2-2金属材料的力学性能

1、 2-2 金属的力学性金属的力学性能能v使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。物理性能和化学性能。v工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。压、焊接、热处理和切削性能等。v力学性能：指在承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭力学性能：指在承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时，对变形与断裂的抵抗能力及发转、冲击、交变应力等）时，对变形与断裂的抵抗能力及发生变形的能力。生变形的能力。一、复习

2、导入一、复习导入v材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。为变形。v外力去处后外力去处后能够恢复能够恢复的变形称为的变形称为弹性变形弹性变形。v外力去处后外力去处后不能恢复不能恢复的变形称为的变形称为塑性变形塑性变形。 力学性能力学性能v材料在力的作用下，诸如不同载荷所造成材料在力的作用下，诸如不同载荷所造成的弹性变形、塑性变形、断裂（脆性断裂、的弹性变形、塑性变形、断裂（脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂等）以及金属抵抗变韧性断裂、疲劳断裂等）以及金属抵抗变形和断裂能力的衡量指标。形和断裂能力的衡量指标。v常用的力学性能有：强度、刚度、弹性、常用

3、的力学性能有：强度、刚度、弹性、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳极限等。塑性、硬度、冲击韧性及疲劳极限等。（一）强度（一）强度v强度是指金属材料在强度是指金属材料在静载荷静载荷作用下，抵抗塑性作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。变形和断裂的能力。v强度的大小用应力表示。强度的大小用应力表示。v根据载荷的作用方式不同，强度可分为抗拉强根据载荷的作用方式不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗扭强度和抗弯强度。度、抗压强度、抗扭强度和抗弯强度。通常以抗拉强度代表材料的强度指标。SFR v一般情况下多以抗拉强度作为判别金属强度高低的一般情况下多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。指标。抗拉强度是通过拉伸试验

4、测定的。抗拉强度是通过拉伸试验测定的。v拉伸试验的方法是用静拉力对标准试样进行轴向拉拉伸试验的方法是用静拉力对标准试样进行轴向拉伸，同时连续测量力和相应的伸长量，直至试样断伸，同时连续测量力和相应的伸长量，直至试样断裂，根据测得的数据，即可得出有关的力学性能。裂，根据测得的数据，即可得出有关的力学性能。v v v v v 拉伸试验机 拉伸试样的颈缩现象1拉伸试样拉伸试样 d试样直径，试样直径，mm L0标距长度，标距长度，mm长试样：长试样：L0=10d短试样：短试样：L0=5d （拉力）Fesb（伸长量） LFmFeO屈服阶段屈服阶段弹弹性性变变形形阶阶段段缩颈阶段缩颈阶段断裂断裂强化阶段强

5、化阶段FeL2 2、力、力- -伸长曲线伸长曲线 （低碳钢）（低碳钢）zeszLFmFeO屈服阶段屈服阶段弹弹性性变变形形阶阶段段缩颈阶段缩颈阶段断裂断裂强化阶段强化阶段FeLb1、弹性变形阶段：、弹性变形阶段：Fe为发生最大塑性变形的载荷。外力撤去，则变形消为发生最大塑性变形的载荷。外力撤去，则变形消失。失。2、屈服阶段：此阶段发生塑性变形，这种拉伸力不增加变形却增加的现、屈服阶段：此阶段发生塑性变形，这种拉伸力不增加变形却增加的现象称为屈服。象称为屈服。FeL为屈服载荷。为屈服载荷。3、强化阶段：随着变形增大，变形抗力也逐渐增大，这种现象称为形变、强化阶段：随着变形增大，变形抗力也逐渐增大

6、，这种现象称为形变强化。强化。Fm为试样在屈服阶段后所能抵抗的最大力。为试样在屈服阶段后所能抵抗的最大力。4、缩颈阶段：当外力达到、缩颈阶段：当外力达到Fm后，后，试样某一直径处发生局部收缩，试样某一直径处发生局部收缩，称为缩颈。称为缩颈。5、断裂：当外力超过到、断裂：当外力超过到Fm后，后，所需外力逐渐降低直至断裂。所需外力逐渐降低直至断裂。F (a)试样 (b)伸长 (c)产生缩颈 (d)断裂（1） 屈服强度v在金属拉伸试验过程中，当应力超过弹性极限后，变形增加较快，此时除了弹性变形外，还产生部分塑性变形。3.强度指标v在拉伸曲线上，与上、下屈服点相对应的应力称为上、下屈服强度，分别用Re

7、H和ReL表示。ReH和ReL的计算公式如下：屈服强度）（一般下屈服强度代表0eLeL0HHSFRSFRee式中式中 R ReLeL试样的下屈服强度，试样的下屈服强度，MPaMPa； F FeLeL试样屈服时的最小载荷，试样屈服时的最小载荷，N N ； S So o试样原始截面积，试样原始截面积，mmmm2 2。v对于铸铁的材料，在拉伸试验中没有明显的屈服现象，无法确定其屈服强度。v国标GB228-2002规定，一般规定以试样达到一定残余伸长时的应力作为材料的屈服强度，称为条件（名义）屈服强度，通常记作Rp0.2。v工程上各种构件或机器零件工作时均不允许发生过量塑性变形，因此屈服强度ReL和规

