度材料量低硬度材料,如有如有 色金属和退火、正火色金属和退火、正火钢钢等。等。 lHRC用于用于测测量中等硬度材料量中等硬度材料,如如 调质钢调质钢、淬火、淬火钢钢等。等。 l洛氏硬度的洛氏硬度的优优点点:操作操作简简便便,压压痕痕 小，适用范小，适用范围围广。广。 l缺点缺点:测测量量结结果分散度大。果分散度大。 钢球压头与 金刚石压头 洛氏硬度压痕 2021/3/2734 3) 3) 维氏硬度维氏硬度 维氏硬度计 维氏硬度试验原理维氏硬度压痕 2021/3/2735 v维氏硬度用符号维氏硬度用符号HV

34、表示表示,符号前的数字为硬度值符号前的数字为硬度值,后面的数后面的数 字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。 v维氏硬度保留了布氏硬度和维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。洛氏硬度的优点。 小负荷维氏硬度计 显微维氏硬度计 表示方法表示方法:硬度值硬度值+HV+F+t 2021/3/2736 第一章第一章 金属材料的力学金属材料的力学性能性能 注意注意: : 一、各种硬度值越大一、各种硬度值越大, ,材料的硬度越大材料的硬度越大; ; 二、不同硬度值的近似换算二、不同硬度值的近似换算: : HBHB、HRHR、HVHV因测定方法不同因测定方法不同, ,

35、其硬度值也不同。哪其硬度值也不同。哪 么如何比较不同硬度值的大小呢么如何比较不同硬度值的大小呢? ?除通过直接查阅硬度值换除通过直接查阅硬度值换 算表外，可用以下经验公式进行近似换算算表外，可用以下经验公式进行近似换算 HRC1/10HBS HBSHV HRC1/10HBS HBSHV 如如400HBS40 HRC400HBS40 HRC 三、制图时硬度值标注应注意三、制图时硬度值标注应注意 1.1.硬度值范围硬度值范围 HBS HBS 450450 HRC 2070 HRC 2070 如锉刀硬度如锉刀硬度 6062 HRC 6062 HRC （对）（对） 600620 HBS 600620

36、HBS （错）（错） 2.2.不能用等号不能用等号, ,不能有单位。不能有单位。如如HBS=300kgf/mmHBS=300kgf/mm2 2( (错错) ) 2021/3/2737 第一章第一章 金属材料的力学金属材料的力学性能性能 5.5.冲击韧性冲击韧性 定义定义: :金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力。金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力。 冲冲击击功功:K =mg:K =mg（ （H H1 1 H H2 2）（）（J J） ） 1 H 2 H 2021/3/2738 第一章第一章 金属材料的力学金属材料的力学性能性能 5.5.韧性韧性 小结小结: : （1 1）材料的材料的 值值愈愈大

37、大, ,韧韧性就愈好性就愈好; ;材料的材料的 值值愈愈小小, ,材料材料 的脆性愈大的脆性愈大 （ （2 2）通常把）通常把 值值小小的材料称的材料称为为脆性材料脆性材料 韧性材料韧性材料 K K8 J 8 J 如碳钢如碳钢; ; 脆性材料脆性材料 K K8 J 8 J 如铸铁。如铸铁。 （ （3 3）研究表明，材料的）研究表明，材料的 值值随随试验试验温度的降低而降低温度的降低而降低。 。 2021/3/2739 第一章第一章 金属材料的力学金属材料的力学性能性能 【交流与讨论交流与讨论】是否所有受到冲击载荷作用的零件都是否所有受到冲击载荷作用的零件都 要选用要选用韧性大的材料制造韧性大的

38、材料制造? ? 受到大能量受到大能量, ,一次冲击载荷作用的零件一次冲击载荷作用的零件, ,应选用应选用韧性大的韧性大的 材料制造。如汽车保险杆、材料制造。如汽车保险杆、防弹材料防弹材料; ; 受到小能量，多次冲击载荷作用的零件，应选用受到小能量，多次冲击载荷作用的零件，应选用强度大强度大 塑性好的材料制造。如模锻锤锤杆。塑性好的材料制造。如模锻锤锤杆。 2021/3/2740 第一章第一章 金属材料的力学金属材料的力学性能性能 6.6.疲劳强度疲劳强度 我们人长时间工作会觉得疲劳我们人长时间工作会觉得疲劳, ,那么没有生命的金属材料长那么没有生命的金属材料长 时间工作会产生疲劳吗时间工作会产

