机械工程材料基础课件

1、项目一项目一 材料性能的认识材料性能的认识1.1 材料的力学性能材料的力学性能1.2 材料的其他性能材料的其他性能1.1 材料的力学性能材料的力学性能1.1.1强度与塑性强度与塑性1.强度强度 强度是指金属在静载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。强度是指金属在静载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。 材料强度可以通过拉伸试验来测得，拉伸试验是在拉伸试材料强度可以通过拉伸试验来测得，拉伸试验是在拉伸试验机验机(图图1-1)上进行的。试验之前，先将被测金属材料制成上进行的。试验之前，先将被测金属材料制成图图1-2所示的标准试样所示的标准试样(参见参见GB6397-1986金属拉伸试验试金属拉伸试验试

2、样样)，图中，图中.d0为试样原始直径，为试样原始直径，L0为试样原始标距长度。按为试样原始标距长度。按照照GB 6397-1986金属拉伸试验试样金属拉伸试验试样规定规定:试样分为长试样分为长试样和短试样，对圆形拉伸试样，长试样试样和短试样，对圆形拉伸试样，长试样L0 = 10d0 ;短试短试样样L=5d0.下一页返回1.1 材料的力学性能材料的力学性能试验时，将试样装夹在试验机上，且在试样两端缓慢地施加轴试验时，将试样装夹在试验机上，且在试样两端缓慢地施加轴向拉伸载荷，使试样承受轴向静拉力。随着载荷不断增加，试向拉伸载荷，使试样承受轴向静拉力。随着载荷不断增加，试样被逐步拉长，直到拉断。在

3、拉伸过程中，试验机将自动记录样被逐步拉长，直到拉断。在拉伸过程中，试验机将自动记录每一瞬间的载荷每一瞬间的载荷F与伸长量与伸长量L的变化曲线，通常把这种曲线称的变化曲线，通常把这种曲线称为拉伸曲线。为拉伸曲线。图图1-3为退火低碳钢的拉伸曲线。为退火低碳钢的拉伸曲线。 观察拉伸试验和拉伸曲线，会发现在拉伸试验的开始阶段，观察拉伸试验和拉伸曲线，会发现在拉伸试验的开始阶段，试样的伸长量试样的伸长量 L与拉伸力与拉伸力F呈正比例关系，在拉伸曲线图中呈正比例关系，在拉伸曲线图中为斜线段为斜线段OE。在该阶段，当载荷增加时试样的伸长量。在该阶段，当载荷增加时试样的伸长量 L呈呈正比增加。当载荷去除后，

4、试样能完全恢复到原来的形状和尺正比增加。当载荷去除后，试样能完全恢复到原来的形状和尺寸，此时试样处于弹性变形阶段。图中寸，此时试样处于弹性变形阶段。图中Fe是试样保持弹性变形是试样保持弹性变形的最大载荷。的最大载荷。上一页 下一页返回1.1 材料的力学性能材料的力学性能当载荷超过当载荷超过Fe后，试样除产生弹性变形外，还将产生微量的塑后，试样除产生弹性变形外，还将产生微量的塑性变形性变形;当载荷继续增加到当载荷继续增加到Fs时，拉伸曲线在时，拉伸曲线在S点后出现一个平点后出现一个平台，即在载荷不增加的情况下，试样也会有明显伸长，这种现台，即在载荷不增加的情况下，试样也会有明显伸长，这种现象称为

5、象称为“屈服屈服”，Fs称为屈服载荷。当载荷超过屈服载荷后，称为屈服载荷。当载荷超过屈服载荷后，试样抵抗变形的能力将会增加，此为冷变形强化现象。在拉伸试样抵抗变形的能力将会增加，此为冷变形强化现象。在拉伸曲线上表现为一段上升曲线。即随着塑性变形量的增大，试样曲线上表现为一段上升曲线。即随着塑性变形量的增大，试样变形抗力也逐渐增大。变形抗力也逐渐增大。 当载荷达到当载荷达到Fb。时，试样的局部截面开始收缩，产生。时，试样的局部截面开始收缩，产生“缩缩颈颈”现象。由于缩颈使试样的变形局限在缩颈部分，故此处承现象。由于缩颈使试样的变形局限在缩颈部分，故此处承受的载荷迅速减小，直至试样被拉断。受的载荷

6、迅速减小，直至试样被拉断。Fb。是试样被拉断前能。是试样被拉断前能承受的最大载荷，称为极限载荷。承受的最大载荷，称为极限载荷。上一页 下一页返回1.1 材料的力学性能材料的力学性能 从该曲线上可以看出，试样从开始拉伸到断裂要经过弹性从该曲线上可以看出，试样从开始拉伸到断裂要经过弹性变形阶段、屈服阶段、冷变形强化阶段、缩颈与断裂阶段。变形阶段、屈服阶段、冷变形强化阶段、缩颈与断裂阶段。 强度指标强度指标:金属材料的强度是用应力来表示的，即材料受载金属材料的强度是用应力来表示的，即材料受载荷作用后内部产生一个与载荷相平衡的内力，单位面积上的内荷作用后内部产生一个与载荷相平衡的内力，单位面积上的内力

7、称为应力，一般用力称为应力，一般用表示。常用的强度指标有弹性极限、屈表示。常用的强度指标有弹性极限、屈服点和抗拉强度。服点和抗拉强度。 弹性极限。弹性极限是指试样产生完全弹性变形时所能弹性极限。弹性极限是指试样产生完全弹性变形时所能承受的最大应力，用符号承受的最大应力，用符号e表示，工程上常用单位为表示，工程上常用单位为MPa。弹性极限的值可按下式计算弹性极限的值可按下式计算 (1-1）上一页 下一页返回1.1 材料的力学性能材料的力学性能式中，式中，Fe 试样产生完全弹性变形时的最大载荷，试样产生完全弹性变形时的最大载荷，N; A0 试样原始横截面面积，试样原始横截面面积，mm2 。 屈服极

