第一章金属材料力学性能

1、 金属的力学性能金属的力学性能主要内容包括主要内容包括 1.金属力学性能指标的本质、物理概念、实用金属力学性能指标的本质、物理概念、实用意义，以及各种力学性能指标间的相互关系；意义，以及各种力学性能指标间的相互关系； 2.影响金属力学性能的因素，提高金属影响金属力学性能的因素，提高金属 力学性能的方向和途径；力学性能的方向和途径； 3.金属力学性能指标的测试技术金属力学性能指标的测试技术性能性能使用性能使用性能工艺性能工艺性能力学性能力学性能：材料受力时表现出来性能：材料受力时表现出来性能物理性能、化学性能物理性能、化学性能材料使用材料使用时表现出时表现出的性能的性能材料加工材料加工时表现出时

2、表现出的性能的性能热加工工艺性能热加工工艺性能：铸造、锻压、焊：铸造、锻压、焊 接、接、热处理热处理冷加工工艺性能：切削加工冷加工工艺性能：切削加工力的相关术语力的相关术语1 1）载荷）载荷载荷分为静载荷、冲击载荷及变动载荷三种。载荷分为静载荷、冲击载荷及变动载荷三种。2 2）变形）变形3 3）应力（）应力（）/ /lflf / /金属材料在使用和加工过程中所受到的各种外力统称为载荷，用符号 F表示。金属材料受到载荷作用而产生的几何变形和尺寸的变化称为变形。变形分为弹性变形和塑性变形。变形分为弹性变形和塑性变形。也就是单位面积所能承受的载荷大小。即=F/S一、拉伸试验（测量和计算强度与塑性指标

3、）一、拉伸试验（测量和计算强度与塑性指标） 强度与塑性标准标准试样试样断后断后试样试样长试样长试样: L0=10d0短试样：短试样：L0=5d0低碳钢拉伸曲线低碳钢拉伸曲线op段，伸长量与载荷成正段，伸长量与载荷成正比，属于弹性变形阶段比，属于弹性变形阶段pe段，伸长量与载荷不段，伸长量与载荷不成正比，属于弹性变形成正比，属于弹性变形阶段阶段ek段，属于塑形变形阶段段，属于塑形变形阶段二、强度二、强度1.1.定义：定义：2.2.意义：意义：3.3.强度指标强度指标1)1)弹性极限弹性极限材料受到外力时，产生弹性变形时所能承受的最大应力。材料受到外力时，产生弹性变形时所能承受的最大应力。用符号用

4、符号e e表示表示。 e e=Fe/Ao 式中式中Fe试样发生弹性变形时的最大载荷（试样发生弹性变形时的最大载荷（N）; Ao试样的原始横截面积（试样的原始横截面积（mm2）。）。金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形和断裂金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力称为的能力称为强度强度。强度指标是机器零件选材和设计的主要依据。强度指标是机器零件选材和设计的主要依据。2 2）屈服点与屈服强度）屈服点与屈服强度 金属材料开始产生屈服现象时的最低应力值称为屈金属材料开始产生屈服现象时的最低应力值称为屈服点，用符号服点，用符号ss表示表示。 s=Fs/Ao s=Fs/Ao 式中式中FsFs试样发生屈服时

5、的载荷（试样发生屈服时的载荷（N N）; ; Ao Ao试样的原始横截面积（试样的原始横截面积（mmmm2 2）。）。工业上使用的某些金属材料，如高碳钢、铸铁等，在拉伸过程中，工业上使用的某些金属材料，如高碳钢、铸铁等，在拉伸过程中，没有明显的屈服现象没有明显的屈服现象，无法确定其屈服点，无法确定其屈服点s s ，按，按GB/T2228GB/T2228规定，规定，可用可用屈服强度屈服强度0.20.2来表示该材料开始产生塑性变形时的最低应力来表示该材料开始产生塑性变形时的最低应力值。值。屈服强度为试样标距部分产屈服强度为试样标距部分产生生0.2%0.2%残余伸长率时的应力残余伸长率时的应力值，值

