金属材料的力学性能(一)

1、1.6 金属材料的力学性能金属材料的性能分为金属材料的性能分为使用性能使用性能和和工艺性能工艺性能。1.6 1.6 金属材料的力学性能金属材料的力学性能使用性能：使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。材料在使用过程中所表现的性能。包括包括力学性能力学性能、物理性能物理性能和和化学性能化学性能。工艺性能：工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。材料在加工过程中所表现的性能。 包括包括铸造铸造、锻压锻压、焊接、焊接、热处理热处理和和切削切削性能性能等。等。 决定金属材料的应用范围、安全可靠性和决定金属材料的应用范围、安全可靠性和使用寿命。使用寿命。决定材料是否易于加工或如何加工等。决定材料是否易

2、于加工或如何加工等。 金属材料的力学性能金属材料的力学性能又称为又称为机械性能机械性能，是指金属，是指金属在外力作用下所反映出来的性能。在外力作用下所反映出来的性能。 具体的说就是金属材料在受到拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力时，对变形与断裂的抵抗能力。v材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形变形。v外力去处后能够恢复的变形称为外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形弹性变形。v外力去处后不能恢复的变形称为外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形塑性变形。 练一练练一练：举几个日常生活中弹性变形和塑性变形的例子：举几个日常生活中弹性变形和塑性

3、变形的例子力学性能力学性能v材料在力的作用下，诸如不同载荷所造成材料在力的作用下，诸如不同载荷所造成的弹性变形、塑性变形、断裂（脆性断裂、的弹性变形、塑性变形、断裂（脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂等）以及金属抵抗变韧性断裂、疲劳断裂等）以及金属抵抗变形和断裂能力的衡量指标。形和断裂能力的衡量指标。v常用的力学性能有：常用的力学性能有：强度强度、塑性塑性、硬度硬度、韧性韧性及及疲劳强度疲劳强度等。等。一、强度与塑性一、强度与塑性v强度强度是指金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性是指金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。变形和断裂的能力。v塑性塑性是指金属材料在静载荷作用下产生塑性变是指金属

4、材料在静载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。形而不被破坏的能力。v金属材料的强度和塑性的判据可通过拉伸试验金属材料的强度和塑性的判据可通过拉伸试验测定。测定。 1 1、拉伸实验、拉伸实验在拉伸机上进行。在拉伸机上进行。 把标准试样装夹在试验机上，然后对把标准试样装夹在试验机上，然后对试样缓慢施加拉力，使之不断变形直到拉试样缓慢施加拉力，使之不断变形直到拉断为止。断为止。（1 1）. . 拉伸试样（拉伸试样（GB6397-86GB6397-86）长试样：长试样：L L0 0= =1010d d0 0短试样：短试样：L L0 0= =5 5d d0 0 万能材料试验机万能材料试验机 a) WE

5、a) WE系列液压式系列液压式 b) WDWb) WDW系列电子式系列电子式（2 2）拉伸机）拉伸机拉伸试验视频拉伸试验视频1 1（3 3）拉伸试验）拉伸试验 (a) (a)试样试样 (b)(b)伸长伸长 (c)(c)产生缩颈产生缩颈 (d)(d)断裂断裂拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象拉伸试验视频拉伸试验视频1回顾回顾2 2、低碳钢拉伸曲线、低碳钢拉伸曲线OAOA弹性变形阶段弹性变形阶段A AABCABC屈服阶段屈服阶段CDCD强化阶段强化阶段DEDE缩颈阶段缩颈阶段LF0 0脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）脆性材料的拉伸曲线（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

6、象。脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。 应力应力 = = F F/ /A A0 0应变应变 = ( = (l l- -l l0 0)/)/l l0 0 3.3.弹性极限弹性极限 e e 弹性极限弹性极限是指在产生完全弹性变形时材料所是指在产生完全弹性变形时材料所能承受的最大应力，即：能承受的最大应力，即： 式中式中F Fe e试样完试样完全弹性变形时所能承受全弹性变形时所能承受的最大载荷，的最大载荷，N N ； AoAo试样原始截试样原始截面积，面积，mmmm2 2。 e e弹性极限，弹性极限，单位是单位是MPMPa a。oeeAF 弹性极限是表示金属材料不产生塑性变形时所弹性极限是表示金属

