第一章工程材料的主要性能

1、第一章第一章 金属的力学性能金属的力学性能单向静拉伸载荷下材料的力学性能单向静拉伸载荷下材料的力学性能 硬度硬度 冲击韧性冲击韧性 疲劳极限疲劳极限 第二节 第三节第四节 第一节第一章第一章 金属的力学性能金属的力学性能材料 的性能使用性能：工艺性能：力学性能力学性能物理性能化学性能强强 塑塑 刚刚 硬硬 韧韧 疲疲度度 性性 度度 度度 性性 劳劳铸造性能压力加工性能焊接性能切削加工性能热处理性能金属材料在不同环境下，承受各种外加载荷时所表现出的力学特征。第一节第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能单向静拉伸载荷下材料的力学性能 一一 强度的概念强度的概念二二 强度的测定强度的测定拉伸实验拉

2、伸实验三三 强度指标强度指标四四 塑性塑性一、强度的概念一、强度的概念 指金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的指金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力。能力。 1. 1. 定义定义2. 2. 应用应用 强度是机械零件（或工程构件）在设计、加工、强度是机械零件（或工程构件）在设计、加工、使用过程中的主要性能指标，特别是选材和设计的主使用过程中的主要性能指标，特别是选材和设计的主要依据。要依据。第一节第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能单向静拉伸载荷下材料的力学性能 二、强度的测定二、强度的测定拉伸实验拉伸实验 1. 1. 拉伸试样（拉伸试样（GB6397-86GB6397-86） 2

3、. 2. 力力伸长曲线伸长曲线（以低碳钢试样为例）（以低碳钢试样为例） 3. 3. 脆性材料的拉伸曲线脆性材料的拉伸曲线第一节第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能单向静拉伸载荷下材料的力学性能 长试样：长试样：L L0 0= =1010d d0 0短试样：短试样：L L0 0= =5 5d d0 01. 1. 拉伸试样（拉伸试样（GB6397-86GB6397-86）第一节第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能单向静拉伸载荷下材料的力学性能 2.2.力力伸长曲线伸长曲线弹性变形阶段弹性变形阶段屈服阶段屈服阶段颈缩现象颈缩现象拉伸试验拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。中得出的拉伸力与伸

4、长量的关系曲线。强化阶段强化阶段第一节第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能单向静拉伸载荷下材料的力学性能 拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象3. 3. 脆性材料的拉伸曲线脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）（与低碳钢试样相对比）脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。FL0 0 第一节第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能单向静拉伸载荷下材料的力学性能 FsA A0 0s s=1.1.屈服点屈服点应用应用：s s和和0.20.2常作为零件选材和设计的依据。常作为零件选材和设计的依据。脆性材料的屈服点脆性材料的屈服点F0.20.2A A0 00.20.2=

5、计算公式计算公式 LF0 0F0.20.2%L0三、强度指标三、强度指标第一节第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能单向静拉伸载荷下材料的力学性能 2.2.抗拉强度抗拉强度 b b=F Fb bA A0 0 应用：脆性材料制应用：脆性材料制作机械零件和工程构件作机械零件和工程构件时的选材和设计的依据时的选材和设计的依据。计算公式计算公式第一节第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能单向静拉伸载荷下材料的力学性能 拉伸试验录像四、四、塑性塑性（二）衡量指标（二）衡量指标金属材料断裂前发生永久变形的能力。金属材料断裂前发生永久变形的能力。断面收缩率：断面收缩率：伸长率：伸长率：试样拉断后，标距的伸长

6、与原始标距的百分比。试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。原始横截面积的百分比。（一）（一） 定义定义第一节第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能单向静拉伸载荷下材料的力学性能 l l1-l-l0 0l l0 0100%100%=l l1 1试样拉断后的标距试样拉断后的标距, ,mm;mm;l l0 0试样的原始标距试样的原始标距, ,mmmm。伸长率（伸长率（ ）第一节第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能单向静拉伸载荷下材料的力学性能 断面收缩率（断面收缩率（ ）S0-S1S0=100%S

7、 S0 0试样原始横截面积试样原始横截面积, ,mmmm2 2；S S1 1颈缩处的横截面积颈缩处的横截面积, ,mmmm2 2 。第一节第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能单向静拉伸载荷下材料的力学性能 结论：结论：更能反映材料塑性的好坏，更能反映材料塑性的好坏，和和越大，材料塑性就越大，材料塑性就越好！越好！ 2 - 5% 10% 10% 属塑性材料属塑性材料同一材料同一材料5 5 1010 任何零件都需要一定塑性，防止过载断裂；塑性变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。形可以缓解应力集中、削减应力峰值。第一节第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性

