金属材料力学性能及实验

1、 第一章第一章 金属的力学性能及试验方法金属的力学性能及试验方法 金属材料性能：使用性能和工艺性能金属材料性能：使用性能和工艺性能 使用性能：为保证机械零件或工具正常工作，材料应具备使用性能：为保证机械零件或工具正常工作，材料应具备的性能，它包括物理性能（如导电性、导热性、热膨胀性的性能，它包括物理性能（如导电性、导热性、热膨胀性等）、化学性能（如抗腐蚀性、抗氧化性等）和力学性能。等）、化学性能（如抗腐蚀性、抗氧化性等）和力学性能。 工艺性能：在制造机械零件或工具的过程中，材料适应各工艺性能：在制造机械零件或工具的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能，它包括铸造、锻造、焊接、种冷、热加

2、工和热处理的性能，它包括铸造、锻造、焊接、切削加工等工艺性能以及热处理工艺性等。切削加工等工艺性能以及热处理工艺性等。 力学性能：材料在外力作用下所显示的性能，又称机械性力学性能：材料在外力作用下所显示的性能，又称机械性能，如强度、硬度、塑性、韧性、抗疲劳性等。能，如强度、硬度、塑性、韧性、抗疲劳性等。 一、强度一、强度 强度：金属抵抗永久变形和断裂的能力强度：金属抵抗永久变形和断裂的能力 拉伸试验法：拉伸试验在拉伸试验法：拉伸试验在拉伸试验机拉伸试验机上进行上进行 一、强度一、强度 强度：金属抵抗永久变形和断裂的能力强度：金属抵抗永久变形和断裂的能力 拉伸试验法：拉伸试验在拉伸试验法：拉伸试

3、验在拉伸试验机拉伸试验机上进行上进行 拉伸试样：圆形试样（断面为圆形），根据拉伸试样：圆形试样（断面为圆形），根据GB639786的规定，拉伸试样分为长比例试样或短比例试样。的规定，拉伸试样分为长比例试样或短比例试样。对圆形试样：长试样对圆形试样：长试样l=10d。；短试样。；短试样l=5d。 拉伸曲线拉伸曲线：在开始的：在开始的 阶段，材料处于弹性变形阶段；阶段，材料处于弹性变形阶段；超过超过e点后，除弹性变形外，材料开始产生塑性变形，曲点后，除弹性变形外，材料开始产生塑性变形，曲线在线在S点处出现一小段水平点处出现一小段水平 线段，这种现象称为线段，这种现象称为“屈服屈服”，标志着材料发生

4、微量塑性变形。当拉伸力达到标志着材料发生微量塑性变形。当拉伸力达到 后，在后，在试样的标距长度内某处，横截面发生局部收缩，即产生试样的标距长度内某处，横截面发生局部收缩，即产生“缩颈缩颈”现象，此时拉伸力开始减小，故现象，此时拉伸力开始减小，故b点为曲线上集点为曲线上集中干预部，直至断裂（中干预部，直至断裂（k点）。点）。Fboe 拉伸曲线拉伸曲线：在开始的：在开始的 阶段，材料处于弹性变形阶段；阶段，材料处于弹性变形阶段；超过超过e点后，除弹性变形外，材料开始产生塑性变形，曲点后，除弹性变形外，材料开始产生塑性变形，曲线在线在S点处出现一小段水平点处出现一小段水平 线段，这种现象称为线段，这

5、种现象称为“屈服屈服”，标志着材料发生微量塑性变形。当拉伸力达到标志着材料发生微量塑性变形。当拉伸力达到 后，在后，在试样的标距长度内某处，横截面发生局部收缩，即产生试样的标距长度内某处，横截面发生局部收缩，即产生“缩颈缩颈”现象，此时拉伸力开始减小，故现象，此时拉伸力开始减小，故b点为曲线上集点为曲线上集中干预部，直至断裂（中干预部，直至断裂（k点）。点）。Fboe内力：试样受拉伸力内力：试样受拉伸力F作用后，导致材料内部之间产生同样大作用后，导致材料内部之间产生同样大 小的相互作用力小的相互作用力应力：单位横截面积上的内力，。应力：单位横截面积上的内力，。屈服点（屈服极限）：金属产生屈服现