8、限。屈服极限是指试样在拉伸试验过程中，力不增屈服极限。屈服极限是指试样在拉伸试验过程中，力不增加加(保持恒定保持恒定)仍然能继续伸长仍然能继续伸长(变形变形)时的应力。屈服极限是工时的应力。屈服极限是工程技术上极为重要的力学性能指标之一，也是大多数机械零件程技术上极为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。屈服极限用符号选材和设计的依据。屈服极限用符号s表示，单位为表示，单位为MPa。屈服点屈服点 s的值可用下式计算的值可用下式计算 (1-2)式中，式中，Fs 试样屈服时的载荷。试样屈服时的载荷。N; A0试样原始横截面积，试样原始横截面积， mm2 。上一页 下一页返回1

9、.1 材料的力学性能材料的力学性能工业上使用的一些金属材料，如高碳钢、铸铁等，在进行拉伸工业上使用的一些金属材料，如高碳钢、铸铁等，在进行拉伸试验时没有明显的屈服现象，也不会产生缩颈现象，这就无法试验时没有明显的屈服现象，也不会产生缩颈现象，这就无法确定确定 s。因此，。因此，GB 1063-1989规定，试样去除拉伸载荷规定，试样去除拉伸载荷后，其标距部分的残余伸长量达到原始标距长度后，其标距部分的残余伸长量达到原始标距长度0. 2 %时的时的应力，为该材料的屈服强度，用符号应力，为该材料的屈服强度，用符号 0.2%表示。表示。 抗拉强度。抗拉强度是指试样拉断前所能承受的最大拉抗拉强度。抗拉

10、强度是指试样拉断前所能承受的最大拉应力，用符号应力，用符号b表示，单位为表示，单位为MPa. 可用下式计算可用下式计算 (1-3)式中，式中，Fb试样承受的最大拉伸力，试样承受的最大拉伸力，N; A0试样原始横截面面积，试样原始横截面面积， mm2 。上一页 下一页返回1.1 材料的力学性能材料的力学性能b是金属由均匀塑性变形向局部集中塑性变形过渡的临界值，是金属由均匀塑性变形向局部集中塑性变形过渡的临界值，也是金属在静拉伸条件下的最大承载能力。对于塑性金属来说，也是金属在静拉伸条件下的最大承载能力。对于塑性金属来说，拉伸试样在承受最大拉应力拉伸试样在承受最大拉应力b之前，变形是均匀一致的，但

11、超之前，变形是均匀一致的，但超过过b后，金属开始出现缩颈现象，即产生集中变形。后，金属开始出现缩颈现象，即产生集中变形。2.塑性及其指标塑性及其指标塑性是指金属在静载荷作用下发生不可逆变形的能力。金属材塑性是指金属在静载荷作用下发生不可逆变形的能力。金属材料的塑性指标也是可以通过拉伸试验测得的。材料的塑性指标料的塑性指标也是可以通过拉伸试验测得的。材料的塑性指标可以用试样拉断时的最大相对变形量来表示，常用的有断后伸可以用试样拉断时的最大相对变形量来表示，常用的有断后伸长率和断面收缩率，它们是工程上广泛使用的表征材料塑性好长率和断面收缩率，它们是工程上广泛使用的表征材料塑性好坏的主要力学性能指标

12、。坏的主要力学性能指标。上一页 下一页返回1.1 材料的力学性能材料的力学性能(1)断后伸长率。断后伸长率是试样拉断后的标距增长量与原断后伸长率。断后伸长率是试样拉断后的标距增长量与原始标距之比，用符号始标距之比，用符号表示，可用下式计算表示，可用下式计算 （1-4）式中，式中，L1拉断后试样的标距长度，拉断后试样的标距长度，mm ; L0试样原始标距，试样原始标距，mm.(2)断面收缩率。断面收缩率是指试样拉断后缩颈处横截面面断面收缩率。断面收缩率是指试样拉断后缩颈处横截面面积的缩减量与原始横截面面积之比，用符号积的缩减量与原始横截面面积之比，用符号 表示，可用下表示，可用下式计算式计算 （

13、1-5）上一页 下一页返回1.1 材料的力学性能材料的力学性能式中，式中，A0试样原始横截面面积，试样原始横截面面积，mm; A1试样断口处的横截面面积，试样断口处的横截面面积，mm.虽然材料的塑性指标通常不直接用于工程设计计算，但材料的虽然材料的塑性指标通常不直接用于工程设计计算，但材料的塑性对零件的加工和使用都具有重要的实际意义。塑性好的材塑性对零件的加工和使用都具有重要的实际意义。塑性好的材料不仅能顺利地进行锻压、轧制等成形加工，而且在使用时万料不仅能顺利地进行锻压、轧制等成形加工，而且在使用时万一超载，由于能发生一定的塑性变形而不至于突然断裂，提高一超载，由于能发生一定的塑性变形而不至

14、于突然断裂，提高了工作的安全性。所以大多数机械零件除要求具有较高的强度了工作的安全性。所以大多数机械零件除要求具有较高的强度外，还必须具有一定的塑性。外，还必须具有一定的塑性。上一页 下一页返回1.1 材料的力学性能材料的力学性能1.1.2硬度硬度 材料局部抵抗硬物压入其表面材料局部抵抗硬物压入其表面(抵抗塑性变形和破裂抵抗塑性变形和破裂)的能的能力称为硬度。它是衡量金属软硬程度的一种性能指标。材料的力称为硬度。它是衡量金属软硬程度的一种性能指标。材料的硬度可通过硬度试验测得，根据其测试方法的不同，硬度试验硬度可通过硬度试验测得，根据其测试方法的不同，硬度试验可分为静压法可分为静压法(如布氏硬

15、度、洛氏硬度、维氏硬度等如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等)、划痕法、划痕法(如莫氏硬度如莫氏硬度)、回跳法、回跳法(如肖氏硬度如肖氏硬度)及显微硬度、高温硬度等及显微硬度、高温硬度等多种方法。对于金属材料的测量目前生产中应用较多的是布氏多种方法。对于金属材料的测量目前生产中应用较多的是布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等试验方法。硬度、洛氏硬度和维氏硬度等试验方法。1.布氏硬度布氏硬度上一页 下一页返回1.1 材料的力学性能材料的力学性能布氏硬度的试验原理是用一定直径布氏硬度的试验原理是用一定直径D的淬火钢球或硬质合金球，的淬火钢球或硬质合金球，在规定的试验载荷在规定的试验载荷F的作用下压入被测金属

