第一章 金属材料力学性能

1、第一章第一章 金属材料的力学性能金属材料的力学性能第一节第一节 金属材料的强度与塑性金属材料的强度与塑性2 2、工艺性能、工艺性能在制造机械零件的过程中，材料在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能。适应各种冷、热加工和热处理的性能。1 1、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力学性能力学性能物理性能物理性能化学性能化学性能铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削加工性能、热处理工艺性能性能、切削加工性能、热处理工艺性能3 3、材料的力学性能、材料的力学性能 指材料在外力作用下表现出来的性能，主要指

2、材料在外力作用下表现出来的性能，主要有有强度、塑性、硬度、冲击韧度强度、塑性、硬度、冲击韧度和和疲劳强度疲劳强度等。等。材料的性能材料的性能 作用在机件上的外力作用在机件上的外力载荷载荷FFF = F （MPa）外力 内力应力FF静载荷静载荷动载荷动载荷R= F /SSFSFR1. 1.应力应力应力：应力：物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。同截物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。同截面垂直的称为面垂直的称为“正应力正应力”或或“法向应力法向应力”，同截面相，同截面相切的称为切的称为“剪应力剪应力”或或“切应力切应力”。常用术语常用术语0lUl0dFFUd拉伸前拉伸前拉伸后拉伸后应变：

3、应变：物体形状尺寸所发物体形状尺寸所发生的相对改变。生的相对改变。物体内部某处的线段在变物体内部某处的线段在变形后长度的改变值同线段形后长度的改变值同线段原长之比值称为原长之比值称为“线应变线应变”0ll2. 应变应变（1 1）弹性变形：）弹性变形： 材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来形状，这种形状，这种随外力消失而消失的变形随外力消失而消失的变形，称为，称为弹性变形弹性变形。3. 3.两种基本变形两种基本变形FFF （2 2）塑性变形）塑性变形: : 材料在外力作用下材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形产生永久的不可恢复的变形

4、，称为称为塑性变形塑性变形。FFF拉伸试验拉伸试验0lUl0dFFLUd拉伸前拉伸前拉伸后拉伸后kmm 极限载荷点Fpp 弹性极限点sS 屈服点K 断裂点拉伸曲线l应力应变曲线0SF0llsFpFmFo材料的拉伸曲线材料的拉伸曲线1 1、opop段段：直线、弹性变形：直线、弹性变形2 2、psps段段：曲线、弹性变形：曲线、弹性变形+ +塑性变形塑性变形5 5、m m点点出现缩颈现象，即试样局部出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低，截面明显缩小试样承载能力降低，拉伸力达到最大值，而后降低，但拉伸力达到最大值，而后降低，但变形量增大，变形量增大，K K点时试样发生断裂。点时试样发

5、生断裂。3 3、s ss s段段：水平线（略有波动）：水平线（略有波动）明显的塑性变形屈服现象，作用明显的塑性变形屈服现象，作用的力基本不变，试样连续伸长。的力基本不变，试样连续伸长。4 4、smsm曲线曲线：弹性变形：弹性变形+ +均匀塑性变均匀塑性变形形 s1 1强度强度材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。（1 1） 弹性极限弹性极限（R Rp p）指金属材料能保持弹性变形的最大应力。指金属材料能保持弹性变形的最大应力。R Rp p =F =Fp p/S/S0 0 （MPaMPa）它表征了材料抵抗弹性变形的能力。（2 2） 屈服强度屈服强

6、度（RS）指材料在外力作用下，产生屈服现象时的最小应力。指材料在外力作用下，产生屈服现象时的最小应力。R RS S =Fs/S =Fs/S0 0 （MPaMPa）它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。当材料单位面积上所受的应力R Rp pRRRRRRs s时，材料将产生明显的塑性变形。条件屈服强度: R0.2=F 0.2/S0 （MPa）屈服强度屈服强度 是塑性材料选材和评定的依据。是塑性材料选材和评定的依据。2 . 0s0.2%l0 2 . 0FmkFpsl 对于低塑性材料或脆性材料：对于低塑性材料或脆性材料： Rm =Fm/S0 （MPa）（3 3）抗拉强度）抗拉强度（Rm ）抗拉强度是材料

7、在拉断前承受最大载荷时的应力。抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。 它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。抗拉强度抗拉强度 是脆性材料选材的依据。是脆性材料选材的依据。物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力2. 2. 塑性塑性常用常用 A 和和 Z 作为衡量塑性的指标。作为衡量塑性的指标。伸长率：材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。断面收缩率:%10000lllAU%10000sssZUF0d0lulFLud良好的塑性是金属材料进行良