6、象时的应力屈服点（屈服极限）：金属产生屈服现象时的应力 。屈服强度：工程技术上一般规定，以试样产生的塑性变形伸屈服强度：工程技术上一般规定，以试样产生的塑性变形伸长量达到长量达到02时的应力，时的应力，0.2 。抗拉强度（强度极限）：金属拉断前承受的最大拉应力，抗拉强度（强度极限）：金属拉断前承受的最大拉应力，AFssAFossAFo2 . 02 . 0AFobbb 二、塑性二、塑性 塑性：金属材料断裂前发生永久变形的能力塑性：金属材料断裂前发生永久变形的能力 断后伸长率：试样拉断后标距的伸长量与原始标距的百分断后伸长率：试样拉断后标距的伸长量与原始标距的百分比比 由于同一材料用不同长度的试样

7、测得的断后伸长率由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率数值数值不同，因此应注明试样尺寸比例。不同，因此应注明试样尺寸比例。 断面收缩率：试样拉断处横截面积的减小量与原始横截面断面收缩率：试样拉断处横截面积的减小量与原始横截面积的百分比，积的百分比， 强度是表征材料变形抗力指标，而塑性是描述变强度是表征材料变形抗力指标，而塑性是描述变形能力的指标。形能力的指标。%100001lll%100001AAA第二节第二节 硬度及硬度试验硬度及硬度试验 硬度：金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、硬度：金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力压痕或划痕的能力 一、布氏硬度试验法一、布氏

8、硬度试验法 布氏硬度试验的原理布氏硬度试验的原理：用一定直径：用一定直径D（mm）的）的钢球或硬质合金球，以相应的试验力钢球或硬质合金球，以相应的试验力F（N）压入）压入试件表面，并保持一定的时间，然后卸除试验力，试件表面，并保持一定的时间，然后卸除试验力，测量试件表面的压痕直径测量试件表面的压痕直径d（mm），用试验力除），用试验力除以压痕球形以压痕球形表面积表面积A（mm2）所得的商作为布氏硬）所得的商作为布氏硬度值，符号为度值，符号为HBS（压头为钢球时）或（压头为钢球时）或HBW（压（压头为硬质合金球时）。头为硬质合金球时）。 HBS适用于测量低于布氏硬度值适用于测量低于布氏硬度值45

9、0的材料；的材料；HBW适用于适用于测量低于布氏硬度值测量低于布氏硬度值650的材料。的材料。 试验时，根据被测的材料不同，球直径、试验时，根据被测的材料不同，球直径、试验力及试验力保持时间按表试验力及试验力保持时间按表-1选择。选择。金属种类金属种类布 氏 硬 度 范 围布 氏 硬 度 范 围 H B S（HBW）试样厚度试样厚度/mm0.102球的直径球的直径/mm试验力试验力F/KN（k g f)试验力保持时试验力保持时间间/s黑色金属黑色金属140-450634223010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)126631010.05.09.

10、807(1000)2.452(250)12非铁金属非铁金属130634262.510.02.452(250)60表表 120HBS10100030代表用代表用 10mm钢球，在钢球，在1000kgf（10kN）试验力作用下保持）试验力作用下保持30s，测得的布氏硬度值。，测得的布氏硬度值。 布氏硬度试验法一般用于试验各种硬度不高的钢材、铸铁、布氏硬度试验法一般用于试验各种硬度不高的钢材、铸铁、有色金属等，也用于试验经淬火、回火但硬度不高的钢件。有色金属等，也用于试验经淬火、回火但硬度不高的钢件。 由于布氏硬度试验的压痕较大，试验结果能更好地代表试由于布氏硬度试验的压痕较大，试验结果能更好地代表

11、试件的硬度。件的硬度。二、洛氏硬度实验二、洛氏硬度实验 洛氏硬度试验法洛氏硬度试验法原理原理：根据压痕的塑性变形深度来衡量硬：根据压痕的塑性变形深度来衡量硬度。试验时，先加初始试验力度。试验时，先加初始试验力 98N（10kgf），使压头紧），使压头紧密接触试件表面密接触试件表面a，并压入到，并压入到b处，以此作为衡量压入深度处，以此作为衡量压入深度的起点，再加主试验力使压头压入到的起点，再加主试验力使压头压入到c处，然后去掉主试处，然后去掉主试验力，由于被试金属弹性变形的消除，压头向上回升到验力，由于被试金属弹性变形的消除，压头向上回升到d处。处。洛氏硬度计洛氏硬度计表盘上读出即可。表盘上读

