第一章材料力学性能

1、金属材料的性能金属材料的性能 工艺性能工艺性能使用性能使用性能物理性能物理性能化学性能化学性能力学性能力学性能铸造性能铸造性能锻造性能锻造性能切削加工性能切削加工性能焊接性能焊接性能热处理性能热处理性能弹性弹性塑性塑性强度强度硬度硬度韧性韧性疲劳疲劳断裂断裂 静态拉伸实验静态拉伸实验42013-2014学年第1学期材料力学性能1. 试样制备中华人民共和国国标GB/T228-2002金属材料室温拉伸实验方法1.1 实验方法5工作部分过渡部分夹持部分试样表面光洁2014-2015学年第1学期材料力学性能62014-2015学年第1学期材料力学性能72014-2015学年第1学期材料力学性能82.

2、试验设备2014-2015学年第1学期材料力学性能低碳钢的应力低碳钢的应力- -应变曲线应变曲线拉伸试样拉伸试样拉伸试验机拉伸试验机应力应力 = F/A0应变应变 = (l-l0)/l0 s e s bbO 塑性变形弹性变形e1.1.弹性与刚度弹性与刚度 e e点对应的应力点对应的应力e e。应力。应力低于低于e e点时，产生弹性变形，超过点时，产生弹性变形，超过e e点时，产点时，产生塑性变形。生塑性变形。 弹性极限弹性极限比例极限比例极限 p p点对应的应力点对应的应力p p。OeOe线上线上OpOp部分为一条斜直线，应力与应变始终部分为一条斜直线，应力与应变始终成比例。成比例。 材料在弹

3、性范围内，应力与应变的比值材料在弹性范围内，应力与应变的比值/（MpMp）称）称为弹性模数为弹性模数E E，表示材料抵抗弹性变形的能力，用来表示材料的刚度表示材料抵抗弹性变形的能力，用来表示材料的刚度。E E值值主要取决于各种材料的本性，而工艺参数对它的影响很小。主要取决于各种材料的本性，而工艺参数对它的影响很小。 弹性模数弹性模数 e2.2.强度与塑性强度与塑性强度强度指材料在外力作用下抵抗永久变形和破坏的能力指材料在外力作用下抵抗永久变形和破坏的能力，最常，最常用的是拉伸实验测得的抗拉强度用的是拉伸实验测得的抗拉强度b bF Fb b/A/A 0.2塑性变形O0.2sesep bbpOb屈

4、服强度屈服强度 s：材料发材料发生微量塑性变形时的生微量塑性变形时的应力值。应力值。条件屈服强度条件屈服强度 0.2：残余变形量为残余变形量为0.2%0.2%时的应力值。时的应力值。抗拉强度抗拉强度 b：材料材料断裂前所承受的最大断裂前所承受的最大应力应力值值.指材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力指材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力 塑性塑性断后伸长率断后伸长率 %100%1000001lllll断面收缩率断面收缩率 %100%100010AAAAA断裂后拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象说明：说明： 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。

5、变形。 直径直径d0 相同时，相同时，l0 ， 。只有当。只有当l0/d0 为为常数时，塑性值才有可比性。常数时，塑性值才有可比性。当当l0=10d0 时，伸长率用时，伸长率用 10 表示；表示；当当l0=5d0 时，伸长率用时，伸长率用 5 表示。显然表示。显然 5 10 时，无颈缩，为脆性材料表征时，无颈缩，为脆性材料表征 时，有颈缩，为塑性材料表征时，有颈缩，为塑性材料表征3.3.硬度硬度 材料对局部塑性变形、压痕或划痕的抗力材料对局部塑性变形、压痕或划痕的抗力。是表现材料软硬程度的一种性能。金属硬度试验也是应用最广泛是表现材料软硬程度的一种性能。金属硬度试验也是应用最广泛的力学性能试验

6、方法。的力学性能试验方法。仅在金属表面产生很小压痕，可在成品上试验不需专门加工试样仅在金属表面产生很小压痕，可在成品上试验不需专门加工试样易于检查金属表面层的质量（如脱碳、表面淬火和化学热处理后的表面性能）易于检查金属表面层的质量（如脱碳、表面淬火和化学热处理后的表面性能） 设备简单，操作方便迅速设备简单，操作方便迅速。 测量方法测量方法布氏硬度布氏硬度HBHB洛氏硬度洛氏硬度HRHR维氏硬度维氏硬度HVHV弹性回跳法弹性回跳法肖氏硬度肖氏硬度压入法压入法划痕法划痕法莫氏硬度莫氏硬度（1 1）布氏硬度（）布氏硬度（HBHB）D=10、5、2.5的淬火钢球或硬质合金球的淬火钢球或硬质合金球压入试