7、材料不产生塑性变形时所能承受的最大应力值，是工作中不允许有微量塑性能承受的最大应力值，是工作中不允许有微量塑性变形的设计与选材的重要依据。变形的设计与选材的重要依据。 强度强度是指金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变是指金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。形和断裂的能力。 是工程技术上重要的力学性能指标。是工程技术上重要的力学性能指标。 由于载荷的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切由于载荷的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切等形式，相应的强度也有抗拉强度、抗压强度、抗弯等形式，相应的强度也有抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。强度、抗剪强度等。 工程上最常用的是工程上最常用的是屈

8、服强度屈服强度和和抗拉强度抗拉强度。4 4、强度、强度v材料强度的大小通常用材料强度的大小通常用单位面积上所承受单位面积上所承受的力来表示的力来表示，其单位为，其单位为N/mN/m2 2(Pa)(Pa)，但，但PaPa这个单位太小，所以实际工程中常用这个单位太小，所以实际工程中常用MPaMPa（MPa=10MPa=106 6PaPa）作为强度的单位。）作为强度的单位。v一般钢材的屈服强度在一般钢材的屈服强度在2002002000MPa 2000MPa 之间，如建造之间，如建造20082008年北京奥运会主体育年北京奥运会主体育场场“鸟巢鸟巢”外部钢结构的外部钢结构的Q460EQ460E钢，其钢

9、，其屈服强度为屈服强度为460MPa460MPa。屈服现象：屈服现象： 在金属拉伸试验过程中，在金属拉伸试验过程中，当应力超过弹性极限后，变当应力超过弹性极限后，变形增加较快，此时除了弹性形增加较快，此时除了弹性变形外，还产生部分塑性变变形外，还产生部分塑性变形。当外力增加到一定数值形。当外力增加到一定数值时，在外力不增加或上下波时，在外力不增加或上下波动情况下，试样继续伸长变动情况下，试样继续伸长变形，在力伸长曲线出现一形，在力伸长曲线出现一个波动的小平台，这便是屈个波动的小平台，这便是屈服现象。服现象。（1 1）屈服强度）屈服强度屈服强度屈服强度它是拉伸试样产生屈服现象时的应力。它是拉伸试

10、样产生屈服现象时的应力。)(MPaAFoss 式中式中F Fs s试样产试样产生屈服时所承受的最大生屈服时所承受的最大载荷，载荷，N N ； AoAo试样原始截试样原始截面积，面积，mmmm2 2。v对于高碳淬火钢、铸铁等材料，在拉伸试验中没有对于高碳淬火钢、铸铁等材料，在拉伸试验中没有明显的屈服现象，无法确定其屈服强度。明显的屈服现象，无法确定其屈服强度。v国标国标GB228-2002GB228-2002规定，一般规定以试样产生规定，一般规定以试样产生0.2%0.2%塑性变形时的应力作塑性变形时的应力作为该材料的屈服强度，称为该材料的屈服强度，称为为条件屈服强度条件屈服强度，用，用 r0.2

11、r0.2表示。表示。（2 2）抗拉强度）抗拉强度 金属材料在拉断前所能承受的最大应力。金属材料在拉断前所能承受的最大应力。用符号用符号 b b表示。表示。计算公式计算公式)(0MPaAFbb F Fb b试样在拉断前所试样在拉断前所承受的最大载荷，承受的最大载荷，N N；A A0 0试样的原始横截试样的原始横截面积，面积，mmmm2 2。v屈服强度屈服强度和和抗拉强度抗拉强度是设计机械零件的主要依据。是设计机械零件的主要依据。v机器零件或构件在工作时，一般不允许发生塑性变机器零件或构件在工作时，一般不允许发生塑性变形，因此形，因此多以屈服强度多以屈服强度 s s作为强度设计的依据作为强度设计的

12、依据。v对于对于脆性材料脆性材料，因断裂前几乎不发生塑性变形，所，因断裂前几乎不发生塑性变形，所以也没有屈服强度，在强度计算时，以也没有屈服强度，在强度计算时，以抗拉强度以抗拉强度 b b为依据为依据。 v强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，一强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，一般钢材的屈服强度在般钢材的屈服强度在2002001000MPa 1000MPa 之间。之间。v强度越高，表明材料在工作时可以承受强度越高，表明材料在工作时可以承受越越高的载荷。高的载荷。当载荷一定时，选用高强度的材料，可以减小构件当载荷一定时，选用高强度的材料，可以减小构件或零件的尺寸，从而减小其自重。或