16、表面的作用下压入被测金属表面(如如图图1-4所示所示)，停留一定的时间后卸除载荷，在被测金属表面上得到一直径为停留一定的时间后卸除载荷，在被测金属表面上得到一直径为d的压痕，测量压痕直径的压痕，测量压痕直径d，并由此计算压痕的球缺面积，并由此计算压痕的球缺面积S，然后，然后再求出压痕的单位面积上所承受的平均压力，以此作为被测金属再求出压痕的单位面积上所承受的平均压力，以此作为被测金属的布氏硬度值。当选择淬火钢球为压头时，硬度的符号为的布氏硬度值。当选择淬火钢球为压头时，硬度的符号为HBS，适用于布氏硬度值低于适用于布氏硬度值低于450的金属材料的金属材料;当选择硬质合金球为压当选择硬质合金球为

17、压头时，硬度的符号为头时，硬度的符号为HBW表示，适用于布氏硬度值为表示，适用于布氏硬度值为450 -650的金属材料。的金属材料。图图1-5为为HB- 3000布氏硬度试验机。布氏布氏硬度试验机。布氏硬度值可用下式计算硬度值可用下式计算 (1-6)上一页 下一页返回1.1 材料的力学性能材料的力学性能式中，式中，F载荷，载荷，N ( kgf) ; D压头的直径，压头的直径，mm ; d被测金属的压痕直径，被测金属的压痕直径，mm. 由于金属有硬有软，工件有厚有薄，在进行布氏硬度试验时，由于金属有硬有软，工件有厚有薄，在进行布氏硬度试验时，压头直径压头直径D、载荷和载荷的保持时间应根据被测金属

18、种类和厚、载荷和载荷的保持时间应根据被测金属种类和厚度正确地进行选择。按度正确地进行选择。按(GB 231-1984规定，压头直径有规定，压头直径有10 mm , 5 mm , 2. 5 mm , 2 mm和和1 mm共共5种，载荷与种，载荷与压头直径平方的比值压头直径平方的比值(F/D2)有有30 mm、15 mm、10 mm、5 mm、2. 5 mm , 1. 25 mm和和1 mm共共7种，可根据金种，可根据金属材料的种类和布氏硬度范围，按属材料的种类和布氏硬度范围，按表表1-1选定选定F/D2的值的值;黑色黑色金属的载荷保持时间为金属的载荷保持时间为10-15 s，有色金属的为，有色金

19、属的为30 s，布氏，布氏硬度值小于硬度值小于35时载荷保持时间为时载荷保持时间为60 s .上一页 下一页返回1.1 材料的力学性能材料的力学性能布氏硬度的标注方法是所测得的硬度值写在硬度符号的前面。布氏硬度的标注方法是所测得的硬度值写在硬度符号的前面。除了采用钢球直径除了采用钢球直径D为为10 mm ,试验力为试验力为3 000 kgf(注注:1 kgf = 9. 806 N，保持时间为，保持时间为10s的试验条件外，在其他试的试验条件外，在其他试验条件下测得的硬度值，均应在硬度符号的后面用相应的数字验条件下测得的硬度值，均应在硬度符号的后面用相应的数字注明压头直径、载荷大小和载荷保持时间

20、。例如注明压头直径、载荷大小和载荷保持时间。例如,150HBS10 /1000/30表示表示:用直径为用直径为10 mm的淬火钢球，在的淬火钢球，在1 000 kgf载荷作用下保持载荷作用下保持30 s，测得的布氏硬度值为，测得的布氏硬度值为 150; S500HBWS/750表示表示:用直径为用直径为5 mm的硬质合金球的硬质合金球750 kgf载荷作用下保持载荷作用下保持10-15s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为500。试验。试验力保持时间为力保持时间为10-15s时不需要标注。时不需要标注。 上一页 下一页返回1.1 材料的力学性能材料的力学性能布氏硬度的特点是试验时金属表面压痕大

21、，能客观地反映被测金布氏硬度的特点是试验时金属表面压痕大，能客观地反映被测金属的平均硬度，试验结果较准确，数据重复性强。但由于其压痕属的平均硬度，试验结果较准确，数据重复性强。但由于其压痕大，不宜测量成品或薄片金属的硬度。大，不宜测量成品或薄片金属的硬度。2.洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度试验法是用一个锥角为洛氏硬度试验法是用一个锥角为120o。的金刚石圆锥体或直径。的金刚石圆锥体或直径为为1. 588 mm的淬火钢球，在规定载荷作用下压入被测金属表的淬火钢球，在规定载荷作用下压入被测金属表面，由压头在金属表面所形成的压痕的深度来确定其硬度值。面，由压头在金属表面所形成的压痕的深度来确定其硬度值。如

22、如图图1-6表示金刚石圆锥压头的洛氏硬度试验原理。图中，表示金刚石圆锥压头的洛氏硬度试验原理。图中，0-0为金刚石压头初始位置，为金刚石压头初始位置，1-1为在初载荷为在初载荷98. 07 N作用下，压作用下，压头压入深度为头压入深度为h0。时的位置，加初载荷的目的是使压头与试样。时的位置，加初载荷的目的是使压头与试样表面紧密接触，表面紧密接触，上一页 下一页返回1.1 材料的力学性能材料的力学性能避免由于试样表面不平整而影响试验结果的精确性避免由于试样表面不平整而影响试验结果的精确性;2-2为在总为在总载荷载荷(初载荷初载荷+主载荷主载荷)作用下，压头压入深度为作用下，压头压入深度为h1，时

23、的位，时的位置置;3-3为卸除主载荷后由于被测金属弹性变形恢复，使压头略为卸除主载荷后由于被测金属弹性变形恢复，使压头略为提高的位置。这时由主载荷引起的塑性变形而产生的压痕深为提高的位置。这时由主载荷引起的塑性变形而产生的压痕深度为。，称为残余压痕深度增量，以此来衡量被测金属的硬度。度为。，称为残余压痕深度增量，以此来衡量被测金属的硬度。显然，显然，e值越大时，被测金属的硬度越低值越大时，被测金属的硬度越低;反之则越高。为了照反之则越高。为了照顾习惯上数值越大，硬度越高的概念，故采用一个常数顾习惯上数值越大，硬度越高的概念，故采用一个常数k减去减去e来表示硬度的大小，并用来表示硬度的大小，并用