7、样表面压入试样表面 保持一定时间后卸除试验力保持一定时间后卸除试验力 测量压痕平均直径，求出球形面积测量压痕平均直径，求出球形面积 用试验力除以球冠面积用试验力除以球冠面积 )(2102. 022dDDDPHB 布氏硬度计布氏硬度计符号符号HBS或或HBW之前的数字表示硬之前的数字表示硬度值度值, 符号后面的数字按顺序分别表符号后面的数字按顺序分别表示球体直径示球体直径、载荷及载荷保持时载荷及载荷保持时间。如间。如 120HBS10/1000/30 表表示直径为示直径为10mm的钢球在的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作）载荷作用下保持用下保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值

8、为120。布氏硬度压痕布氏硬度压痕压头为钢球时压头为钢球时，布氏硬度用符号，布氏硬度用符号HBS表示，适用表示，适用于布氏硬度值在于布氏硬度值在450450以下的材料。以下的材料。压头为硬质合金球时压头为硬质合金球时，用符号，用符号HBW表示，适用表示，适用于布氏硬度在于布氏硬度在650650以下的材料。以下的材料。布氏硬度的特点：布氏硬度的特点： 压痕面积大，其硬度值能反映金属在较大范围内各组成相的平均性能，压痕面积大，其硬度值能反映金属在较大范围内各组成相的平均性能，而不受个别组成相及微小不均匀性的影响，测量误差小，试验数据稳定，而不受个别组成相及微小不均匀性的影响，测量误差小，试验数据稳

9、定，重复性强；重复性强；压痕大，不能用于小件、成品件及比压头还硬的材料。压痕大，不能用于小件、成品件及比压头还硬的材料。布氏硬度的应用：布氏硬度的应用： 适于测量退火、正火、调质钢、有色金属适于测量退火、正火、调质钢、有色金属、铸铁和铸铁和轴承合金等具有轴承合金等具有粗大晶粒或组成相的金属材料的硬度。粗大晶粒或组成相的金属材料的硬度。 （2 2）洛氏硬度（）洛氏硬度（HRHR）F1F0h0表盘表盘主试验力主试验力预试验力预试验力压头压头试样试样F1F0h1F1F0h1200洛氏硬度（常数洛氏硬度（常数h）/ S=N-h/S 符号符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。前面的数字为硬度值，

10、后面为使用的标尺。最常用的标尺有最常用的标尺有A,B,ClHRA用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料, 如如硬质合金、表淬层和渗碳层硬质合金、表淬层和渗碳层。lHRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料, 如如有色金属和退火有色金属和退火、正火钢等。正火钢等。lHRC用于测量中等硬度材料，用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。如调质钢、淬火钢等。钢球压头与钢球压头与金刚石压头金刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕洛氏硬度的特点：洛氏硬度的特点：洛氏硬度的应用：洛氏硬度的应用： 操作简便迅速，硬度值可直接读出，压痕较小，可在工件上进行试验；操作简便迅速，硬度值可直接读出，压痕较小，可在工件上进行

11、试验；缺点是压痕小，代表性差，所测硬度值重复性差，分散度大。缺点是压痕小，代表性差，所测硬度值重复性差，分散度大。 广泛用于热处理质量的检验广泛用于热处理质量的检验 洛氏硬度计的压头有两种，当测定硬度较高的材料时，选洛氏硬度计的压头有两种，当测定硬度较高的材料时，选用用120120 的金刚石圆锥压头；测定硬度较低的材料时，选用淬的金刚石圆锥压头；测定硬度较低的材料时，选用淬火钢压头火钢压头。 （3 3）维氏硬度（）维氏硬度（HVHV） 测试原理与布氏相同，根据压痕面积计算硬测试原理与布氏相同，根据压痕面积计算硬度值。压头为两对面夹角度值。压头为两对面夹角为为136136o o的金刚石四棱的金刚

12、石四棱锥体，测定压痕对角线长度进行查表。锥体，测定压痕对角线长度进行查表。 维氏硬度维氏硬度维氏硬度计维氏硬度计维氏硬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 维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点，既可测量由极软到极硬的材料的硬度，又能互相比较。既可测量大块材料、表面硬化层的硬度，又可测量金相组织中不同相的硬度。但是，要测量对角线，工作效率低 。维氏硬度用符维氏硬度用符号号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。载荷值及载荷保持时间。d1d2TEM of Al85Ni10Ce5HVHV的特点及

