第一章金属材料的力学性能

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金属在外加载荷（包括静载荷、冲击载荷、金属在外加载荷（包括静载荷、冲击载荷、交变载荷）作用下表现出来的特性。交变载荷）作用下表现出来的特性。强度强度塑性塑性硬度硬度冲击韧性冲击韧性疲劳强度疲劳强度材料的性能材料的性能第一节第一节 刚度、强度、塑性刚度、强度、塑性1 1、拉伸试样、拉伸试样 试验前在试棒上打出试验前在试棒上打出标距标距按国标规定标准拉伸试样可分为：按国标规定标准拉伸试样可分为：) ) 板形试样：原材料为板材或带材板形试样：原材料为板材或带材) ) 圆形试样圆形试样：长试样：长试样L L0 010d10d0 0， 短试样短试样L L0

2、 0=5d=5d0 0 其中：其中：L L0 0为试样标距，为试样标距，d d0 0为试样直径为试样直径一、拉伸试验与拉伸曲线一、拉伸试验与拉伸曲线刚度、强度和塑性是根据刚度、强度和塑性是根据拉伸试验拉伸试验测定出来的。测定出来的。2 2、拉伸过程、拉伸过程将试样装在拉伸试验机夹将试样装在拉伸试验机夹头上，缓慢加载，通过自头上，缓慢加载，通过自动记录装置得到试样所受动记录装置得到试样所受载荷载荷F F和伸长量和伸长量L L的关系的关系曲线称为拉伸曲线。曲线称为拉伸曲线。拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象3、拉伸曲线、拉伸曲线4、应力与应变曲线、应力与应变曲线(3)应力应变曲线应力应变曲线（

3、-曲线曲线）： 形状和拉伸曲线相同，单位不同。(1)应力应力 ：单位面积上试样承受的载荷。单位面积上试样承受的载荷。F=S0(Mpa)F:载荷载荷(N)S0:原始横截面积原始横截面积(mm2)(2)应变应变：单位长度的伸长量。单位长度的伸长量。l=l 0l：伸长量伸长量(mm)l 0：原始长度：原始长度(mm)5、不同材料的拉伸曲线、不同材料的拉伸曲线45钢铝青铜35钢硬铝纯铜二、通过二、通过拉伸试验拉伸试验测得的性能指标测得的性能指标刚度刚度、强度强度屈服强度屈服强度抗拉强度抗拉强度塑性塑性伸长率伸长率断面收缩率断面收缩率1 1）刚度）刚度 表征金属材料抵抗弹性变形的能力。表征金属材料抵抗弹

4、性变形的能力。 弹性模量弹性模量E E（GPaGPa） ：表示引起单位：表示引起单位变形时所需要的应力。即材料的变形时所需要的应力。即材料的E E越越大，产生的弹性变形越小，刚度越大。大，产生的弹性变形越小，刚度越大。 E E值主要取决于材料的本性。值主要取决于材料的本性。 碳钢为碳钢为210 210 GPaGPa ，铝合金为，铝合金为70 70 GPa GPa = E = E e e通过改变横截面积来提高材料的刚度通过改变横截面积来提高材料的刚度2 2）、强度）、强度材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的抗力。材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的抗力。 有屈服强度和抗拉强度之分。有屈服强度

5、和抗拉强度之分。 螺栓的变形螺栓的变形与折断与折断齿轮轮齿的齿轮轮齿的折断折断okb Fss l () F() Fbe Fe 低碳钢的力低碳钢的力-伸长曲线伸长曲线a a. .屈服点、屈服强度：表征金属材料对产生明显屈服点、屈服强度：表征金属材料对产生明显 塑性变形的抗力。塑性变形的抗力。okb Fss l () F() Fbe Fe 低碳钢的力低碳钢的力-伸长曲线伸长曲线屈服点：屈服点：在在S S点附近，曲线点附近，曲线较为平坦，不需要进一步的较为平坦，不需要进一步的增大外力，便可以产生明显增大外力，便可以产生明显的塑性变形，该现象称为材的塑性变形，该现象称为材料的屈服现象；料的屈服现象；S