24、0. 002 mm的压痕深度为一个硬的压痕深度为一个硬度单位，由此获得的硬度值称为洛氏硬度值，用符号度单位，由此获得的硬度值称为洛氏硬度值，用符号HR表示。表示。即即 （1-7）上一页 下一页返回1.1 材料的力学性能材料的力学性能式中，式中，k为常数，用金刚石圆锥体作压头时，为常数，用金刚石圆锥体作压头时，k = 0. 2 mm;用钢球作压头时，用钢球作压头时，k=0. 26 mm. 为了能用同一硬度计测量从极软到极硬材料的硬度，可采为了能用同一硬度计测量从极软到极硬材料的硬度，可采用不同的压头和载荷，组成几种不同的洛氏硬度标尺，其中常用不同的压头和载荷，组成几种不同的洛氏硬度标尺，其中常用

25、的是用的是A, B, C三种标尺。三种标尺。表表1-2为这三种标尺的试验条件和为这三种标尺的试验条件和应用范围，应用范围，图图1-7为洛氏硬度试验机。为洛氏硬度试验机。洛氏硬度值是量纲为洛氏硬度值是量纲为1的，根据的，根据GB/T 230-1991规定，硬规定，硬度数值写在符号度数值写在符号HR的前面，的前面，HR后面为使用的标尺，如后面为使用的标尺，如50HRC表示用表示用“C”标尺测定的洛氏硬度值为标尺测定的洛氏硬度值为50。在试验时，。在试验时，硬度值一般均由硬度计的刻度盘上直接读出。硬度值一般均由硬度计的刻度盘上直接读出。上一页 下一页返回1.1 材料的力学性能材料的力学性能洛氏硬度试

26、验是生产中广泛应用的一种硬度试验。其特点是洛氏硬度试验是生产中广泛应用的一种硬度试验。其特点是:硬度试验压痕小，对试样表面损伤小，常用来直接检验成品或硬度试验压痕小，对试样表面损伤小，常用来直接检验成品或半成品的硬度半成品的硬度;试验操作迅速简便，可以直接从试验机上读出试验操作迅速简便，可以直接从试验机上读出硬度值。当采用不同标尺时，可测量出从极软到极硬材料的硬硬度值。当采用不同标尺时，可测量出从极软到极硬材料的硬度。其缺点是由于压痕小，对内部组织和硬度不均匀的材料，度。其缺点是由于压痕小，对内部组织和硬度不均匀的材料，所测结果不够准确。因此，在测试洛氏硬度时在被测金属的不所测结果不够准确。因

27、此，在测试洛氏硬度时在被测金属的不同位置的三点测出硬度值，再计算其平均值。洛氏硬度各标尺同位置的三点测出硬度值，再计算其平均值。洛氏硬度各标尺之间没有直接的对应关系。之间没有直接的对应关系。3.维氏硬度维氏硬度布氏硬度试验不能测定硬度较高的金属材料布氏硬度试验不能测定硬度较高的金属材料;洛氏硬度试验虽洛氏硬度试验虽可用来测定由极软到极硬金属材料的硬度，但不同标尺的硬度可用来测定由极软到极硬金属材料的硬度，但不同标尺的硬度间没有简单的换算关系，使用上很不方便。间没有简单的换算关系，使用上很不方便。上一页 下一页返回1.1 材料的力学性能材料的力学性能 为了能在同一种硬度标尺上，测定从极软到极硬金

28、属材料的硬为了能在同一种硬度标尺上，测定从极软到极硬金属材料的硬度值，因而特制定了维氏硬度试验法。度值，因而特制定了维氏硬度试验法。 维氏硬度的试验原理与布氏硬度基本相似，如维氏硬度的试验原理与布氏硬度基本相似，如图图1 -8所示所示为维氏硬度试验原理图，它是用一个相对面夹角为为维氏硬度试验原理图，它是用一个相对面夹角为136o。的。的金刚石正四棱锥体作压头，以规定的载荷金刚石正四棱锥体作压头，以规定的载荷F作用下压入被测金作用下压入被测金属表面，保持一定时间后卸除载荷，则被测金属表面上压出一属表面，保持一定时间后卸除载荷，则被测金属表面上压出一个正四棱锥形的压痕，测量压痕投影的两对角线的平均

29、长度个正四棱锥形的压痕，测量压痕投影的两对角线的平均长度d，进而计算出压痕的表面面积进而计算出压痕的表面面积A。最后求出压痕单位表面面积上。最后求出压痕单位表面面积上承受的平均压力，以此作为被测金属的硬度值，称为维氏硬度，承受的平均压力，以此作为被测金属的硬度值，称为维氏硬度，用符号用符号HV表示。即表示。即上一页 下一页返回1.1 材料的力学性能材料的力学性能 （1-8）式中，式中，F载荷，载荷，kgf; d压痕两条对角线长度算术平均值，压痕两条对角线长度算术平均值，mm. 与布氏硬度一样，习惯上也只写出硬度数值而不标出单位。与布氏硬度一样，习惯上也只写出硬度数值而不标出单位。在硬度符号在硬

30、度符号HV之前的数字为硬度值，之前的数字为硬度值，HV后面的数值依次表示后面的数值依次表示载荷和载荷保持的时间（保持时间为载荷和载荷保持的时间（保持时间为10 -15 s时不标注。）时不标注。）如如:640 HV30表示在表示在30 k戴载荷作用下，保持戴载荷作用下，保持10-15s测得测得的维氏硬度值为的维氏硬度值为640; 620 HV30/20表示在表示在30 kgf载荷作载荷作用下，保持用下，保持20 s测得的维氏硬度值为测得的维氏硬度值为620。上一页 下一页返回1.1 材料的力学性能材料的力学性能维氏硬度适用范围宽，从极软到极硬的材料都可以测量。尤其维氏硬度适用范围宽，从极软到极硬

