第一章金属的力学性能

1、第一篇第一篇 机械工程材料基础机械工程材料基础材料的性能材料的性能使用性能工艺性能 物理性能 化学性能 力学性能 热处理性能铸造性能焊接性能锻造性能切削加工性能 材料分类材料分类复合材料复合材料金属材料金属材料陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料第一章第一章 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 本节重点：本节重点：金属材料的力学性能金属材料的力学性能主要内容：主要内容：金属材料的力学性能金属材料的力学性能, ,包括材料的强包括材料的强 度度 、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳 强度等。强度等。本节难点：本节难点：各性能指标的物理意义和测定方法各性能指标的物理意义和测定方

2、法第一节第一节 拉伸试验及强度和塑性拉伸试验及强度和塑性一、拉伸试验及拉伸曲线一、拉伸试验及拉伸曲线拉伸试验机拉伸试验机拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象2、应力与应变曲线、应力与应变曲线应力应力 ：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)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原始长度原始长度( mm)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 op段：比例弹性变形

3、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：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。二、常用强度判据 强度强度: 材料在外力作用，抵抗塑性变形材料在外力作用，抵抗塑性变形 和断裂的能力。和断裂的能力。工程上工程上常用常用的金属材料的的金属材料的强度指标强度指标： 规定非比例伸长应力（规定非比例伸长应力（ p ） 屈服点（屈服点（ s ）或规定残余伸长应力（）或规定残余伸长应力（ r） 抗拉强度抗拉强度(b)1、规定非比例伸长应力0.010.05pp：规定非比例伸长率为0.01%时的应力规定非比例伸长

4、率为0.05%时的应力0ppFS试验非比例伸长为规定量时的拉力（N）试验原始横截面积（mm2）是一些重要零件设计的力学依据2、屈服点和规定残余伸长应力0rrFS产生规定残余伸长时的拉力（N）规定残余伸长应力0.2:r规定残余伸长率为0.2%时的应力0ssFS材料屈服时的拉力（N） 屈服点（屈服极限）0.2原标准（GB228-76）： 屈服强度3、抗拉强度（曾称强度极限）0bbFS拉伸过程中最大的拉力（N）抗拉强度：材料在拉伸条件下所能承受最大力的应力值是设计和选材的主要依据之一，是工程技术上的主要强度指标。三、塑性判据三、塑性判据 塑性塑性: 材料在外力作用，抵抗塑性变形材料在外力作用，抵抗塑

5、性变形 和断裂的能力。和断裂的能力。常用的塑性判据常用的塑性判据： 拉伸时的拉伸时的断后伸长率断后伸长率和和断面收缩率断面收缩率1、断后伸长率由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率率数值不同，因此应注明试样尺寸比例。数值不同，因此应注明试样尺寸比例。10100%oLLL试样拉断后的标距（mm）1L oL 试样原始标距（mm）2、断面收缩率010100%SSL试样断裂后缩颈处的最小横截面积（mm2）1S oS 试样原始截面积（mm2）强度是表征材料变形抗力指标，强度是表征材料变形抗力指标，塑性是描述变形能力的指标。塑性是描述变形能力的指标。注：注：

6、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(mm2)=(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

7、；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 410MP5 l l 0 x100% (63.1-50)/50 x100%=26.2% 23% S S 0 x100% 60.31% 50%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 度度硬度：硬度：硬度试验方法硬度试验方法压入法压入法 划痕法划痕法回跳法回跳法指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力（金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形

8、、压痕（金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力）或划痕的能力）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（HRC）显微硬度显微硬度 莫氏硬度莫氏硬度肖氏硬度肖氏硬度一、布氏硬度1、测定原理布氏硬度计布氏硬度计 试验时，根据被测的材料不同，球直径、试验试验时，根据被测的材料不同，球直径、试验力及试验力保持时间按表力及试验力保持时间按表-1选择选择材料材料种类种类布氏硬度范围布氏硬度范围HBS（HBW）试样厚度试样厚度/mm0.102球的直径球的直径/mm试验力试验力F/KN（k g f)试验力保持时试验力保持时间间/s钢、铸铁钢、铸铁140-45063

