第一章金属材料的力学性能

普通高等教育“十一五”国家级规划教材

普通高等教育机电类规划教材机械制造基础丁金福浙江师范大学工学院zsddif@zjnu.c伦比亚号航天飞机材料是指人类用以制造各种有用器件的物质。第1章工程材料概述

材料是人类生产和生活所必须的物质基础。手锤锉刀“神舟”号飞船成功返回国产涡喷-7涡轮喷气发动机第1章工程材料概述

石器铁器石器时代青铜器时代铁器时代材料是人类进化的里程碑。由于材料的重要性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。第1章工程材料概述

铜车马

我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学家宋应星在《天工开物》一书中就记载了古代的渗碳热处理等工艺。这说明早在欧洲工业革命之前，我国在金属材料及热处理方面就已经有了较高的成就。

生铁炒熟铁图宋应星材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。

材料的发展与人类社会简图第1章工程材料概述

龙芯联想计算机没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前的计算机技术。

第1章工程材料概述

芯片飞机发动机叶片在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片第1章工程材料概述

航空航天没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。

二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，称作现代文明的三大支柱之一。

第1章工程材料概述

前苏联在1957年首次把人造卫星送入太空，令美国人震惊不已，认识到在火箭技术上落后。此后，在十多所大学中陆续建立了材料科学研究中心，并把约2/3大学的冶金系或矿冶系改建成材料科学与工程系。其涉及的材料由金属扩展到了陶瓷和高分子材料。可见，高技术需要先进材料的支持。前苏联第一颗人造卫星及其运载火箭第1章工程材料概述

中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出过重大贡献。早在公元前6000~5000年的新石器时代，中华民族的先人就能用黏土烧制成陶器，到东汉时期又出现了瓷器，并流传海外。第1章工程材料概述

4000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。

司母戊鼎河南安阳晚商遗址出土青铜铸造高133厘米重875kg饰纹优美第1章工程材料概述

越王勾践剑春秋晚期越国青铜兵器出土于湖北江陵楚墓长55.7厘米剑锷锋芒犀利锋能割断头发第1章工程材料概述

古代剑刃制造中的特殊技术春秋战国时代的青铜剑，剑身及剑锋由不同成分的青铜组成，是复合材料很好的例子梯度材料古已有之这是古代剑刃截面图第1章工程材料概述

原子弹、氢弹的爆炸，卫星、飞船的上天等都说明了我国在材料的开发、研究及应用等方面有了飞跃的发展。我国建起了鞍山、宝钢等大型钢铁基地，钢产量由1949年的l5.8万t上升到5.5亿t，已连续十三年成为世界上钢产量第一大国第1章工程材料概述

材料发展的历程示意图第1章工程材料概述

箱体类轴套类

盘盖类

叉架类返回第一章金属材料的力学性能

教学要求主要内容本章重点本章小结习题教学要求

通过学习，应掌握金属材料的力学性能指标和测试方法，以及各个指标的物理意义。

在设计机械零件和选择材料时要能根据零件的工作环境，零件所承受的载荷情况重点考虑某些力学性能指标。主要内容

第一节强度和塑性第二节硬度第三节冲击韧度第四节疲劳强度本章重点

金属材料的力学性能指标和测试方法，以及各个指标的物理意义。机械制造基础第一章第一节强度和塑性

机器上由金属材料研制成的零、部件，在工作过程中都要承受外力(或称载荷)作用。

载荷作用的结果将引起零、部件形状和尺寸的改变，这种改变称为变形。

常见的变形方式有：拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切。

常用的力学性能试验方法有：拉伸试验、硬度试验、冲击试验等。力学性能的主要指标有：强度、塑性、硬度、冲击韧度等。机械制造基础第一章一、强度强度—金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。强度的分类：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗扭强度、抗剪强度等。各种强度之间有一定的联系。一般情况下多以抗拉强度作为判别金属材料强度高低的指标。抗拉强度是通过拉伸试验测定的。拉伸试验的方法：用静拉伸力对标准试样进行轴向拉伸，同时连续测量力和相应的伸长，直至断裂。机械制造基础第一章1．拉伸试样

试验时应先将被测金属材料制成标准试样。图1-1所示为圆形拉伸试样。

图1-1圆形拉伸试样

a)拉伸前b)拉断后

d0——试样的直径；

L0——标距长度。根据标距长度与直径之间的关系，试样可分为长试样(L0=10d0)

和短试样(L0=5d0)。

机械制造基础第一章2．力－伸长曲线拉伸力与伸长量的关系曲线叫做力－伸长曲线，也称拉伸图。低碳钢在拉伸过程中，其载荷与变形关系有以下几个阶段：1）弹性变形

当载荷不超过Fe时，拉伸曲线Oe为直线;如果卸除载荷，试样仍能恢复到原来的尺寸，即试样的变形完全消失。图1-2低碳钢的力—伸长曲线机械制造基础第一章(2)塑性变形