31、的材料都可以测量。尤其适用于零件表面层硬度的测量，如化学热处理的渗层硬度测量，适用于零件表面层硬度的测量，如化学热处理的渗层硬度测量，其结果精确可靠。但测取维氏硬度值时需要测量对角线长度，其结果精确可靠。但测取维氏硬度值时需要测量对角线长度，然后查表或计算，而且对试样表面的质量要求高，所以，测量然后查表或计算，而且对试样表面的质量要求高，所以，测量效率较低，没有洛氏硬度方便，不适用于成批生产的常规试验。效率较低，没有洛氏硬度方便，不适用于成批生产的常规试验。 硬度试验所用的设备简单，操作迅速方便，它不需要做成硬度试验所用的设备简单，操作迅速方便，它不需要做成专门的试样，可直接在半成品或成品上直

32、接测定硬度，又不损专门的试样，可直接在半成品或成品上直接测定硬度，又不损坏被测工件，并且可根据硬度值估计出材料的近似强度和耐磨坏被测工件，并且可根据硬度值估计出材料的近似强度和耐磨性。硬度在一定程度上反映了材料的综合力学性能，因此在生性。硬度在一定程度上反映了材料的综合力学性能，因此在生产中应用很广。在产品设计图样的技术条件中，硬度是一项主产中应用很广。在产品设计图样的技术条件中，硬度是一项主要技术指标。要技术指标。上一页 下一页返回1.1 材料的力学性能材料的力学性能1.1.3 冲击韧性冲击韧性1.冲击吸收功冲击吸收功 在很短的时间内在很短的时间内(或突然或突然)施加在构件上的载荷称为冲击载

33、荷。施加在构件上的载荷称为冲击载荷。许多机械零件和工具在工作时承受冲击载荷的作用，如冲床的冲许多机械零件和工具在工作时承受冲击载荷的作用，如冲床的冲头、锻锤的锤杆、变速齿轮等。对这类零件，不仅要满足在静力头、锻锤的锤杆、变速齿轮等。对这类零件，不仅要满足在静力作用下的强度、塑性、硬度等性能判据，作用下的强度、塑性、硬度等性能判据，还必须具有足够抵抗冲击载荷的能力。还必须具有足够抵抗冲击载荷的能力。 金属材料在冲击载荷的作用下，抵抗破坏的能力叫做冲击韧金属材料在冲击载荷的作用下，抵抗破坏的能力叫做冲击韧性。为了评定金属材料的冲击韧性，需进行一次冲击试验。一次性。为了评定金属材料的冲击韧性，需进行

34、一次冲击试验。一次冲击试验通常是在摆锤式冲击试验机上进行的，按冲击试验通常是在摆锤式冲击试验机上进行的，按GB/T 229-1994规定，被测金属须制成标准冲击试样，如规定，被测金属须制成标准冲击试样，如图图1-9所示。所示。上一页 下一页返回1.1 材料的力学性能材料的力学性能试验时将试样放在试验机两支座试验时将试样放在试验机两支座1处，将一个重量为处，将一个重量为mg的摆的摆锤自高度锤自高度h，自由落下，冲断试样后摆锤升高到，自由落下，冲断试样后摆锤升高到h2高度高度(如如图图1 -10所示所示)。则摆锤冲断试样所消耗的能量，即为试样在冲击。则摆锤冲断试样所消耗的能量，即为试样在冲击力一次

35、作用下拆断时所吸收的功，称为冲击功，用符号力一次作用下拆断时所吸收的功，称为冲击功，用符号A、表、表示。即示。即 （1-9）根据两种试样缺口形状不同，冲击功分别用根据两种试样缺口形状不同，冲击功分别用AKU和和AKV表示，表示，单位为焦耳单位为焦耳(J)。冲击功不需计算，可由冲击试验机的刻度盘。冲击功不需计算，可由冲击试验机的刻度盘上直接读出。试样缺口处单位横截面面积上直接读出。试样缺口处单位横截面面积A上的冲击功，称为上的冲击功，称为冲击韧度，用符号冲击韧度，用符号aK表示，单位为表示，单位为J/cm2. （1-10）上一页 下一页返回1.1 材料的力学性能材料的力学性能式中，式中，A试样缺

36、口处横截面积，试样缺口处横截面积，cm2。冲击功冲击功AK越大，材料的韧性越好。一般把冲击功低的金属材料越大，材料的韧性越好。一般把冲击功低的金属材料称为脆性材料。脆性材料在断裂前无明显的塑性变形，断口较称为脆性材料。脆性材料在断裂前无明显的塑性变形，断口较平整、呈晶状或瓷状，有金属光泽平整、呈晶状或瓷状，有金属光泽;韧性材料在断裂前有明显韧性材料在断裂前有明显的塑性变形，断口呈纤维状，无光泽。的塑性变形，断口呈纤维状，无光泽。冲击功冲击功AK的大小与试验的温度有关。有些材料在室温的大小与试验的温度有关。有些材料在室温(20oC:)左右试验时不显示脆性，而在较低温度下可能发生脆性断裂，左右试验

37、时不显示脆性，而在较低温度下可能发生脆性断裂，从从图图1-11可以看出，在某一温度处，冲击功急剧降低，金属可以看出，在某一温度处，冲击功急剧降低，金属材料由韧性断裂转变为脆性断裂，这一温度区域称为韧脆转变材料由韧性断裂转变为脆性断裂，这一温度区域称为韧脆转变温度。材料的韧脆转变温度越低，材料的低温抗冲击性能越好。温度。材料的韧脆转变温度越低，材料的低温抗冲击性能越好。上一页 下一页返回1.1 材料的力学性能材料的力学性能 冲击功还与试样形状、尺寸、表面粗糙度、内部组织和缺冲击功还与试样形状、尺寸、表面粗糙度、内部组织和缺陷有关。因此，冲击功一般作为选材的参考，而不能直接用于陷有关。因此，冲击功