12、出即可。二、洛氏硬度实验二、洛氏硬度实验 洛氏硬度试验法洛氏硬度试验法原理原理：根据压痕的塑性变形深度来衡量硬：根据压痕的塑性变形深度来衡量硬度。试验时，先加初始试验力度。试验时，先加初始试验力 98N（10kgf），使压头紧），使压头紧密接触试件表面密接触试件表面a，并压入到，并压入到b处，以此作为衡量压入深度处，以此作为衡量压入深度的起点，再加主试验力使压头压入到的起点，再加主试验力使压头压入到c处，然后去掉主试处，然后去掉主试验力，由于被试金属弹性变形的消除，压头向上回升到验力，由于被试金属弹性变形的消除，压头向上回升到d处。处。洛氏硬度计洛氏硬度计表盘上读出即可。表盘上读出即可。二、洛

13、氏硬度实验二、洛氏硬度实验 洛氏硬度试验法洛氏硬度试验法原理原理：根据压痕的塑性变形深度来衡量硬：根据压痕的塑性变形深度来衡量硬度。试验时，先加初始试验力度。试验时，先加初始试验力 98N（10kgf），使压头紧），使压头紧密接触试件表面密接触试件表面a，并压入到，并压入到b处，以此作为衡量压入深度处，以此作为衡量压入深度的起点，再加主试验力使压头压入到的起点，再加主试验力使压头压入到c处，然后去掉主试处，然后去掉主试验力，由于被试金属弹性变形的消除，压头向上回升到验力，由于被试金属弹性变形的消除，压头向上回升到d处。处。洛氏硬度计洛氏硬度计表盘上读出即可。表盘上读出即可。 试验时，根据被测的

14、材料不同，压头的类型、试验力及按试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表表-2选择，对应的洛氏硬度标尺为选择，对应的洛氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种三种符号符号压头类型压头类型载荷载荷/k g f硬度有效硬度有效范围范围使用范围使用范围HRA金刚石圆锥金刚石圆锥体体6070 08585适用于测量硬质合金、钢表、适用于测量硬质合金、钢表、淬火层或渗碳层淬火层或渗碳层HRB直径为直径为1.588mm钢钢球球10025100100（相当（相当6060230HB230HB）适用于测量非铁金属退火、火适用于测量非铁金属退火、火等等HRC金刚石圆锥金刚石圆锥体体150206767( (

15、相当相当HB230HB230700)700)适用于调质钢、淬火钢等适用于调质钢、淬火钢等120表表-2 第三节第三节 韧性和冲击试验韧性和冲击试验 冲击力：零件受到突然作用的外力冲击力：零件受到突然作用的外力 韧性：金属在冲击力作用下，断裂前吸收变形能量的韧性：金属在冲击力作用下，断裂前吸收变形能量的能力。韧性愈好，代表金属的抗冲击能力愈强。能力。韧性愈好，代表金属的抗冲击能力愈强。 一、摆锤式一次冲击试验一、摆锤式一次冲击试验 按按GB22984的规定，将被试金属制成标准的冲击试的规定，将被试金属制成标准的冲击试样样。 摆锤式一次冲击试验摆锤式一次冲击试验原理：试验在专门的摆锤式冲击试验原理

16、：试验在专门的摆锤式冲击试验机上进行，把试样放在试验机的支承面上，试样的缺口背机上进行，把试样放在试验机的支承面上，试样的缺口背向摆锤冲击方向。将质量为向摆锤冲击方向。将质量为m的摆锤安放到规定的高度的摆锤安放到规定的高度H，然后下落，将试样打断，并摆过支点升到某一高度然后下落，将试样打断，并摆过支点升到某一高度h，试，试样在冲击试验力一次作用下，样在冲击试验力一次作用下，折断折断时所吸收的功为冲击吸时所吸收的功为冲击吸收功为收功为Ak 摆锤式一次冲击试验摆锤式一次冲击试验原理：试验在专门的摆锤式冲击试验原理：试验在专门的摆锤式冲击试验机上进行，把试样放在试验机的支承面上，试样的缺口背机上进行