当载荷超过Fe后，试样将进一步伸长。此时若卸除载荷，弹性变形消失，而另一部分变形却不能消失，即试样这种载荷消失后仍继续保留的变形叫塑性变形。

当载荷达到Fs时，拉伸曲线出现了水平或锯齿形线段，表明在载荷基本不变的情况下，试样却继续变形，这种现象称为“屈服”。

（3）断裂

当载荷继续增加到某一最大值Fb时，试样的局部截面缩小，产生所谓的“缩颈”现象。当达到拉伸曲线上k点时，试样随即断裂。

Fk为试样断裂时的载荷。机械制造基础第一章

在试样产生缩颈以前，由载荷所引起试样的伸长，基本上是沿着整个试样标距长度内发生的，属于均匀变形；缩颈后，试样的伸长主要发生在颈部的一段长度内，属于集中变形。

3．强度指标

强度指标是用应力值来表示的。试样受到载荷作用时，则内部产生大小与载荷相等而方向相反的抗力(即内力)。单位截面积上的内力，称为应力，用符号σ表示。弹性极限——金属材料能保持弹性变形的最大应力，用σe表示。

式中Fe——弹性变形范围内的最大载(N)；

S0——试样原始横截面积(m㎡)。机械制造基础第一章抗拉强度——

试样断裂前能够承受的最大应力，称为抗拉强度，用σb表示。

式中Fb——试样断裂前所能承受的最大载荷(N)；

S0——试样的原始横截面积(m㎡)。

低碳钢的屈服强度σs约为240MPa，抗拉强度σb约为400MPa。

工程上所用的金属材料，不仅希望具有较高的σs，还希望具有一定的屈强比(σs／σb)。

屈强比越小，结构零件的可靠性越高，万一超载也能由于塑性变形而使金属的强度提高，不致于立即断裂。但屈强比太小，则材料强度的有效利用率就太低。机械制造基础第一章二、塑性

金属发生塑性变形但不破坏的能力称为塑性。在拉伸时它们分别为伸长率和断面收缩率。1．伸长率

伸长率是指试样拉断后的标距伸长量与原始标距的百分比，用符号δ表示。即：式中L0——试样的原始标距长度(mm)；

L1——试样拉断后的标距长度(mm)。

机械制造基础第一章2．断面收缩率

断面收缩率是指试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比，用符号ψ表示。即：式中So——试样原始横截面积(m㎡)；

S1——试样断裂处的横截面积(m㎡)。

伸长率的大小与试样的尺寸有关。试样长短不同，测得的伸长率是不同的。长、短试样的伸长率分别用δ10和δ5表示，δ10也常写成δ。

δ和ψ是材料的重要性能指标。它们的数值越大，材料的塑性就越好，故可以进行压力加工；普通铸铁的塑性差，因而不能进行压力加工，只能进行铸造。机械制造基础第一章第二节硬度

硬度是衡量金属材料软硬程度的指标，是指金属抵抗局部弹性变形、塑性变形、压痕或划痕的能力。

硬度是金属材料的重要性能之一，也是检验工、模具和机械零件质量的一项重要指标。常用的硬度试验方法有：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种。一、布氏硬度

测定原理——是用规定的试验力F，把直径为D的硬质合金球压人被测金属表面，保持一定时间后卸除载荷，在放大镜下测量被测试金属表面的压痕直径d，由此计算压痕的球缺面积S，然后再求出压痕的单位面积所承受的平均压力（F/S），以此作为被测试金属的布氏硬度值，如图1-3所示。机械制造基础第一章

布氏硬度用符号HBW表示，习惯上只写明硬度的数值而不标出单位。硬度符号HBW前面的数值为硬度值，符号后面的数值表示试验条件的指标，依次为球体直径、试验力大小及试验力保持时间（10～15s时不标注）。

例如：600HBW1/30/20表示用直径为1mm的硬质合金球，在294N的试验力作用下保持20s，测得的布氏硬度值为600。图1-3布氏硬度试验原理图1-4布氏硬度实验示意图

返回机械制造基础第一章

进行布氏硬度试验时，应根据被测试金属材料的种类和试样厚度，选择不同大小的球体直径D、试验载荷F和载荷保持时间。GB/T231.1－2002规定：1、球体直径有10mm、5mm、2.5mm和1mm四种；2、试验力（单位N）与球体直径平方的比值（0.102F/D2）有30、15、10、5、2.5和1共6种（根据金属材料的种类和布氏硬度范围，按教材中表1-1选定0.102F/D2）；3、试验力的保持时间为10～15s。对于要求试验力保持较长时间的材料，试验力保持时间允许误差为±2s。