8、定残余延伸强度Rp0.2是工程技术上重要的力学性能指标之一，也是大多数机械零件选材和设计的依据。（2 2）抗拉强度）抗拉强度 材料在断裂前所能承受的最大应力，用符号材料在断裂前所能承受的最大应力，用符号Rm m表示。表示。Rm=FmS0计算公式计算公式式中式中 R Rm m抗拉抗拉强度，强度，MPaMPa； F Fm m试样屈服阶段后抵抗的最大力，试样屈服阶段后抵抗的最大力，N N ； S So o试样原始截面积，试样原始截面积，mmmm2 2。例题v已知一试样的横截面积为已知一试样的横截面积为100mm2,ReL=314MPa，Rm=530MPa。v（1）拉伸实验时，当受到的拉力为）拉伸实验

9、时，当受到的拉力为 31400N 时，试样出现时，试样出现屈服。屈服。v（2）现象；当受到的拉力为）现象；当受到的拉力为 53000N 时，试样出现缩颈。时，试样出现缩颈。v解：解：NSRFoLeL31400100314eNSRFom53000100530mv抗拉强度抗拉强度Rm的物理意义是塑性材料抵抗大量均匀塑的物理意义是塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力。性变形的能力。v铸铁等脆性材料拉伸过程中一般不出现缩颈现象，铸铁等脆性材料拉伸过程中一般不出现缩颈现象，抗拉强度就是材料的断裂强度。抗拉强度就是材料的断裂强度。v断裂是零件最严重的失效形式，所以，抗拉强度也断裂是零件最严重的失效形式，所以

10、，抗拉强度也是机械工程设计和选材的主要指标，特别是对脆性是机械工程设计和选材的主要指标，特别是对脆性材料来讲。材料来讲。 v强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，一强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，一般钢材的屈服强度在般钢材的屈服强度在2001000MPa 之间。之间。v强度越高，表明材料在工作时越可以承受较高的载强度越高，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。构件或零件的尺寸，从而减小其自重。v因此，提高材料的强度是材料科学中的重要课题，因此，提高材料的强度是材料

11、科学中的重要课题，称之为材料的强化。称之为材料的强化。（3）强度的意义衡量指标衡量指标金属材料断裂前产生塑性变形的能力。金属材料断裂前产生塑性变形的能力。断面收缩率：断面收缩率：断后伸长率：断后伸长率： 试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比。试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比。试样拉断后，颈缩处的横截面积变化量与原试样拉断后，颈缩处的横截面积变化量与原始横截面积的百分比。始横截面积的百分比。 定义定义（二）塑性1、断后伸长率（、断后伸长率（ A ）试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比。试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比。Lu-L0L0100%A=Lu试样拉断后的标距

12、试样拉断后的标距,mm;L0试样的原始标距试样的原始标距,mm。v同一材料的试样长短不同，测得的断后伸长率略有不同。v由于大多数韧性金属材料的集中塑性变形量大于均匀塑性变形量，因此，比例试样的尺寸越短，其断后伸长率越大，用短试样（L05d0）测得的断后伸长率A略大于用长试样（L010d0）测得的断后伸长率A11.3。 2、断面收缩率（、断面收缩率（ Z ）试样拉断后，颈缩处的横截面积变化量与原始横截面积试样拉断后，颈缩处的横截面积变化量与原始横截面积的百分比。的百分比。S0-SuS0Z=100%S0试样原始横截面积试样原始横截面积,mm2；Su颈缩处的横截面积颈缩处的横截面积,mm2 。塑性的

13、意义v任何零件都要求材料具有一定的塑性。很显任何零件都要求材料具有一定的塑性。很显然，断后伸长率然，断后伸长率A和断面收缩率和断面收缩率Z越大，越大，说明说明材料在断裂前发生的塑性变形量越大，也就材料在断裂前发生的塑性变形量越大，也就是材料的塑性越好。是材料的塑性越好。v意义：意义： a）安全，防止产生突然破坏；）安全，防止产生突然破坏； b）缓和应力集中；）缓和应力集中； c）轧制、挤压等冷热加工变形。）轧制、挤压等冷热加工变形。课堂练习课堂练习v例：有一直径d=10mm，短试样的低碳钢，拉伸验时测得FeL=21KN，Fm=29KN，du=4.9mm，Lu=79mm，求：ReL、Rm、A、Z

14、。v解：短试样v v（1）计算So、Su： （3）计算A、Z：v（2）计算ReL、Rm：222o5 .7841014. 34mmdS222u8 .1849 .414.34mmdSuMPaSFRO5.2675.7821000eLeLMPaSFRO4.3695.7829000mm%58%1005050-79 %1000OuLLLA%1 .76%10078.518.8-5 .78%100OuoSSSZmmdLO501055通常情况下金属的伸长率不超过通常情况下金属的伸长率不超过90% 90% ，而有些金属，而有些金属及其合金在某些特定的条件下，最大伸长率可高达及其合金在某些特定的条件下，最大伸长率可

15、高达1000%1000%2000% 2000% ，个别的可达，个别的可达6000% 6000% ，这种现象称，这种现象称为超塑性。由于超塑性状态具有异常高的塑性，极为超塑性。由于超塑性状态具有异常高的塑性，极小的流动应力，极大的活性及扩散能力，在压力加小的流动应力，极大的活性及扩散能力，在压力加工、热处理、焊接、铸造、甚至切削加工等很多领工、热处理、焊接、铸造、甚至切削加工等很多领域被中应用。域被中应用。延伸阅读延伸阅读小结v抗拉强度是零件设计、选材的重要依据抗拉强度是零件设计、选材的重要依据.vA、Z的值越大，表示材料的塑性就越好。的值越大，表示材料的塑性就越好。v强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。在金属强