39、生疲劳吗? ?请阅读下例空难事件和调查结论。请阅读下例空难事件和调查结论。 空难事件空难事件: :20022002年年5 5月月2525日下午日下午3:08,3:08,台湾华航公司一架波音台湾华航公司一架波音747747飞飞 机从台北桃园机场飞往香港机从台北桃园机场飞往香港,3,3：3737当飞机飞行到离大陆很近的澎当飞机飞行到离大陆很近的澎 湖海域上空，飞机发生解体性爆炸，机上湖海域上空，飞机发生解体性爆炸，机上225225名乘客和机组人员名乘客和机组人员 全部遇难。空难发生后，一时间境外媒体纷纷猜测空难原因。有全部遇难。空难发生后，一时间境外媒体纷纷猜测空难原因。有 的认为飞机遇上了恶劣天

40、气，也有认为是恐怖分子所为，更有甚的认为飞机遇上了恶劣天气，也有认为是恐怖分子所为，更有甚 者说是飞机被大陆导弹击中。者说是飞机被大陆导弹击中。 调查结论：调查结论：5 52525空难发生后，华航公司邀请美国专家协查空难发生后，华航公司邀请美国专家协查 空难原因。美国专家从海水中打捞的飞机残胲进行分析研究，得空难原因。美国专家从海水中打捞的飞机残胲进行分析研究，得 出的结论是：飞机发动机材料疲劳断裂导致空难发生。出的结论是：飞机发动机材料疲劳断裂导致空难发生。 2021/3/2741 第一章第一章 金属材料的力学金属材料的力学性能性能 6.6.疲劳强度疲劳强度 （1 1）疲劳断裂）疲劳断裂 工

41、程上一些机件工作时受交变应力或循环应力作用工程上一些机件工作时受交变应力或循环应力作用, ,即使工即使工 作应力低于材料的作应力低于材料的屈服强度屈服强度R Rr r, ,但经过一定循环周次后仍会但经过一定循环周次后仍会 发生断裂，这样的断裂现象称之为发生断裂，这样的断裂现象称之为疲劳。疲劳。 疲劳断裂是机械零件失效的主要原因之一。据统计，在机疲劳断裂是机械零件失效的主要原因之一。据统计，在机 械零件失效中约有械零件失效中约有80%80%以上疲劳断裂。而且疲劳断裂前没有以上疲劳断裂。而且疲劳断裂前没有 明显的塑性变形而突然发生。所以，疲劳断裂经常造成重明显的塑性变形而突然发生。所以，疲劳断裂经

42、常造成重 大的事故。大的事故。 2021/3/2742 第一章第一章 金属材料的力学金属材料的力学性能性能 6.6.疲劳强度疲劳强度 特征特征: : （1 1）疲劳断裂时没有明显的宏观塑性变形）疲劳断裂时没有明显的宏观塑性变形, ,断断 裂前没有预兆裂前没有预兆, ,而是突然发生而是突然发生; ; （2 2）引起疲劳断裂的应力很低，常低于材料的）引起疲劳断裂的应力很低，常低于材料的 屈服强度屈服强度; ; （3 3）疲劳断裂的断口由两部分组成，即疲劳裂）疲劳断裂的断口由两部分组成，即疲劳裂 纹的产生及扩展区（光滑部分）和最后断裂区（毛糙部纹的产生及扩展区（光滑部分）和最后断裂区（毛糙部 分）。

43、分）。 （1 1）疲劳断裂）疲劳断裂 2021/3/2743 疲劳断口疲劳断口 通过通过改善材料形状结构改善材料形状结构,减少表面缺陷减少表面缺陷,提高表面光洁提高表面光洁 度，进行表面强化度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力等方法可提高材料疲劳抗力. 轴的疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳辉纹（扫描电镜照片） 2021/3/2744 （2 2）疲劳强度疲劳强度 金属材料金属材料在在无限多次交变载荷无限多次交变载荷作用下而作用下而不破坏不破坏的的或达到或达到 规定的循环次数才断裂的规定的循环次数才断裂的最大应力最大应力称为称为材料的材料的疲劳强度或疲劳强度或 疲劳极限疲劳极限