8、能单向静拉伸载荷下材料的力学性能 第二节第二节 硬硬 度度（一）布氏硬度（一）布氏硬度（二）洛氏硬度（二）洛氏硬度1. 1. 原理原理2 2. . 应用应用3 3. . 优缺点优缺点 1 1. . 原理原理 2 2. . 应用应用 3 3. . 优缺点优缺点4 4. . 实验（录像）实验（录像） 4 4. . 实验（录像）实验（录像）（一）布氏硬度 布氏硬度试验是指用一定直径的 球体（钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入式样表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量的表面压痕直径计算硬度的一种压痕硬度试验。图1-4 布氏硬度测试原理第二节第二节 硬硬 度度1. 1. 原理原理布氏硬度布氏硬度=

9、= P P A A凹凹= =2 2F FDD D D- -（D D - -d d ） 第二节第二节 硬硬 度度表示方法：表示方法： 在符号在符号HBSHBS或或HBWHBW之前写出硬度值，符号后之前写出硬度值，符号后面的数字按顺序分别写出压头直径、载荷及载面的数字按顺序分别写出压头直径、载荷及载荷保持时间及载荷保持时间（荷保持时间及载荷保持时间（10-1510-15s s不标注）。不标注）。 如如:120:120HBS10/1000/30HBS10/1000/30表示直径为表示直径为1010mmmm的的淬火钢球在淬火钢球在10001000kgfkgf（9.807kN9.807kN）载荷作用下保

10、载荷作用下保持持3030s s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120120。 第二节第二节 硬硬 度度 测量比较软的材测量比较软的材料。测量范围料。测量范围 HBS450HBS450、HBW650HBW650的的金属材料。金属材料。3. 3. 优缺点优缺点2. 2. 应用应用 压痕大，测量准确压痕大，测量准确，但不能测量成品件。，但不能测量成品件。第二节第二节 硬硬 度度布氏硬度试验录像布氏硬度试验录像第二节第二节 硬硬 度度1.1. 原理原理 （二）洛氏硬度（二）洛氏硬度加初载荷加初载荷加主载荷加主载荷卸除主载荷卸除主载荷读硬度值读硬度值图1-5 洛式硬度测试原理第二节第二节 硬硬 度度

11、 压痕深度压痕深度h h越大，则硬度值越小越大，则硬度值越小，为了符，为了符合习惯上的数值越大、硬度越高的思维，采用合习惯上的数值越大、硬度越高的思维，采用一个常数一个常数C C（K)K)减去压痕深度减去压痕深度h h后的数值表示洛后的数值表示洛氏硬度。氏硬度。GBGB规定：压头每压入规定：压头每压入0.002mm0.002mm的深度的深度为一个硬度单位，所以：为一个硬度单位，所以： HR=C-h/0.002 HR=C-h/0.002 无单位无单位（ 金刚石作压头：金刚石作压头：C=100C=100；直径；直径1.5881.588的淬火钢的淬火钢球作压头：球作压头：C=130C=130。）。）

12、 为了适应不同材料的硬度测试，采用不同为了适应不同材料的硬度测试，采用不同的压头与载荷组合成几种不同的洛氏硬度标尺，的压头与载荷组合成几种不同的洛氏硬度标尺，每一种标尺用一个字母在洛氏硬度符号后注明，每一种标尺用一个字母在洛氏硬度符号后注明，如如HRAHRA、HRBHRB、HRC HRC 等等第二节第二节 硬硬 度度（2 2）表示方法：）表示方法： 在符号前（有些资料写在后面）直接写出硬度值如：56HRC、80HRA、60HRB。（3 3）应用：）应用： 钢的热处理质量检查，主要用于测硬度高的材料。洛氏硬度压头总载荷测量范围适用材料HRA120金刚石圆锥体588.46085硬质合金材料、表面淬

13、火钢等HRB1.588mm淬火钢球980.725100软钢、退火钢、铜合金等HRC120金刚石圆锥体1471.12067淬火钢、调质钢等表1-1 常用洛氏硬度的级别及其应用范围第二节第二节 硬硬 度度（4 4）特点：）特点： 操作迅速方便； 应用较广：硬度值测量范围较大，能测材料的表面硬度、薄壁件； 工件表面损伤小：压痕小； 组织粗大且不均匀的材料，测试结果不准确：压痕小，数值重复性差，措施：至少测3个点，求平均值。（5 5）当材料）当材料HBSHBS220220时有：时有： HBS10HRCHBS10HRC第二节第二节 硬硬 度度3 3、维氏硬度、维氏硬度 HVHV维氏硬度计维氏硬度计维氏硬