8、好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。塑性加工的必要条件。第二节第二节 金属材料的硬度金属材料的硬度定义：材料抵抗表面局部变形的能力。特别是塑形变定义：材料抵抗表面局部变形的能力。特别是塑形变形、压痕或划痕的能力。形、压痕或划痕的能力。)(2102. 022dDDDFHBW布氏硬度计布氏硬度计1、布氏硬度、布氏硬度HB压头为一定直径的硬质合金球，符号压头为一定直径的硬质合金球，符号HBW表示表示例如例如：120HBW10/1000/30 表表示直径为示直径为10mm的硬质合金球的硬质合金球在在1000kgf载荷作用下保持载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120。 布氏

9、硬度压痕布氏硬度压痕标注方法：标注方法：硬度值硬度值+HBW+D+F+tn布氏硬度的优点：布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。测量误差小，数据稳定。n缺点：缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。的材料。n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, 铸铁及有色金铸铁及有色金属的硬度。属的硬度。n材料的材料的 b与与HB之间的经验关系：之间的经验关系： 对于低碳钢对于低碳钢: b(MPa)3.6HB 对于高碳钢：对于高碳钢： b(MPa)3.4HB 对于铸铁对于铸铁： b(MPa)1HB或或 b(MPa) 0.6

10、(HB-40)2、洛氏硬度、洛氏硬度洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HR表示，表示，HR=k-(h1-h0)/0.002压头为锥角压头为锥角120的金刚石圆锥体或者直径为的金刚石圆锥体或者直径为1.5875mm的球（淬火钢球或硬质合金球）的球（淬火钢球或硬质合金球）标注方法：符号标注方法：符号HR前面的数字为硬度值，后面为前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。使用的标尺。例如：例如：50HRC根据压头类型和主载荷不同，分为九根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为个标尺，常用的标尺为A、B、C。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lHRA用于测量高硬度材料

11、用于测量高硬度材料, 如如硬质合金、表淬层和渗碳层。硬质合金、表淬层和渗碳层。lHRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料, 如如有色金属和退火、正火钢等。有色金属和退火、正火钢等。lHRC用于测量中等硬度材料，用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。如调质钢、淬火钢等。l洛氏硬度的优点洛氏硬度的优点：操作简操作简 便，压痕小，适用范围广。便，压痕小，适用范围广。l缺点缺点：测量结果分散度大。测量结果分散度大。钢球压头与金钢球压头与金刚石压头刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕3 3、维氏硬度、维氏硬度维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕维氏硬度和布氏硬度

12、的测定原理相似维氏硬度和布氏硬度的测定原理相似n压头是对面夹角为136的正四棱锥体金刚石，测出压痕的对角线长度，再计算。2189. 0102. 0dFAFHVoKgf/mmKgf/mm2 2式中：式中： F F试验力，试验力，N NAoAo压痕面积，压痕面积，mmmm2 2dd压痕对角线的算术平均值，压痕对角线的算术平均值，mmmm。n维氏硬度用符号维氏硬度用符号HV表示表示，符号前的数字为硬度值，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。n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。

13、 小负荷维氏硬度计小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计显微维氏硬度计n维氏硬度值一般不标单位，在符号维氏硬度值一般不标单位，在符号HV前写出前写出硬度值。硬度值。n维氏硬度试验因试验力小（常用维氏硬度试验因试验力小（常用49.03N）压）压痕浅，轮廓清晰，数值准确，试验力选择范围大痕浅，轮廓清晰，数值准确，试验力选择范围大（49.03980.7N），所以可测量从很软到很硬材），所以可测量从很软到很硬材料的硬度，维氏硬度值之间能直接进行比较。料的硬度，维氏硬度值之间能直接进行比较。n维氏硬度常用来测试薄片材料、金属镀层及维氏硬度常用来测试薄片材料、金属镀层及零件表面硬化层的硬度，但试验麻烦，不宜用于零

14、件表面硬化层的硬度，但试验麻烦，不宜用于成批生产的常规检验。成批生产的常规检验。第三节第三节金属材料的韧性金属材料的韧性韧性韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力是指金属在断裂前吸收变形能量的能力, ,可可用来衡量金属材料抵抗冲击载荷能力。用来衡量金属材料抵抗冲击载荷能力。韧性的判据通过冲击试验来测定。韧性的判据通过冲击试验来测定。1 1摆锤式一次冲击试验摆锤式一次冲击试验冲击吸收功冲击吸收功: :试样在冲击试验力一次试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的能量作用下折断时所吸收的能量( (K K) )。 KV(KU)=EKV(KU)=EP1P1-E-EP2P21H2H开缺口的目的：在缺口附近