6、 S称为称为屈服强度屈服强度。0ssAF * *屈服点一般作为低碳钢、中碳钢、退火钢等较屈服点一般作为低碳钢、中碳钢、退火钢等较软的材料的强度指标，用以表明这类材料抗永久变软的材料的强度指标，用以表明这类材料抗永久变形的能力，它是设计和选材的重要依据之一。形的能力，它是设计和选材的重要依据之一。 选用原则：若不允许发生过量的塑性变形，以选用原则：若不允许发生过量的塑性变形，以屈服屈服强度强度S S 、0.20.2为依据；若零件在使用时只要求不发为依据；若零件在使用时只要求不发生破坏，以生破坏，以抗拉强度抗拉强度来设计。来设计。u某些较硬的材料，如铸铁、高碳钢某些较硬的材料，如铸铁、高碳钢以及合

7、金没有明显的屈服现象。通常以及合金没有明显的屈服现象。通常规定，试棒产生规定，试棒产生0.2%0.2%的塑性变形时的的塑性变形时的应力值作为这类材料的条件屈服点，应力值作为这类材料的条件屈服点，记为记为 。2 . 0 F lob.b.抗拉强度抗拉强度0bbAF 指材料在断裂前所能承指材料在断裂前所能承受的最大拉应力，记为受的最大拉应力，记为 。b FoesbeFsFbFl 3 3、塑性、塑性材料在外力作用下产生不可逆永久变形（塑性材料在外力作用下产生不可逆永久变形（塑性变形）而不断裂的能力。变形）而不断裂的能力。1 1）伸长率）伸长率2 2）断面收缩率）断面收缩率%100lll001 %100

8、AAA010 注意：注意：长试样长试样(l(l0 0=10d=10d0 0) )的伸长率写成的伸长率写成或或1010。短试样短试样( l( l0 0 =5d =5d0 0) )的伸长率须写成的伸长率须写成5 5。同一种材料同一种材料5 5，不同材料，不同材料值和值和5 5值不能直接比。值不能直接比。5%5%的材料称为塑性材料，的材料称为塑性材料，5%5%的材料称为脆性材料。的材料称为脆性材料。铸铁是典型的脆性材料，低碳钢是塑性最好的材料。铸铁是典型的脆性材料，低碳钢是塑性最好的材料。材料在材料在冲击载荷冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。作用下抵抗破坏的能力。通常用冲击韧性指标通常用冲击韧性指标a

9、aK K来度量。来度量。第二节第二节 冲击韧性冲击韧性冲击试验示意冲击试验示意 A A kU kU = m g= m g（h h h h） (J) (J)v冲击韧度指标冲击韧度指标就是试样缺口处单位截面积上所消就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。耗的冲击功。试样冲断时所消耗的冲击吸收功试样冲断时所消耗的冲击吸收功A A kUkU为为: :v冲击吸收功的大小与试冲击吸收功的大小与试验的温度有关。材料的验的温度有关。材料的韧脆转变温度越低，说韧脆转变温度越低，说明低温冲击性能越好。明低温冲击性能越好。v冲击吸收功的大小并不能真正反映材料的韧脆程冲击吸收功的大小并不能真正反映材料的韧脆程度，因

10、为其中有一部分功损失。度，因为其中有一部分功损失。 )cm/J(SA20kuk a a冲击韧度指标：冲击韧度指标：TITANIC建造中的建造中的Titanic 号号TITANIC的沉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）和和近代船用钢近代船用钢板（右图）板（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第三节第三节 疲劳强度疲劳强度1 1、疲劳断裂、疲劳断裂原因：原因：疲劳裂纹产生疲劳裂纹产生 扩展扩展 瞬时断裂的。瞬时断裂的。 特点：特点：断裂前无明显的断裂前无明显的塑性变形，断裂突塑性变形，断裂突然发生

11、；然发生；断裂时应力很低，断裂时应力很低，大多低于大多低于ss。2 2、疲劳强度、疲劳强度: :材料经无数次交变载荷作用而不断材料经无数次交变载荷作用而不断裂的最大应力值，用裂的最大应力值，用-1-1表示，单位为表示，单位为MPa.MPa.3 3、提高疲劳强度的途径、提高疲劳强度的途径: :1 1）在零件结构设计中尽量避免尖角，缺口和截面）在零件结构设计中尽量避免尖角，缺口和截面 突变，以免产生应力集中而由此产生疲劳裂纹；突变，以免产生应力集中而由此产生疲劳裂纹；2) 2) 提高零件表面加工质量，减少疲劳源；提高零件表面加工质量，减少疲劳源；3) 3) 采用各种表面强化处理，如表面淬火、喷丸等