44、, ,用用-1 -1表示 表示, ,单位是单位是MPaMPa。 第一章第一章 金属材料的力学金属材料的力学性能性能 电风扇的轴（电风扇的轴（4545钢）受交变载荷作用钢）受交变载荷作用, ,假如它的设计寿命假如它的设计寿命 为为1010年（工作年（工作10107 7次）次）, ,当它以当它以100MPa100MPa、200MPa200MPa、300MPa300MPa、 400MPa400MPa都能达到工作都能达到工作10107 7次。则电风扇轴的疲劳强度为次。则电风扇轴的疲劳强度为 400MPa400MPa 2021/3/2745 第一章第一章 金属材料的力学金属材料的力学性能性能 国家规定国

45、家规定: : 钢铁材料钢铁材料 经受经受10107 7次次交变载荷作用时交变载荷作用时, ,不产生断裂不产生断裂 的最大应力作为疲劳强度的最大应力作为疲劳强度; ; 有色金属有色金属 经受经受10108 8次次交变载荷作用时交变载荷作用时, ,不产生断裂不产生断裂 的最大应力作为疲劳强度。的最大应力作为疲劳强度。 【交流与讨论交流与讨论】通过学习，你认为如何才能避免材通过学习，你认为如何才能避免材 料疲劳断裂料疲劳断裂? ? （1.1.提高零件的疲劳强度。提高零件的疲劳强度。a a设计合理的结构设计合理的结构;b;b提提 高零件材料的质量，避免损伤。高零件材料的质量，避免损伤。2.2.严格执行

46、机械使用时严格执行机械使用时 间。如飞机飞行达到间。如飞机飞行达到1000010000小时、轿车使用达到小时、轿车使用达到8 8年强行年强行 退役。）退役。） 2021/3/2746 第一章第一章 金属材料的力学金属材料的力学性能性能 7.7.断裂韧度（断裂韧性）断裂韧度（断裂韧性） 有有的大型转动零件、高压容器、桥梁等的大型转动零件、高压容器、桥梁等, ,常在其工件应力远常在其工件应力远 低于低于S S的情况下突然发生断裂的情况下突然发生断裂低应力脆性断裂低应力脆性断裂。 1943年美国T-2油轮发生断裂 北极星导弹 2021/3/2747 n产生这种现象的原因与机件内部存在着微裂纹和其它产

47、生这种现象的原因与机件内部存在着微裂纹和其它 缺陷以及它们的扩展缺陷以及它们的扩展。 裂纹扩展的基本形式裂纹扩展的基本形式 n材料中存在裂纹时材料中存在裂纹时, ,在裂纹尖端就会产生应力集中在裂纹尖端就会产生应力集中, ,从从 而形成裂纹尖端应力场。而形成裂纹尖端应力场。 应力强度因子应力强度因子: :描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。 aYK I Y Y为与裂纹形状、加载为与裂纹形状、加载 方式和试样几何尺寸方式和试样几何尺寸 有关的无量纲系数有关的无量纲系数 2021/3/2748 CCIC aYK C C为断裂应力为断裂应力, ,a aC C为临界裂纹半长为临界裂纹半长 nK K K KIC, IC,材料必发生裂纹失稳扩展而脆断。 材料必发生裂纹失稳扩展而脆断。 nK K K KIC IC，材料中裂纹不扩展或扩展缓慢。 材料中裂纹不扩展或扩展缓慢。 K KIC IC可通过试验来测定，它与材料成分、热处 可通过试验来测定，它与材料成分、热处 理及加工工艺等有关理及加工工艺等有关 v随应力的增大随应力的增大,K,KI I不断增大不断增大, ,当当K KI I增大到某一定值时，这可增大到某一定值时，这可 使裂纹前沿的内应力大到足以使材料分离，从而导致裂纹使裂纹前沿的内应力大到足以使材料分离，从而导致裂纹 突然扩展，材料快速发生断裂。突然扩展，材料