38、一般作为选材的参考，而不能直接用于强度计算。应当指出，冲击试验时，冲击功中只有一部分消耗强度计算。应当指出，冲击试验时，冲击功中只有一部分消耗在断开试样的缺口截面上，而其余部分则消耗在冲断试样前，在断开试样的缺口截面上，而其余部分则消耗在冲断试样前，缺口附近体积内的塑性变形上。因此，冲击韧度不能真正代表缺口附近体积内的塑性变形上。因此，冲击韧度不能真正代表材料的韧性，而冲击功材料的韧性，而冲击功AK作为材料韧性的判据指标更为适宜。作为材料韧性的判据指标更为适宜。国家标准现已规定采用冲击功国家标准现已规定采用冲击功AK作为韧性判据指标。作为韧性判据指标。2.小能量多次冲击试验小能量多次冲击试验实

39、践表明，承受冲击载荷的机械零件，很少因一次大能量冲击实践表明，承受冲击载荷的机械零件，很少因一次大能量冲击而遭破坏，绝大多数是在一次冲击不足以使零件破坏的小能量而遭破坏，绝大多数是在一次冲击不足以使零件破坏的小能量多次冲击作用下而破坏的，如凿岩机风镐上的活塞、冲模的冲多次冲击作用下而破坏的，如凿岩机风镐上的活塞、冲模的冲头等。头等。上一页 下一页返回1.1 材料的力学性能材料的力学性能 这些零件的破坏是由于多次冲击损伤的积累，导致裂纹产生这些零件的破坏是由于多次冲击损伤的积累，导致裂纹产生与扩展的结果，根本不同于一次冲击的破坏过程。对于这样的与扩展的结果，根本不同于一次冲击的破坏过程。对于这样

40、的零件，用冲击韧度来作为设计依据显然是不符合实际的。零件，用冲击韧度来作为设计依据显然是不符合实际的。 实践表明，一次冲击韧度高的材料，小能量多次冲击抗力不一实践表明，一次冲击韧度高的材料，小能量多次冲击抗力不一定高，反之也一样。如大功率柴油机曲轴是用孕育铸铁制成的，定高，反之也一样。如大功率柴油机曲轴是用孕育铸铁制成的，它的冲击韧度接近于零，而在长期使用中却未发生断裂。因此，它的冲击韧度接近于零，而在长期使用中却未发生断裂。因此，需要采用小能量多次冲击试验来检验这类金属的抗冲击性能。需要采用小能量多次冲击试验来检验这类金属的抗冲击性能。 小能量多次冲击测试的原理图如小能量多次冲击测试的原理图

41、如图图1-12所示。试样在冲头多所示。试样在冲头多次冲击下断裂时，经受的冲击次数次冲击下断裂时，经受的冲击次数N代表金属的抗冲击能力。实代表金属的抗冲击能力。实践证明，金属材料受大能量的冲击载荷作用时，其冲击抗力主践证明，金属材料受大能量的冲击载荷作用时，其冲击抗力主要取决于冲击韧度的大小，而在小能量多次冲击条件下，其冲要取决于冲击韧度的大小，而在小能量多次冲击条件下，其冲击抗力主要取决于材料的强度和塑性。击抗力主要取决于材料的强度和塑性。上一页 下一页返回1.1 材料的力学性能材料的力学性能1.1.4 疲劳疲劳1.疲劳现象疲劳现象 工程上许多机械零件如轴、齿轮、弹簧等都是在变动载荷作用下工程

42、上许多机械零件如轴、齿轮、弹簧等都是在变动载荷作用下工作的。根据变动载荷的作用方式不同，零件承受的应力可分为工作的。根据变动载荷的作用方式不同，零件承受的应力可分为交变应力与重复应力两种，如交变应力与重复应力两种，如图图1-13所示。所示。 承受交变应力或重复应力的零件，在工作过程中，往往在工作应承受交变应力或重复应力的零件，在工作过程中，往往在工作应力低于其屈服强度的情况下发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。力低于其屈服强度的情况下发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。 疲劳断裂与在静载荷作用下的断裂不同，不管是脆性材料还是韧疲劳断裂与在静载荷作用下的断裂不同，不管是脆性材料还是韧性材料，疲劳断裂都是

43、突然发生的，事先均无明显的塑性变形的性材料，疲劳断裂都是突然发生的，事先均无明显的塑性变形的预兆，很难事先觉察，属低应力脆断，因此具有很大的危险性。预兆，很难事先觉察，属低应力脆断，因此具有很大的危险性。上一页 下一页返回1.1 材料的力学性能材料的力学性能 据统计，据统计，80%以上损坏的机械零件都是因疲劳造成的。因以上损坏的机械零件都是因疲劳造成的。因此，研究疲劳现象对于正确使用材料，进行合理设计具有重要此，研究疲劳现象对于正确使用材料，进行合理设计具有重要意义。意义。研究表明研究表明:疲劳断裂产生的原因一般是在零件应力集中部位或材疲劳断裂产生的原因一般是在零件应力集中部位或材料本身强度较

44、低的部位，如原有微裂纹、软点、脱碳、夹杂或料本身强度较低的部位，如原有微裂纹、软点、脱碳、夹杂或刀痕等处形成裂纹的核心。进而在交变应力或重复应力的反复刀痕等处形成裂纹的核心。进而在交变应力或重复应力的反复作用下产生疲劳裂纹，并随着应力循环周次的增加，疲劳裂纹作用下产生疲劳裂纹，并随着应力循环周次的增加，疲劳裂纹不断扩展，使零件的有效承载面逐渐减小，最后当减小到不能不断扩展，使零件的有效承载面逐渐减小，最后当减小到不能承受外加载荷时，零件即发生突然断裂。零件的疲劳失效过程承受外加载荷时，零件即发生突然断裂。零件的疲劳失效过程可分为疲劳裂纹的产生、疲劳裂纹的扩展和瞬时断裂三个阶段。可分为疲劳裂纹的