15、造成应力集中，使塑性变开缺口的目的：在缺口附近造成应力集中，使塑性变形局限在缺口附近，并保证在缺口处发生断裂，以便形局限在缺口附近，并保证在缺口处发生断裂，以便正确测定金属材料承受冲击载荷的能力。正确测定金属材料承受冲击载荷的能力。2.试样类型：试样类型：U形缺口试样和形缺口试样和V形缺口试样两种形缺口试样两种n材料的材料的 值愈值愈大大，韧性就愈好韧性就愈好；材料的；材料的 值愈值愈小小，材料材料的脆性愈大的脆性愈大n通常把通常把 值值小小的材料称为的材料称为脆性材料脆性材料n研究表明，材料的研究表明，材料的 值随试验值随试验温度的降低而降低温度的降低而降低。n加载速度越快，温度越低，表面及

16、冶金质量越差，加载速度越快，温度越低，表面及冶金质量越差， 的值越低。的值越低。金属材料的吸收能量金属材料的吸收能量KV(KU)可以直接从试验机上读出可以直接从试验机上读出3. 温度对吸收能量的影响温度对吸收能量的影响吸收能量吸收能量K K 与温度有关。由下图可知，与温度有关。由下图可知，K K 随温度降低而减少，随温度降低而减少，在某一温度区域，在某一温度区域，K K急剧变化，此温度区域称为韧脆转变温度。急剧变化，此温度区域称为韧脆转变温度。韧脆转变温度越低，材料的低温冲击性能越好。韧脆转变温度越低，材料的低温冲击性能越好。TITANIC建造中的建造中的Titanic 号号TITANIC的沉

17、没的沉没与船体材料的质量与船体材料的质量直接有关直接有关Titanic 号钢板号钢板（左图）（左图）和和近代船用近代船用钢板钢板（右图）（右图）的冲击试验结果的冲击试验结果Titanic近代船用钢板近代船用钢板思考题n为什么钢制电力传输塔架、铁桥、工程结构为什么钢制电力传输塔架、铁桥、工程结构件、海上钻井设施等在风雪交加的寒冷天气件、海上钻井设施等在风雪交加的寒冷天气中容易发生损坏？中容易发生损坏？第四节第四节 金属材料的疲劳强度金属材料的疲劳强度n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，即使工作应力低于材料的作应力低于材料的Rel ，

18、但经过一定循环周次后仍会发生断，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疲劳。裂，这样的断裂现象称之为疲劳。 n据统计，约据统计，约80%的机件失效为疲劳破坏。的机件失效为疲劳破坏。一、疲劳现象一、疲劳现象循环应力：应力的大小和方向随时间作周期性的变化。循环应力：应力的大小和方向随时间作周期性的变化。试一试试一试n如果没有钳子，让你用手掰断一根直径如果没有钳子，让你用手掰断一根直径5mm的铁丝，你如何做？的铁丝，你如何做？微裂源微裂源扩展区扩展区瞬断区瞬断区1N0N钢：钢：有色金属：有色金属：N0 循环基数循环基数影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素:内部缺陷、表面划痕、残留应力

19、等内部缺陷、表面划痕、残留应力等v金属材料在循环应力作用下经受无限多次循环而不断裂的金属材料在循环应力作用下经受无限多次循环而不断裂的最大应力称为金属材料的最大应力称为金属材料的疲劳强度，疲劳强度，即循环次数值即循环次数值N无穷大无穷大时所对应的最大应力值。时所对应的最大应力值。二、疲劳强度二、疲劳强度 有的大型转动零件、高压容器、桥梁等，常在其工件应力有的大型转动零件、高压容器、桥梁等，常在其工件应力远低于远低于屈服强度屈服强度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年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂北极星导弹北极星导弹 断裂韧度（断裂韧性）断

20、裂韧度（断裂韧性） n产生这种现象的原因是机件内部存在着微裂纹产生这种现象的原因是机件内部存在着微裂纹和其它缺陷以及它们的扩展。和其它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2/1)(ccan材料中存在裂纹时，在裂纹尖端就会产生应力材料中存在裂纹时，在裂纹尖端就会产生应力集中，从而形成裂纹尖端应力场。集中，从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。aYKI Y Y为与裂纹形状、加载方为与裂纹形状、加载方式和试样几何尺寸有式和试样几何尺寸有关的无量纲系数关的无量纲系数CCICaYK C为断裂应力为断裂应力，aC为临界裂纹半长为临界裂纹半长nK K K KICIC，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 KICIC，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 KICIC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n随应力的增大，随应力的增大，K KI I不断增大，当不断增大，当K KI I增