6、，即即 0.20.2=F=F0.20.2/A/Ao o式中式中 F F0.20.2试样标距产生的试样标距产生的0.2%0.2% 残余伸长时载荷（残余伸长时载荷（N N）；）； A Ao o试样的原始横截面积（试样的原始横截面积（mmmm2 2）屈服强度的测定3 3）抗拉强度）抗拉强度 金属材料在断裂前所能承受的最大应力值称为抗拉强度，金属材料在断裂前所能承受的最大应力值称为抗拉强度，用符号用符号 b b表示。表示。 b b=F=Fb b/A/Ao o式中式中 F Fb b试样在断裂前所承受的载荷（试样在断裂前所承受的载荷（N N）；）； A Ao o试样原始横截面积（试样原始横截面积（mmmm

7、2 2）。）。三、塑性三、塑性 1. 1.定义定义金属材料的载荷作用下，断裂前材料发生不可逆金属材料的载荷作用下，断裂前材料发生不可逆永久变形的能力称为永久变形的能力称为塑性塑性。2.2.意义意义1 1）断后伸长率）断后伸长率 =(L=(L1 1-L-L0 0)/L)/L0 0材料有一定的塑性既能保证安全性，又能使材料便于材料有一定的塑性既能保证安全性，又能使材料便于加工（工艺性能）。加工（工艺性能）。3.3.常用的塑性指标常用的塑性指标2 2）断面收缩率）断面收缩率 =(S=(S0 0-S-S1 1)/S)/S0 0客观的客观的 硬度硬度 硬度硬度是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变是指金

8、属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力形、压痕或划痕的能力。1.1.布氏硬度布氏硬度 （HBWHBW、HBSHBS）2.2.洛氏硬度（洛氏硬度（HRAHRA、HRBHRB、HRCHRC等）等）3.3.和维氏硬度（和维氏硬度（HVHV） 一、定义一、定义可用硬度试验机测定。可用硬度试验机测定。二、常用的硬度指标二、常用的硬度指标硬度测试原理硬度测试原理各种硬度各种硬度表示方法、特点及应用范围表示方法、特点及应用范围硬度测定硬度测定方法方法表示方法表示方法特点特点应用范围应用范围布氏硬度布氏硬度（HBHB）450HBW5/750/20450HBW5/750/20表示表示用直径用直径5

9、mm5mm的硬质合金的硬质合金球，在球，在750kgf750kgf载荷下载荷下保持保持20s,20s,测定的布氏测定的布氏硬度值为硬度值为450450。测试值稳定，测试值稳定，准准确确，但测量费时，但测量费时，且且压痕较大压痕较大。不适测薄件或成品不适测薄件或成品；常用于测常用于测HBWHBW值小于值小于650650的材料，如的材料，如灰铸灰铸铁、非铁合金及退火、铁、非铁合金及退火、正火、调质钢等正火、调质钢等洛氏硬度洛氏硬度（HRHR）5055HRC,5055HRC,数值越大，数值越大，表示材料越硬。表示材料越硬。操作迅速操作迅速简便简便，压痕小，不如布压痕小，不如布氏硬度精确氏硬度精确，一

10、，一般需般需测测不同部位不同部位几处几处，求求其算术其算术平均值平均值。适宜大量生产成品检适宜大量生产成品检验验维氏硬度维氏硬度（HVHV）500Hv100/20500Hv100/20表示在试表示在试验载荷验载荷100kgf100kgf下保持下保持20s20s测定的维氏硬度值测定的维氏硬度值为为500500载荷小，压痕浅载荷小，压痕浅. .特适测软、硬金属及特适测软、硬金属及陶瓷等非金属材料，陶瓷等非金属材料，尤其是极薄的零件和尤其是极薄的零件和渗碳层的硬度；还可渗碳层的硬度；还可测显微组织硬度。测显微组织硬度。冲击韧性与疲劳极限冲击韧性与疲劳极限 用试样的断口处截面积用试样的断口处截面积S