45、产生、疲劳裂纹的扩展和瞬时断裂三个阶段。上一页 下一页返回1.1 材料的力学性能材料的力学性能疲劳断裂的宏观断口一般也有三个区域，即以疲劳裂纹源为中疲劳断裂的宏观断口一般也有三个区域，即以疲劳裂纹源为中心逐渐向内扩展呈海滩状条纹的裂纹扩展区和呈纤维状心逐渐向内扩展呈海滩状条纹的裂纹扩展区和呈纤维状(韧性韧性材料材料)或结晶状或结晶状(脆性材料脆性材料)的瞬时断裂区，如的瞬时断裂区，如图图1-14所示。所示。2.疲劳强度疲劳强度 大量试验证明，金属材料所受的最大交变应力大量试验证明，金属材料所受的最大交变应力max越大，则越大，则断裂前所经受的循环周次断裂前所经受的循环周次N越少，如越少，如图图

46、1-15所示。这种交变所示。这种交变应力应力max与循环周次与循环周次N的关系曲线称为疲劳曲线。从曲线上可的关系曲线称为疲劳曲线。从曲线上可以看出，循环应力值越低，断裂前的循环周次越多。当循环应以看出，循环应力值越低，断裂前的循环周次越多。当循环应力降低到某一值后，循环周次可以达到很大，甚至无限大，而力降低到某一值后，循环周次可以达到很大，甚至无限大，而试样仍不发生疲劳断裂，这种试样不发生断裂的最大循环应力，试样仍不发生疲劳断裂，这种试样不发生断裂的最大循环应力，称为该金属的疲劳强度，光滑试样的对称循环旋转弯曲的疲劳称为该金属的疲劳强度，光滑试样的对称循环旋转弯曲的疲劳强度用符号强度用符号-1

47、 表示。表示。上一页 下一页返回1.1 材料的力学性能材料的力学性能实际上，金属材料不可能做无数次交变载荷试验。按实际上，金属材料不可能做无数次交变载荷试验。按(GB/T 4337-1984规定，一般钢铁材料取循环周次为规定，一般钢铁材料取循环周次为107次时，能次时，能承受的最大循环应力为疲劳强度承受的最大循环应力为疲劳强度;对于有色金属，循环周次为对于有色金属，循环周次为108次次;腐蚀介质作用下的钢铁材料，循环周次为腐蚀介质作用下的钢铁材料，循环周次为106次。次。 在机械零件的失效形式中，约有在机械零件的失效形式中，约有80%是疲劳断裂所造成的。是疲劳断裂所造成的。因此减少疲劳失效，对

48、于提高零件使用寿命有着重要意义。为因此减少疲劳失效，对于提高零件使用寿命有着重要意义。为了提高零件的疲劳强度，除了改善设计结构，避免零件的应力了提高零件的疲劳强度，除了改善设计结构，避免零件的应力集中外，还应改善零件表面粗糙度，这样可减少缺口效应。此集中外，还应改善零件表面粗糙度，这样可减少缺口效应。此外，采用表面热处理，如高频淬火、表面形变强化外，采用表面热处理，如高频淬火、表面形变强化(喷丸、滚喷丸、滚压、内孔挤压等压、内孔挤压等)、化学热处理、化学热处理(渗碳、渗氮、碳一氮共渗渗碳、渗氮、碳一氮共渗)等等既可改变零件表层的残余应力状态，又可提高零件的疲劳强度。既可改变零件表层的残余应力状

49、态，又可提高零件的疲劳强度。上一页返回1.2 材料的其他性能材料的其他性能1.2.1材料的物理化学性能材料的物理化学性能1.材料的物理性能材料的物理性能(1)密度。单位体积物质的质量称为该物质的密度密度。单位体积物质的质量称为该物质的密度 式中，式中， 为物质的密度，为物质的密度，kg/m3 ; m为物质的质量，为物质的质量，kg; V为物质的体积，为物质的体积，m3。 密度小于密度小于5 x 10 kg/m3的金属称为轻金属，如铝、镁、的金属称为轻金属，如铝、镁、钦及它们的合金。密度大于钦及它们的合金。密度大于5 x 10 kg/m3的金属称为重金的金属称为重金属，如铁、铅、钨等。金属材料的

50、密度直接关系到由它们所制属，如铁、铅、钨等。金属材料的密度直接关系到由它们所制构件和零件的自重。轻金属多用于航天航空器上。构件和零件的自重。轻金属多用于航天航空器上。下一页返回1.2 材料的其他性能材料的其他性能(2)熔点。金属从固态向液态转变时的温度称为熔点，纯金属熔点。金属从固态向液态转变时的温度称为熔点，纯金属都有固定的熔点。熔点高的金属称为难熔金属，如钨、钥、钒都有固定的熔点。熔点高的金属称为难熔金属，如钨、钥、钒等，可以用来制造耐高温零件，如在火箭、导弹、燃气轮机和等，可以用来制造耐高温零件，如在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。熔点低的金属称为易熔金属，喷气飞机等方

51、面得到广泛应用。熔点低的金属称为易熔金属，如锡、铅等可用于制造保险丝和防火安全阀零件等。如锡、铅等可用于制造保险丝和防火安全阀零件等。(3)导热性。导热性通常用热导率来衡量。热导率的符号是导热性。导热性通常用热导率来衡量。热导率的符号是 ，单位是单位是W/m K。热导率越大，导热性越好。金属的导热性。热导率越大，导热性越好。金属的导热性以银为最好以银为最好;铜、铝次之铜、铝次之;合金的导热性比纯金属差。在热加工合金的导热性比纯金属差。在热加工和热处理时，必须考虑金属材料的导热性，防止材料在加热或和热处理时，必须考虑金属材料的导热性，防止材料在加热或冷却过程中形成过大的内应力，以免零件变形或开裂

52、。导热性冷却过程中形成过大的内应力，以免零件变形或开裂。导热性好的金属散热也好，在制造散热器、热交换器与活塞等零件时，好的金属散热也好，在制造散热器、热交换器与活塞等零件时，要选用导热性好的全属材料。要选用导热性好的全属材料。上一页 下一页返回1.2 材料的其他性能材料的其他性能(4)导电性。传导电流的能力称导电性，用电阻率来衡量，电导电性。传导电流的能力称导电性，用电阻率来衡量，电阻率的单位是阻率的单位是 m。电阻率越小，金属材料导电性越好，金。电阻率越小，金属材料导电性越好，金属导电性以银为最好属导电性以银为最好;铜、铝次之铜、铝次之;合金的导电性比纯金属差。合金的导电性比纯金属差。电阻率

