《机械工程材料与热加工》第一章_金属的力学性能

1、工程材料与热加工基础工程材料与热加工基础第一章 金属的力学性能机械工程系金工教研室 第一章第一章 金属的力学性能金属的力学性能 教学目标教学目标: 了解材料的主要力学性能指标：屈服强度、了解材料的主要力学性能指标：屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率、硬度、冲击韧抗拉强度、伸长率、断面收缩率、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性等力学性能及其测试原性、疲劳强度、断裂韧性等力学性能及其测试原理；理； 强调各种力学性能指标的生产实际意义；强调各种力学性能指标的生产实际意义； 了解工程材料的物理性能、化学性能及工艺了解工程材料的物理性能、化学性能及工艺性能。性能。金属的力学性能金属的力学性能定义定义

2、 : 金属材料的力学性能是指金属材料在不同金属材料的力学性能是指金属材料在不同环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。等）时所表现出的力学特征。 指标指标 : 弹性弹性 、刚度、强度、塑性、刚度、强度、塑性 、 硬度、冲击硬度、冲击韧性韧性 、断裂韧度和疲劳强度等。、断裂韧度和疲劳强度等。材料的其他性能材料的其他性能 物理性能：物理性能：密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等； 化学性能：化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等； 工艺性能：工艺

3、性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性、热处理工艺性等。 第一节第一节 强度和塑性强度和塑性 一、拉伸实验与拉伸曲线一、拉伸实验与拉伸曲线1.拉伸试样拉伸试样GB6397-86规定规定金属拉伸试样金属拉伸试样有：有：圆形、矩形、异型及全截面圆形、矩形、异型及全截面常用标准圆截面试样。常用标准圆截面试样。长试样：长试样：L0=10d0;短试样：短试样：L0=5d0拉伸试样拉伸试样第一节第一节 强度和塑性强度和塑性 2.拉伸过程拉伸过程拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象拉伸试验拉伸试验机机 op段：比例弹性变形阶段； pe段：非比例弹性变形阶段； 平台或锯齿（s段）：屈服阶段； sb段：

4、均匀塑性变形阶段，是强化阶段。 b点：形成了“缩颈”。 bk段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点断裂。 断裂总伸长为Of，其中塑形变形Og(试样断后测得的伸长)，弹性伸长gf。 l Fl bl ul Fbbk Fss o g fe Fep Fp3.拉伸曲线拉伸曲线4.应力与应变曲线应力与应变曲线 (1)应力应力 ：单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积S 0表示: F 载荷载荷( N ) = ( M pa ) S 0 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。这里用试样的伸长量除以试样的原始标距表示: l伸长量(mm ) = l 0原

5、始长度原始长度( mm) (3)应力应变曲线应力应变曲线（ - 曲线曲线）:形状和拉伸曲线相同，单位不同bse退火低碳钢低、中回火钢淬火钢及铸铁中碳调质钢 5.不同材料的拉伸曲线不同材料的拉伸曲线二、强度和刚度二、强度和刚度0SF2.刚度：刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。弹性模量：弹性下应力与应变的比值弹性模量：弹性下应力与应变的比值,表示材料抵表示材料抵抗弹性变形的能力。即：抗弹性变形的能力。即： E= / 材料的材料的E越大，刚度越大；越大，刚度越大； E对组织不敏感；对组织不敏感；零件的刚度主要决定于零件的刚度主要决定于E，也与形状、截面等有，也

6、与形状、截面等有关。关。E= / 1.弹性弹性:金属材料受外力作用时产生变金属材料受外力作用时产生变形形,当外力去掉后能恢复到原来形状及当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。尺寸的性能。弹性变形弹性变形: 随载荷撤除而消失的变形。随载荷撤除而消失的变形。 3.弹性极限弹性极限: Fe 弹性极限载荷弹性极限载荷( N ) e = ( M pa ) S0 试样原始横截面积试样原始横截面积( mm2)e e4.强度强度: 材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。种类种类: 抗拉强度、抗拉强度、 抗压强度、抗压强度、 抗弯强抗弯强 度度 、 抗剪强度抗剪

7、强度 、 抗扭强度等。抗扭强度等。 (1) 屈服点屈服点 与与屈服强度屈服强度: 产生明显塑性变形的最低应力值产生明显塑性变形的最低应力值. Fs s = ( M Pa ) S0试样屈服时的载荷试样屈服时的载荷( N )试样试样原始横截面积原始横截面积( mm2)s 屈服强度屈服强度( 塑性变形量为塑性变形量为0.2%，微量塑性变形，微量塑性变形) F0.2 0.2 = ( M Pa ) S 0 试样原始横截面试样原始横截面( mm2)试样产生试样产生0.2%残余塑性变残余塑性变 形时的载荷形时的载荷(N)0.2：试样产生残余塑性变形：试样产生残余塑性变形0.2%时的应力时的应力试样产生试样产