11、SN N（cmcm2 2）去除）去除A AK K（J J）即得到冲击韧度，用）即得到冲击韧度，用a ak k表示表示( (已不用），单位为已不用），单位为J/cmJ/cm2 2. .a aK K=A=AK K/S/SN N一、冲击韧性一、冲击韧性1.1.衡量指标：衡量指标：动载荷动载荷冲击吸收功冲击吸收功AK即即 AK=mg(H-h)Ak与温度相关：与温度相关： Ak随温度升高而升高随温度升高而升高举例：塑料制品冬天和夏天韧性不同举例：塑料制品冬天和夏天韧性不同 虽然零件所承受的交变应力数值小于材料的屈服强度，虽然零件所承受的交变应力数值小于材料的屈服强度，但在长时间运转后也会发生断裂，这种现

12、象称为疲劳断裂。但在长时间运转后也会发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。 对称循环交变应力对称循环交变应力 二、疲劳极限二、疲劳极限1.1.疲劳概念疲劳概念2.2.疲劳曲线与疲劳极限疲劳曲线与疲劳极限 2 2）工程上规定，材料经受相当循环周次不发生断裂）工程上规定，材料经受相当循环周次不发生断裂的最大应力称为的最大应力称为疲劳极限，疲劳极限，以符号以符号-1-1表示。表示。 1 1）试验证明，金属材料所受最大交变应力）试验证明，金属材料所受最大交变应力max max 愈大，愈大，则断裂前所受的循环周次则断裂前所受的循环周次N N（定义为疲劳寿命）愈少，（定义为疲劳寿命）愈少，这种交变应力这种交变应

13、力max max 与疲劳寿命与疲劳寿命N N的关系曲线称的关系曲线称疲劳曲线疲劳曲线或或S SN N曲线曲线 疲劳曲线-1Nn21N1N2NnNc钢铁材料：107次非铁合金、超高强度钢：108次部分工程材料的疲劳极限-1（MPa）三、提高材料疲劳极限的途径三、提高材料疲劳极限的途径1 1. .设计方面设计方面 尽量使用零件避免交角、缺口和截面突变，尽量使用零件避免交角、缺口和截面突变， 以避免应力集中及其所引起的疲劳裂纹。以避免应力集中及其所引起的疲劳裂纹。2.2.材料方面材料方面 通常应使晶粒细化，减少材料内部存在通常应使晶粒细化，减少材料内部存在 的夹杂物和由于热加工不当引起的缺陷。的夹杂

14、物和由于热加工不当引起的缺陷。 如疏松、气孔和表面氧化等。如疏松、气孔和表面氧化等。3.3.机械加工方面机械加工方面 要降低零件表面粗糙度值。要降低零件表面粗糙度值。4.4.零件表面强化方面零件表面强化方面 可采用化学热处理、表面淬火、可采用化学热处理、表面淬火、喷丸处理和表面涂层等，使零件表面造成喷丸处理和表面涂层等，使零件表面造成压应力压应力，以，以抵消或降低表面拉应力引起疲劳裂纹的可能性。抵消或降低表面拉应力引起疲劳裂纹的可能性。金属材料强度与塑性的新、旧标准名词和符号对照表金属材料强度与塑性的新、旧标准名词和符号对照表新标准（新标准（GB/T228-2002GB/T228-2002）旧标准（旧标准（GB/T228-1987GB/T228-1987）性能名称性能名称符号符号性能名称性能名称符号符号断面收缩率断面收缩率Z断面收缩率断面收缩率断后伸长率断后伸长率AA11.3断后伸长率断后伸长率 5 10屈服强度屈服强度Re屈服强度屈服强度s上屈服强度上屈服强度ReH上屈服强度上屈服强度sU下屈服强度下屈服强度ReL下屈服强度下屈服强度sL规定非比例延规定非比例延伸强度伸强度Rp例如例如Rp0.2规定非比例延伸规定非比例延伸强度强度PP0.2抗拉强度抗拉强度Rm抗拉强度抗拉强