12、。采用各种表面强化处理，如表面淬火、喷丸等。材料经过无限次应材料经过无限次应力循环不发生断裂的最力循环不发生断裂的最大应力。对应于疲劳曲大应力。对应于疲劳曲线上水平部分的应力值线上水平部分的应力值-1 。(1)(1)布氏硬度布氏硬度 HBHB 用载荷用载荷P P，将直径为将直径为D D的球体的球体压入被测材料的表面，保持一压入被测材料的表面，保持一定时间后卸去载荷，根据压痕定时间后卸去载荷，根据压痕面积面积S S确定硬度大小。确定硬度大小。1.1.测量原理测量原理第四节第四节 硬硬 度度硬度硬度: :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表面的能力。 常用压入法；

13、常用压入法； 三种：布氏、洛氏、维氏硬度三种：布氏、洛氏、维氏硬度齿轮因硬度不足而磨损齿轮因硬度不足而磨损2.2.测量过程测量过程 3.3.测定条件测定条件 压头为淬火钢球时压头为淬火钢球时, , 以以HBSHBS表示表示, ,可测可测 450 450的材料；的材料；压头为硬质合金时压头为硬质合金时, , 以以HBWHBW表示表示, ,可测可测650650的材料。的材料。压头直径有压头直径有1010、5 5、2.52.5、2 2、1 1mmmm五种。五种。4.4.表示方法表示方法 符号符号HBSHBS或或HBWHBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分

14、别表示球体直径字按顺序分别表示球体直径mmmm、载荷载荷Kgf Kgf （N N）及载）及载荷保持时间荷保持时间S S。 如如:120:120HBS10/1000/30HBS10/1000/30表示直径为表示直径为1010mmmm的钢球在的钢球在10001000kgfkgf（9.807kN9.807kN）载荷作用下保持载荷作用下保持3030s s测得的布氏测得的布氏硬度值为硬度值为120120。可直接写成。可直接写成120HBS120HBS。布氏硬度压痕面积大，测量准确，又因压痕大，布氏硬度压痕面积大，测量准确，又因压痕大，不宜测试薄件或成品件，主要测试铸铁、碳钢及不宜测试薄件或成品件，主要测

15、试铸铁、碳钢及退火、正火、和调质处理的钢材的硬度。退火、正火、和调质处理的钢材的硬度。测量不同材料需更换压头及改变试验力。测量不同材料需更换压头及改变试验力。另外：材料的另外：材料的 b b与与HBHB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 b(MPa)(MPa)3.6HB3.6HB 对于高碳钢：对于高碳钢： b b(MPa)(MPa)3.4HB3.4HB 对于灰铸铁：对于灰铸铁： b b(MPa)(MPa)1HB1HB 或或 b b(MPa)(MPa) 0.6(HB-40) 0.6(HB-40)(2)(2)洛氏硬度洛氏硬度 HR HR 002. 0hKHR 金刚石压

16、头(k=0.2)淬火钢压头(k=0.26)分类：分类：根据压头的材料及压头所加的负荷不同根据压头的材料及压头所加的负荷不同又可分为又可分为HRAHRA、HRBHRB、HRCHRC三种三种: :特点：特点：操作简便，可直接读出硬度值，压痕小，操作简便，可直接读出硬度值，压痕小，可用于成品件的测量，但测值重复性差。可用于成品件的测量，但测值重复性差。HRCHRC测定淬火钢的硬度测定淬火钢的硬度, ,应用最广。应用最广。表示方法：表示方法：5555HRCHRC表示表示C C标度测定的洛氏硬度值标度测定的洛氏硬度值为为5555，无单位。，无单位。 (3)维氏硬度维氏硬度HV表示方法：表示方法：640HV30/20,表示在表示在30kgf作用下保持作用下保持20 s，维氏