13、应用：的特点及应用：4.4.韧性韧性（1 1）冲击韧性）冲击韧性（2 2）断裂韧性）断裂韧性（1 1）冲击韧性）冲击韧性材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力（材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力（a ak k）。 a a摆锤式一次冲击实验摆锤式一次冲击实验b. b.小能量多次冲击实验小能量多次冲击实验l指标为冲击指标为冲击韧性值韧性值ak(通通过冲击实验过冲击实验测得测得)。韧脆转变温度韧脆转变温度 材料的冲击韧性随温材料的冲击韧性随温度下降而下降。度下降而下降。在某在某一温度范围内冲击韧一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象性值急剧下降的现象称称韧脆转变韧脆转变。发生韧发生韧脆转变的温度范围称脆转变的温度

14、范围称韧脆转变韧脆转变温度。温度。材料材料的使用温度应高于韧的使用温度应高于韧脆转变温度。脆转变温度。韧体心立方金属具有韧脆转体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立变温度，而大多数面心立方金属没有。方金属没有。TITANIC的沉没的沉没与船体材料的质量与船体材料的质量直接有关直接有关TITANICTitanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果的冲击试验结果Titanic近代船用钢板近代船用钢板（2 2）断裂韧性）断裂韧性材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。裂纹尖端形成应力分布特殊的应力场。其强度可以用应裂

15、纹尖端形成应力分布特殊的应力场。其强度可以用应力场强度因子力场强度因子K K1 1来描述。来描述。K K1 1值的大小与裂纹尺寸（值的大小与裂纹尺寸（2a2a）和外）和外加应力（加应力（）有下式关系：）有下式关系：aYKI 由上式可见，随着应力由上式可见，随着应力的增大，的增大，K K1 1不断增大，当不断增大，当K K1 1增大增大到某一定值时，可使裂纹前沿某一区域内的应力大到足以到某一定值时，可使裂纹前沿某一区域内的应力大到足以使材料分离，从而导致裂纹突然失稳扩展而发生断裂。这使材料分离，从而导致裂纹突然失稳扩展而发生断裂。这个个K K1 1的临界值，称为材料的断裂韧度，用的临界值，称为材

16、料的断裂韧度，用K K1c1c表示。表示。 练习练习 在交变载荷作用下，材料常常在远低于其屈服强度的应力下在交变载荷作用下，材料常常在远低于其屈服强度的应力下发生断裂，这种现象称为材料的疲劳。发生断裂，这种现象称为材料的疲劳。 材料之所以产生疲劳断裂，是由于材料表面或内部有缺陷。材料之所以产生疲劳断裂，是由于材料表面或内部有缺陷。这些地方应力大于屈服强度，从而产生局部塑性变形而开裂。这些地方应力大于屈服强度，从而产生局部塑性变形而开裂。这些微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展，使承受载荷这些微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展，使承受载荷的截面面积减少，最终断裂。的截面面积减少，最终断裂。

17、 5.5.疲劳疲劳36测试方法采用升降法进行测试疲劳极限 从略高于材料的疲劳极限开始测试，如果在该应力下，不到规定的循环周次（107）就发生断裂，则降低应力水平，相反就升高一个应力水平。在断裂的测试结果图中，用表示，而未发生断裂的测试结果用表示。按照上述方法，测得的有效数据为13个以上，并在3-5个应力水平，实验才结束。37 出现第一对相反数据前的数据为无效数据； 实验前无法知道其疲劳极限，第一测试数据如果为一般材料取(0.45-0.5)b，高强度钢为(0.3-0.4)b 。 每一个应力水平相差预计的疲劳极限的3-5%。 在有效数据中，断裂和未断裂分别大约占50%左右。38 niiirrVmN

18、17110m有效实验次数（包括断裂和未断试样）iV实验的应力水平数ni该应力水平的实验次数应力水平数值39（3） S-N曲线测定方法通常在4-5级的应力水平下测试，每个应力水平测试3-5个试样的实验数据，然后进行数据处理，数据处理时，计算出中值疲劳寿命（存活率50%），最后对测试结果进行拟合，获得S-N曲线。niiNnN150lg1lg 每一级应力水平下的疲劳寿命采用如下公式计算：40 如果在某一应力水平下的疲劳寿命大于规定的数值，例如107，则这一组疲劳寿命取排列后的中值（测量次数为奇数），或两个中间数值的平均值（偶数）。41获得的数据进行绘制时，有两种方法：1）逐点描述；2）直线拟合。材料在低于材料在低于 s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。的重复交变应力作用下发生断裂的现象。材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用用 -1表示。钢铁材料规定次数为表示。钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为，有色金属合金为108通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表通过改善材料的形状