14、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第二节第二节 硬硬 度度 （1 1）测量原理：）测量原理： 用锥面夹角为136 的金刚石正四棱锥体为压头，按选定的试验载荷P（常用510kgf）将压头压入，并保持一定时间，卸载后测量压痕对角线长度d，计算压痕单位面积F承受的压力大小。 HV = P / F = 1.8544 P / d2 （kgf/mm2) （GB4340-1984） （2 2）表示方法：表示方法： 在HV之前写出硬度值，后面依次用相应数字注明试验力和保持时间。例如： 600HV30/20表示采用294.2N（30kg）的试验力，保持时间20S时得到的硬度值为600。 （3 3

15、）应用：应用： 适用于软硬金属，尤其适用于极薄（0.3-0.5mm）零件和渗碳、渗氮工件的硬度测定。 第二节第二节 硬硬 度度 （4 4）特点：）特点： 有连续一致的标尺，负荷可任选，可直接比较； 负荷小，压痕小，压痕轮廓清晰，测量准确； 操作麻烦。第二节第二节 硬硬 度度第第三节三节 冲击韧性冲击韧性材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。 (a)试样安装 (b)冲击试验机图1.5 冲击韧度试验原理1、7支座 2、3试样 4刻度盘 5指针 6摆锤试样冲断时所消耗的冲击功试样冲断时所消耗的冲击功A A k k为为: : A A k k = m g H = m g

16、 H m g h (J) m g h (J) 冲击韧性值冲击韧性值a a k k 就是试样缺口处单位截面积上所就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。消耗的冲击功。 AK a k = (J/cm) F第第三节三节 冲击韧性冲击韧性韧脆转变（温度）：韧脆转变（温度）： 材料的冲击韧度一般随温度的下降而降低，当降低到某温度范围时，材料的冲击韧度明显降低，呈现脆性，这种现象叫韧脆转变，此温度范围叫韧脆转变温度。普通碳钢-30 -20 。第第三节三节 冲击韧性冲击韧性视频：摆锤式一次冲击试验视频：摆锤式一次冲击试验第第三节三节 冲击韧性冲击韧性第四节第四节 疲劳强度疲劳强度危险！ 机械中的许多零件，

17、如轴、齿轮、螺栓、连杆、弹簧等，是在方向或大小反复变化的变载荷作用下工作的，它们工作时所承受的应力即使远小于材料的强度极限或屈服极限，但经过较长时间的工作，亦会发生断裂。 材料或零件在交变应力的重复作用下，在远材料或零件在交变应力的重复作用下，在远小于屈服极限的应力下，而发生断裂的现象小于屈服极限的应力下，而发生断裂的现象称为疲劳断裂疲劳断裂( (或疲劳破坏或疲劳破坏)。 疲劳断裂具有疲劳断裂具有很大的危险性，常常造成严重的事故。据统计；损坏的机器零部件中，约有80都是由于金属疲劳而造成的。 一、疲劳断裂一、疲劳断裂第四节第四节 疲劳强度疲劳强度 金属材料经受无数次重复交变应力作用不致引起断裂

18、的最大应力金属材料经受无数次重复交变应力作用不致引起断裂的最大应力叫做叫做疲劳强度疲劳强度或或疲劳极限疲劳极限，用，用-1-1（D D）表示表示，通常用表示材料在对称循环交通常用表示材料在对称循环交变应力作用下的弯曲疲劳极限变应力作用下的弯曲疲劳极限。即材料承受的应力低于疲劳强度时，则可。即材料承受的应力低于疲劳强度时，则可能经受无限次应力循环而不断裂。能经受无限次应力循环而不断裂。 因实际上不可能进行无数次试验，故各种金属应有一定的应力循环基因实际上不可能进行无数次试验，故各种金属应有一定的应力循环基数数( (以以N N表示表示) )，钢材的循环次数一般取，钢材的循环次数一般取 N = 10N = 107 7；有色金属的循环次数一有色金属的循环次数一般取般取 N = 10N = 108 8；钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系。钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系。 -1-1 = (0.45 = (0.450.55)0.55)b b第四节第四节 疲劳强度疲劳强度二、疲劳强度二、疲劳强度 一般认为是由于材料的质量、零件表面缺陷或结构设计不当等因素，在