9、4223010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)126631010.05.09.807(1000)2.452(250)12非铁金属非铁金属130634262.510.02.452(250)60表表1-1 布氏硬度试验规范布氏硬度试验规范)/()(2102. 0222mmNdDDDFSFHB压2、符号HBS：淬火钢球作压头HBW：硬质合金作压头3、表示方法XXX HBS(W) XX / XXX / XX硬度值压头直径（mm2）试验力保持 时间（s） 试验力（0.102N）500HBW5/750例：表示用直径5mm硬质合金球在7355N试验力作用下保

10、持1015s测得的布氏硬度值为500120HBS10/1000/30表示用直径10mm钢球压头在9807N试验力作用下保持30s测得的布氏硬度值为120布氏硬度试验法一般用于试验各种硬度不布氏硬度试验法一般用于试验各种硬度不高的钢材、铸铁、有色金属等，也用于试高的钢材、铸铁、有色金属等，也用于试验经淬火、回火但硬度不高的钢件。验经淬火、回火但硬度不高的钢件。4、适用范围二、洛氏硬度测定原理硬度硬度符号符号压头类压头类型型载荷载荷F/k g 硬度有效范围硬度有效范围使用范围使用范围HRA金刚石金刚石圆锥体圆锥体6070 08585适用于测量硬质合金、钢表、淬火适用于测量硬质合金、钢表、淬火层或渗

11、碳层层或渗碳层HRB直径为直径为1.588mm钢球钢球10025100100（相当（相当6060230230HBHB）适用于测量非铁金属退火、适用于测量非铁金属退火、退退火等火等HRC金刚石金刚石圆锥体圆锥体150206767( (相当相当HB230HB230700)700)适用于调质钢、淬火钢等适用于调质钢、淬火钢等试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表表-2选择，对应的洛氏硬度标尺为选择，对应的洛氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种三种表表1-2 常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围2

12、、符号002. 0hkHR3、表示方法硬度值+HR52HRC70HRA例：洛氏硬度洛氏硬度HRC可以用于硬度很高可以用于硬度很高的材料，在钢件热处理质量检查的材料，在钢件热处理质量检查中应用最多。中应用最多。4、适用范围第三节 冲击吸收功在设计和制造受冲击载荷的零件和工具（如锻锤、冲床、铆钉枪等）时，必须考虑所用材料的冲击吸收功或冲击韧度。一、摆锤式一次冲击试验原理摆锤试验机试验在专门的摆锤式冲击试验机上进行，把试样放在试验机的支承面上，试验在专门的摆锤式冲击试验机上进行，把试样放在试验机的支承面上，试样的缺口背向摆锤冲击方向。将质量为试样的缺口背向摆锤冲击方向。将质量为m的摆锤安放到规定的高

13、度的摆锤安放到规定的高度H，然后下落，将试样打断，并摆过支点升到某一高度然后下落，将试样打断，并摆过支点升到某一高度h，试样在冲击试验力一试样在冲击试验力一次作用下，折断时所吸收的功为冲击吸收功为次作用下，折断时所吸收的功为冲击吸收功为Ak。1、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)2、冲击韧度冲击韧度a k AK a k = (J/cm) Sk二、冲击吸收功和冲击韧度就是试样缺口处单位截面积上就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。所消耗的冲击功。冲击吸收功 Ak 作为材料韧性判据，与温度、试样形状、尺寸、表面粗糙度、内部

14、组织和缺陷有关。第四节 疲劳极限交变应力：交变应力：是指大小和方向构随时间周期变化的应力。材料的疲劳：材料的疲劳：材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累计损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。在多次交变应力作用，金属会在远小于抗拉强度在多次交变应力作用，金属会在远小于抗拉强度b，甚至小甚至小于屈服点于屈服点s。的应力下失效（出现裂纹或完全断裂）的应力下失效（出现裂纹或完全断裂） 疲劳破坏的原因：疲劳破坏的原因：应力集中微裂纹扩展断裂破坏。疲劳曲线：疲劳曲线：实验证明，一般钢铁材料所受交变应力最大值实验证明，一般钢铁材料所受交变应力最大值max与与其失效前的应力循环次数（疲劳寿命）其失效前的应力循环次数（疲劳寿命） N的曲线关系。的曲线关系。第五节 断 裂