17、，把试样放在试验机的支承面上，试样的缺口背向摆锤冲击方向。将质量为向摆锤冲击方向。将质量为m的摆锤安放到规定的高度的摆锤安放到规定的高度H，然后下落，将试样打断，并摆过支点升到某一高度然后下落，将试样打断，并摆过支点升到某一高度h，试，试样在冲击试验力一次作用下，样在冲击试验力一次作用下，折断折断时所吸收的功为冲击吸时所吸收的功为冲击吸收功为收功为Ak 摆锤式一次冲击试验摆锤式一次冲击试验原理：试验在专门的摆锤式冲击试验原理：试验在专门的摆锤式冲击试验机上进行，把试样放在试验机的支承面上，试样的缺口背机上进行，把试样放在试验机的支承面上，试样的缺口背向摆锤冲击方向。将质量为向摆锤冲击方向。将质

18、量为m的摆锤安放到规定的高度的摆锤安放到规定的高度H，然后下落，将试样打断，并摆过支点升到某一高度然后下落，将试样打断，并摆过支点升到某一高度h，试，试样在冲击试验力一次作用下，样在冲击试验力一次作用下，折断折断时所吸收的功为冲击吸时所吸收的功为冲击吸收功为收功为Ak 实际上，冲击吸收功实际上，冲击吸收功AK数值可由数值可由试验机试验机读出，而无需计算读出，而无需计算 冲击韧度：将冲击吸收功冲击韧度：将冲击吸收功AK值除以试样缺口底部的横载而值除以试样缺口底部的横载而积积 A0（cm2）得到的值）得到的值 ak=AK/A0 冲击韧度作为衡量材料刚性的依据冲击韧度作为衡量材料刚性的依据 实际上，

19、冲击吸收功实际上，冲击吸收功AK数值可由数值可由试验机试验机读出，而无需计算读出，而无需计算 冲击韧度：将冲击吸收功冲击韧度：将冲击吸收功AK值除以试样缺口底部的横载而值除以试样缺口底部的横载而积积 A0（cm2）得到的值）得到的值 ak=AK/A0 冲击韧度作为衡量材料刚性的依据冲击韧度作为衡量材料刚性的依据二、多次重复冲击试验的概念二、多次重复冲击试验的概念 在小能量多次冲击破坏时，应进行多次重复冲击在小能量多次冲击破坏时，应进行多次重复冲击 试验测定其多冲抗力试验测定其多冲抗力 材料制成专门的多冲缺口试样材料制成专门的多冲缺口试样1放在多冲试验机放在多冲试验机 上，使之受到试验机锤头上，

20、使之受到试验机锤头2的小能量（的小能量（15J)多次多次 冲击。测定材料在一定冲击能量下，开始出现裂冲击。测定材料在一定冲击能量下，开始出现裂 纹或最后破断的冲击次数作为多冲抗力指标纹或最后破断的冲击次数作为多冲抗力指标 第四节第四节 金属疲劳的概念金属疲劳的概念 交变压力：是指大小和方向构随时间周期变化的应力交变压力：是指大小和方向构随时间周期变化的应力 金属的疲劳：在多次交变应力作用，金属会在远小于抗拉金属的疲劳：在多次交变应力作用，金属会在远小于抗拉强度强度b，甚至小于屈服点，甚至小于屈服点s。的应力下失效（出现裂纹或。的应力下失效（出现裂纹或完全断裂）。完全断裂）。 疲劳曲线疲劳曲线：

21、实验证明，一般钢铁材料所受交变应力最大值：实验证明，一般钢铁材料所受交变应力最大值max与其失效前的应力循环次数（疲劳寿命）与其失效前的应力循环次数（疲劳寿命） N的曲线关的曲线关系。系。 疲劳极限疲劳极限-1：材料可经受无数次应力循环而不失效的应力：材料可经受无数次应力循环而不失效的应力值。值。 通常规定经受通常规定经受107循环周次而不失效的最大应力为钢铁的疲循环周次而不失效的最大应力为钢铁的疲劳极限劳极限 第四节第四节 金属疲劳的概念金属疲劳的概念 交变压力：是指大小和方向构随时间周期变化的应力交变压力：是指大小和方向构随时间周期变化的应力 金属的疲劳：在多次交变应力作用，金属会在远小于抗拉金属的疲劳：在多次