8、生0.2%残余塑性变形残余塑性变形 屈服点屈服点 s 、屈服强度、屈服强度0.2是零件设计的主要依据；是零件设计的主要依据；也是评定金属强度的重要指标之一。也是评定金属强度的重要指标之一。(2)抗拉强度：抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力。试样在断裂前所能承受的最大应力。它表示材料抵抗断裂的能力。它表示材料抵抗断裂的能力。是零件设计的重要依据；也是评定金属强度是零件设计的重要依据；也是评定金属强度的重要指标之一。的重要指标之一。 F b 试样断裂前的最大载荷试样断裂前的最大载荷(N) b = ( M Pa ) S 0 试样原始横截面积试样原始横截面积( mm2)bse三、塑性三、塑性:是

9、指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。 (1)断面收缩率断面收缩率: 是指试样拉断处横截面积的收缩是指试样拉断处横截面积的收缩量量 S与原始横截面积与原始横截面积S0之比。之比。(2)伸长率伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量是指试样拉断后的标距伸长量 L 与原与原始标距始标距L 0之比。之比。 S0 - S 1 = - 100% S0 l 1 - l0 = - 100% l0 10% 属塑性材料属塑性材料 思考思考:同一材料同一材料5 10？ l=l=l lu ub b= l/ll/l0 0= =l lu u/l/l0 0 + + l

10、 lb b/l/l0 0ubbseE塑性指标不直接用于计算，但任何零件都需要一定塑性。塑性指标不直接用于计算，但任何零件都需要一定塑性。防止过载断裂；塑性变形可以缓解应力集中、削减应力峰值。防止过载断裂；塑性变形可以缓解应力集中、削减应力峰值。练习题一练习题一 拉力试样的原标距长度为50mm，直径为10mm，经拉力试验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为71mm，颈缩区的最小直径为4.9mm，试求该材料的伸长率和断面收缩率的值？ 解： =（71-50）/50 x100%=42% S0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2) S1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm

11、2) =(S0-S1)/S0 x100%=24%练习题二练习题二某工厂买回一批材料（要求：s230MPa；b410MPa；523%；50%）做短试样（0=50；0=10mm）拉伸试验，结果如下：Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;问买回的材料合格吗？解： 根据试验结果计算如下：sFss(19x1000)/(3.14x52 )=242 230MPa b Fb s(34.5x1000)/(3.14x52 )=439.5 410MPa 5 l l 0 x100% (63.1-50)/50 x100%=26.2% 23% S S 0 x100% 60.31% 50

12、%材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格。第二节第二节 硬硬 度度布氏硬度布氏硬度HB 洛氏硬度洛氏硬度HR 维氏硬度维氏硬度HV锉刀法锉刀法五五.硬度硬度( hardness ):是指是指材料抵抗其他硬物体压材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力入其表面的能力常用测量硬度的方法常用测量硬度的方法(1)布氏硬度布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )布氏硬度计布氏硬度计 (1)布氏硬度布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )适用范围适用范围:v 450HBS;v 650HBW;(1)布氏硬度布氏硬度 HB ( Brinell-hardness ) 符号符号HBS或

13、或HBW之前的数字表示硬度之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。直径、载荷及载荷保持时间。如如: :120HBS10/1000/30表示表示直径为直径为10mm的的钢球钢球在在1000kgf（9.807kN）载荷载荷作用下作用下保保持持30s测得的测得的布氏硬度值为布氏硬度值为120。(2)洛氏硬度洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness )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10HRCHBS(3)维氏硬度维氏硬度 HV ( diamond penetrator hardne

14、ss )适用范围适用范围: 测量薄板类测量薄板类 ; HVHBS ;(5) 锉刀法锉刀法: 一组硬度差为一组硬度差为5HRC的锉刀。的锉刀。例如例如:10HRC、15HRC、20HRC等。等。六六.冲击韧性冲击韧性( notch toughness ): 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。的能力。冲击试验机冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图冲击试样和冲击试验示意图试样冲断时所消耗的试样冲断时所消耗的冲击功冲击功A k为为: A k = m g H m g h (J) 冲击韧性值冲击韧性值a k 就是试样缺口处单位就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。截面积上所消耗的冲击功。 AK a k = (J/cm) S0七七.疲劳强度疲劳强度( fatigue strength ): 表示材料经无数次交变载荷作表示材料经无数次交变载荷作 用而不致引起断裂的最大应力值。用而不致引起断裂的最大应力值。钢材的循环次数钢材的循环次数一般取一般取 N = 107有色金属的循环次数有色金属的循环次数一般取一般取 N = 108钢材的钢材的疲劳强度疲劳强度与与抗拉强度抗拉强度之间的关系之间的关系: -1 = (0.45 (0.450.55)0.55) b19