53、小的金属电阻率小的金属(纯铜、纯铝纯铜、纯铝)适于制造导电零件和电线。电阻适于制造导电零件和电线。电阻率大的金属或合金率大的金属或合金(如钨、钥、铁、铬如钨、钥、铁、铬)适于做电热元件。适于做电热元件。(5)热膨胀性。金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称热膨胀性。金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。一般来说，金属受热时膨胀体积增大，冷却时收为热膨胀性。一般来说，金属受热时膨胀体积增大，冷却时收缩体积缩小。热膨胀性用线胀系数缩体积缩小。热膨胀性用线胀系数 L ,或体胀系数或体胀系数V来表示，来表示，即即上一页 下一页返回1.2 材料的其他性能材料的其他性能式中，式中，:为线胀

54、系数，为线胀系数，1/K或或1/ ; L,为膨胀前长度，为膨胀前长度，m ; L2为膨胀后长度，为膨胀后长度，m; t为温度变化量，为温度变化量，K或或。 由膨胀系数大的材料制造的零件，在温度变化时，尺寸和由膨胀系数大的材料制造的零件，在温度变化时，尺寸和形状变化较大。轴和轴瓦之间要根据其膨胀系数来控制其间隙形状变化较大。轴和轴瓦之间要根据其膨胀系数来控制其间隙尺寸尺寸;热加工和热处理时也要考虑材料的热膨胀影响，以减少热加工和热处理时也要考虑材料的热膨胀影响，以减少工件的变形和开裂。工件的变形和开裂。(6)磁性。金属材料可分为铁磁性材料磁性。金属材料可分为铁磁性材料(在外磁场中能强烈地在外磁场

55、中能强烈地被磁化，如铁、钻等被磁化，如铁、钻等)，顺磁性材料，顺磁性材料(在外磁场中只能微弱地被在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等磁化，如锰、铬等)和抗磁性材料和抗磁性材料(能抗拒或削弱外磁场对材料能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用，如铜、锌等本身的磁化作用，如铜、锌等)三类。铁磁性材料可用于制造三类。铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。变压器、电动机、测量仪表等。上一页 下一页返回1.2 材料的其他性能材料的其他性能 抗磁性材料则用于要求避免电磁场干扰的零件和结构材料，如抗磁性材料则用于要求避免电磁场干扰的零件和结构材料，如航海罗盘。铁磁性材料当温度升高到一定数值时，磁畴

56、被破坏，航海罗盘。铁磁性材料当温度升高到一定数值时，磁畴被破坏，变为顺磁体，这个转变温度称为居里点，如铁的居里点是变为顺磁体，这个转变温度称为居里点，如铁的居里点是770oC。一些金属的物理性能和力学性能见一些金属的物理性能和力学性能见表表1-3。2.金属的化学性能金属的化学性能(1)耐腐蚀性。金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学耐腐蚀性。金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力称耐腐蚀性，碳钢、铸铁的耐腐蚀性介质腐蚀破坏作用的能力称耐腐蚀性，碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差较差;钦及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好。在食品、制药、化钦及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好。在食品、制药、化

57、工工业中不锈钢是重要的应用材料。铝合金和铜合金有较好的工工业中不锈钢是重要的应用材料。铝合金和铜合金有较好的耐腐蚀性。耐腐蚀性。上一页 下一页返回1.2 材料的其他性能材料的其他性能1.2.2 金属的工艺性能金属的工艺性能 工艺性能是指金属材料对不同加工工艺方法的适应能力，工艺性能是指金属材料对不同加工工艺方法的适应能力，它包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削加工性能和它包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。金属材料的一般加工过程如热处理工艺性能等。金属材料的一般加工过程如图图1-16所示。所示。 在铸造、锻压、焊接、机加工等加工前后过程中，一般还在铸造、

58、锻压、焊接、机加工等加工前后过程中，一般还要进行不同类型的热处理。因此一个由金属材料制得的零件，要进行不同类型的热处理。因此一个由金属材料制得的零件，其加工过程十分复杂。工艺性能直接影响零件加工后的质量，其加工过程十分复杂。工艺性能直接影响零件加工后的质量，是选材和制订零件加工工艺路线时应当考虑的因素之一。对于是选材和制订零件加工工艺路线时应当考虑的因素之一。对于保证产品质量、降低成本、提高生产效率有重大作用。保证产品质量、降低成本、提高生产效率有重大作用。上一页 下一页返回1.2 材料的其他性能材料的其他性能1.铸造性能铸造性能 金属及合金在铸造工艺中获得优良铸件的能力称为铸造性能。金属及合

59、金在铸造工艺中获得优良铸件的能力称为铸造性能。衡量铸造性能的主要指标有流动性、收缩性和偏析倾向等。衡量铸造性能的主要指标有流动性、收缩性和偏析倾向等。(1)流动性。熔融金属的流动能力称为流动性。它主要受化学流动性。熔融金属的流动能力称为流动性。它主要受化学成分和浇注温度等的影响。流动性好的金属容易充满铸型，从成分和浇注温度等的影响。流动性好的金属容易充满铸型，从而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。(2)收缩性。铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的收缩性。铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象称为收缩性。铸件收缩不仅影响尺寸精度，还会

60、使铸件产现象称为收缩性。铸件收缩不仅影响尺寸精度，还会使铸件产生缩孔、缩松、内应力、变形和开裂等缺陷，故用于铸造的金生缩孔、缩松、内应力、变形和开裂等缺陷，故用于铸造的金属其收缩率越小越好。属其收缩率越小越好。上一页 下一页返回1.2 材料的其他性能材料的其他性能(3)偏析倾向。金属凝固后，内部化学成分和组织的不均匀现偏析倾向。金属凝固后，内部化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。偏析严重时能使铸件各部分的力学性能有很大的象称为偏析。偏析严重时能使铸件各部分的力学性能有很大的差异，降低了铸件的质量，这对大型铸件的危害更大。差异，降低了铸件的质量，这对大型铸件的危害更大。 表表1 -4为几种金属材