布氏硬度试验法因压痕面积较大，能反映出较大范围内被测金属的平均硬度，故试验结果较精确。但因压痕较大，所以不宜测试成品或薄片金属的硬度。

机械制造基础第一章二、洛氏硬度测定原理:1、顶角为120°的金刚石圆锥或直径为1.588mm的淬火钢球或硬质合金球作压头;2、在初试验力F0及总试验力F

分别作用下压入金属表面，然后卸除主试验力F1;3、在初试验力F0下测定残余压入深度，用深度的大小来表示材料的洛氏硬度值，并规定每压人0.002mm为一个硬度单位。图1-4洛氏硬度试验原理图1-5洛氏硬度试验原理及硬度计h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计机械制造基础第一章压痕的深度h=h3－h1，洛氏硬度的计算公式为：

洛氏硬度式中h

——压痕深度；N——给定标尺的数值，A、C标尺为100；B标尺为130。淬火钢球压头用于退火件、有色金属等较软材料的硬度测定；金刚石压头适用于淬火钢等较硬材料的硬度测定。洛氏硬度所加载荷根据被测材料本身硬度不同而组成不同的洛氏硬度标尺，其中最常用的是A、B、C三种标尺，其试验规范见教材中表1-2（GB/T230.1－2004）。

机械制造基础第一章优点：操作迅速、简便，可从表盘上直接读出硬度值，不必查表或计算，而且压痕小，可测量较薄工件的硬度。缺点：精确性较差，硬度值重复性差，需要在材料的不同部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度。三、维氏硬度

压头为锥面夹角为136度的金刚石正四棱锥体，如图1-5所示。测量压痕对角线的平均长度d，借以计算压痕的面积S，以F／S的数值来表示试样的硬度值，用符号HV

表示。

图1-6维氏硬度试验原理图1-7维氏硬度实验示意图

返回机械制造基础第一章

维氏硬度试验常用的试验力有：49.03N、98.07N、196.1N、94.2N、490.3N、980.7N等几种。在试样厚度允许的情况下尽可能选用较大的试验力，以获得较大的压痕，提高测量精度。

维氏硬度标注时，在符号HV前面标出硬度值，在HV后面的数值依次表示试验力值和试验力保持时间

(保持时间为10～15s时不标出)。

例如：640HV300表示在试验力为294.2N下，保持10～15s测得的维氏硬度为640；640HV300／20表示在试验力为294.2N下，保持20s测得的维氏硬度值为640。

实际测量时，用装在机体上的测量显微镜，测出压痕投影的两对角线的平均长度d，然后根据d的大小查表（GB/T4340－1999），求得所测的硬度即可。

机械制造基础第一章

维氏硬度可测软、硬金属，尤其是极薄零件和渗碳层、渗氮层的硬度，它测得的压痕轮廓清晰，数值较准确。维氏硬度值需要测量压痕对角线，经计算或查表才能获得，效率不如洛氏硬度试验高，所以不宜用于成批零件的常规检验。由于各种硬度试验的条件不同，因此相互间没有理论的换算关系。

根据试验结果，可获得粗略换算公式如下：当硬度在200～600HBW范围内HRC≈1／10HBW

当硬度小于450HBW时HBW≈HV机械制造基础第一章第三节冲击韧度

金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧度。通常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定金属材料的韧度，其试验原理如图1-8所示。

试验时，把标准冲击试样的缺口背向摆锤方向放在冲击试验机上，将摆锤扬起到规定高度H1，然后自由落下，将试样冲断。

图1-8冲击韧性试验

摆锤冲断试样所消耗的功为AK=mg(H1－H2)，称做冲击吸收功，可从冲击试验机上直接读出，单位为焦耳（J）。用试样缺口处的横截面积S去除AK所得的商即为该材料的冲击韧度值，用符号αK表示，单位为焦耳／厘米2(J／cm2)。即：机械制造基础第一章试样缺口有U和V两种，冲击韧度值分别以αKU和αKV表示。

αKV值越大，材料的冲击韧度越好，断口处则会发生较大的塑性变形，断口呈灰色纤维状；

αKV值越小，材料的冲击韧度越差，断口处无明显的塑性变形，断口具有金属光泽而较为平整。

强度、塑性两者均好的材料，αKV值也高。加载速度越快，温度越低，表面及冶金质量越差，则αKV值越低。机械制造基础第一章第四节疲劳强度

有许多零件(如齿轮、弹簧等)是在交变应力

(指大小和方向随时间作用期性变化)下工作的，零件在这种交变载荷作用下经过长时间工作也会发生破坏，通常这种破坏现象叫做金属的疲劳断裂。

图1-9是某材料的疲劳曲线，横坐标表示循环周次，纵坐标表示交变应力。材料承受的交变应力越大，疲劳破坏前能循环工作的周次越少；当循环交变应力减少到某一数值时，曲线接近水平，即表示当应力低于此值时，材料可经受无数次应力循环而不破坏。

机械制造基础第一章

我们把材料在无数次交变载荷作用下而不破坏的最大应力值称为疲劳强度。通常光滑试样在对称弯曲