13、零件的尺寸，从而减小其自重。v因此，提高材料的强度是材料科学中的重要课题，因此，提高材料的强度是材料科学中的重要课题，称之为材料的强化。称之为材料的强化。强度的意义强度的意义衡量指标衡量指标金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力。金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力。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。试样拉断处的横截面积的缩减量与原始横试样拉断处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。截面积的百分比。5 5、塑性、塑性（1 1）伸长率）伸长率l1-l0l0100%=l1试样拉断后的试样拉断后的标距标距,

14、mm;,mm;l0 0试样的原始标试样的原始标距距,mm,mm。思考：思考： 值越大，说明材料的塑性越好还是越差？值越大，说明材料的塑性越好还是越差？v同一材料的试样长短不同，测得的断后伸长同一材料的试样长短不同，测得的断后伸长率略有不同。率略有不同。v由于大多数韧性金属材料的集中塑性变形量由于大多数韧性金属材料的集中塑性变形量大于均匀塑性变形量，因此，比例试样的尺大于均匀塑性变形量，因此，比例试样的尺寸越短，其断后伸长率越大，用短试样（寸越短，其断后伸长率越大，用短试样（L L0 05 5d d0 0）测得的断后伸长率）测得的断后伸长率5略大于用长试样略大于用长试样（L L0 01010d

15、d0 0）测得的断后伸长率）测得的断后伸长率10。 （2 2）断面收缩率）断面收缩率A0-Ak A0=100%A A0 0 试样原始横截面积试样原始横截面积,mm,mm2 2；A A k k 试样断裂试样断裂处的最小横截面积处的最小横截面积,mm,mm2 2 。思考：思考：值越大，说明材料的塑性越好还是越差？值越大，说明材料的塑性越好还是越差？塑性的意义塑性的意义v任何零件都要求材料具有一定的塑性。很显任何零件都要求材料具有一定的塑性。很显然，断后伸长率然，断后伸长率和断面收缩率和断面收缩率越大，说明越大，说明材料在断裂前发生的塑性变形量越大，也就材料在断裂前发生的塑性变形量越大，也就是材料的

16、塑性越好。是材料的塑性越好。v意义：意义： a a）安全，防止产生突然破坏；）安全，防止产生突然破坏； b b）缓和应力集中；）缓和应力集中； c c）轧制、挤压等冷热加工变形。）轧制、挤压等冷热加工变形。v强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。在金属强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。在金属材料的工程应用中，要提高强度，就要牺牲一部材料的工程应用中，要提高强度，就要牺牲一部分塑性。反之，要改善塑性，就必须牺牲一部分分塑性。反之，要改善塑性，就必须牺牲一部分强度。强度。v正所谓正所谓“鱼和熊掌二者不能兼得鱼和熊掌二者不能兼得”。但通过细化。但通过细化金属材料的显微组织，可以同时提高材料的强度金属

17、材料的显微组织，可以同时提高材料的强度和塑性。和塑性。低碳钢拉伸试验视频低碳钢拉伸试验视频2 2复习巩固复习巩固1 1、金属的力学性能包括哪些指标？、金属的力学性能包括哪些指标？强度强度 塑性塑性 硬度硬度 韧性韧性 疲劳强度疲劳强度复习巩固复习巩固1 1、金属的力学性能包括哪些指标？、金属的力学性能包括哪些指标？2 2、什么是强度？衡量材料强度的指标是什么？、什么是强度？衡量材料强度的指标是什么？ 强度是金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性强度是金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。变形和断裂的能力。 强度指标主要有屈服极限和强度极限。强度指标主要有屈服极限和强度极限。复习巩固复习巩

18、固1 1、金属的力学性能包括哪些指标？、金属的力学性能包括哪些指标？2 2、什么是强度？衡量材料强度的指标是什么？、什么是强度？衡量材料强度的指标是什么？3 3、设计零件主要依据哪种强度指标？、设计零件主要依据哪种强度指标？ 一般零件以屈服强度一般零件以屈服强度 s s作为强度设计的依据作为强度设计的依据；但对于脆性材料，则以抗拉强度但对于脆性材料，则以抗拉强度 b b为依据为依据。复习巩固复习巩固1 1、金属的力学性能包括哪些指标？、金属的力学性能包括哪些指标？2 2、什么是强度？衡量材料强度的指标是什么？、什么是强度？衡量材料强度的指标是什么？3 3、设计零件主要依据哪种强度指标？、设计零件主要依据哪种强度指标？4 4、什么是塑性？材料的塑性指标有哪些？什么是塑性？材料的塑性指标有哪些？ 塑性是指材料在载荷作用下，产生塑性变形而塑性是指材料在载荷作用下，产生塑性变形