第1章 材料的力学性能

工程材料的分类按组成特点分：金属材料高分子材料非金属材料复合材料陶瓷材料材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。

铸造性能可锻性能可焊性能热处理性工艺性切削加工性能工程材料的性能

使用性能力学性能物理性能化学性能工艺性能第１章材料的力学性能1.1材料的静载力学性能

1.2材料的非静载力学性能

基本内容和要求掌握金属主要机械性能：强度、塑性、韧性、硬度的概念和应用

方法：概念较多、实践性强，要联系实际加深理解和记忆材料的力学性能是指材料在外力作用下所表现出的特性。外力→弹性变形→失效作用在机件上的外力——载荷静载荷动载荷常见的失效形式断裂塑性变形过量弹变磨损腐蚀力学性能bs强度塑性刚度硬度韧性疲劳强度失效形式与力学性能的关系失效形式断裂塑性变形过量弹变磨损1.1.1拉伸试验拉伸试样的颈缩现象拉伸试验机kbb—极限载荷点Fee—弹性极限点sS—屈服点K—断裂点拉伸曲线FFL应力—应变曲线缩颈o弹性变形－－随外力消失而消失的变形FFF弹性：受外力作用时产生变形，外力去掉后能恢复原来形状的性能。刚度：材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力。（弹性模量E的大小主要取决于各种材料的本性）1.1.2弹性与刚度塑性变形产生永久的不可恢复的变形FFF当材料单位面积上所受的应力σe<σ<σs时，只产生微量的塑性变形。当σ>σs时，材料将产生明显的塑性变形。条件屈服强度:σ0.2=F0.2/S0（MPa）1.强度材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。（1）屈服强度（σS、σ0.2

）指材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力。σS=Fs/S0（MPa）它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。屈服强度—是塑性材料选材和评定的依据。1.1.3强度与塑性对于塑性差的材料，用σ0.2来代替σskbFes100%0.2%b

σb=Fb/S0（MPa）（2）抗拉强度（σb）抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。抗拉强度—是脆性材料选材的依据。屈强比σs/σb小，则工程构件可靠性高

σbσsσeεσ退火低碳钢低、中回火钢淬火钢及铸铁中碳调质钢不同材料的拉伸曲线2.塑性常用δ和ψ作为衡量塑性的指标。伸长率：材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。断面收缩率:FFLδ↑、Ψ↑塑性越好

δ<2~5% 属脆性材科δ≈5~10% 属韧性材料δ>10% 属塑性材料任何零件都需要一定塑性。塑性变形可以缓解应力集中、削减应力峰值。防止过载断裂；增加可靠性。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。1.1.4硬度(hardness)抵抗更硬的物体压入其内的能力。抵抗局部塑性变形的能力通常材料的强度越高，硬度也越高，耐磨性越好。1.布氏硬度HB(Brinell-hardness)

F用一定载荷P，将直径为D的球体，压入被测材料的表面，保持一定时间后卸去载荷，根据压痕面积大小确定硬度值。

测量HBS<450的较软金属采用淬火钢球测量HBW450-650的材料采用硬质合金钢球exp:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。布氏硬度试验布氏硬度计

布氏硬度特点布氏硬度测量的优点：测量数值稳定，准确

缺点：操作慢，不适用批量生产和薄形件布氏硬度适用于：铸铁，有色金属退火、正火、调质处理钢（未经淬火的钢）原材料，毛坯当HBS<450时有效（HBW450-650)低碳钢：σb≈3.6HB高碳钢：σb≈3.4HB调质合金钢：σb≈3.25HB2.洛氏硬度HR(Rockwellhardness)洛氏硬度一般用于HB>450FFF120010HRC≈HBS将标准压头用规定压力压入被测材料的表面，根据压痕深度来确定硬度值根据压头的材料及所加的负荷不同又可分为HRA、HRB、HRC三种洛氏硬度试验原理：HR=(k-h)/0.002对金刚石圆锥压头k=0.2mm对钢球压头k=0.26mm洛氏硬度特点洛氏硬度测量的优点：操作简便，压痕小可用于成品和薄形件

缺点：测量数值分散HRC洛氏硬度适用于：淬火钢，调质钢批量生产的零件当HRC20-70时有效3.维氏硬度HV

(diamondpenetratorhardness)适用范围:

测量薄板类

HV≈HBS1．冲击韧度

(impacttoughness)

AK=G（H1–H2）（J）ak=

AK/S（J/m2）

金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。

1.2材料的非静载力学性能许多机械零件和工具在工作中，往往要受到冲击载荷的作用，如活塞销、锤杆、冲模和锻模等，材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击性能。2．多冲击力(impactsresistance)

试样受小能量多次冲击下，试样断裂前的冲击次数。材料的多冲击抗力在冲击能量高时，主要取决于塑性，而抵抗小能量多次冲击的能力主要取决于强度。在冲击载荷下工作的零件，很少是受大能量一次冲击而破坏的；往往是受小能量多次重复冲击而破坏的。3．疲劳强度(fatiguestrength)材料在无数次重复或交变载荷作用下不引起破坏的最大应力。—循环基数钢：

受交变载荷作用的零件，在其所受应力远远低于该材料的屈服强度时，会发生突然的断裂。而且是脆性断裂。据统计，约80%的机件失效为疲劳破坏。有色金属：钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:σ-1

=(0.45～0.55)σb

桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应力脆断，这种断裂的名义断裂应力低于材料的屈服强度。究其原因是构件或零件内部存在着裂纹和类似裂纹的缺陷造成的。裂纹在应力作用下可失稳而扩展，导致机件破断。裂纹尖端附近各点应力大小取决于其应力强度因子K1。当增大到某一值时，使裂纹扩展引起脆断，此临界值称为断裂韧性K1c，用来表示材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力，K1c可通过试验测定。

1.3材料的断裂韧度油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关

1943年美国T-2油轮发生断裂北极星导弹裂纹扩展的基本形式

材料的蠕变是指材料在较高的温度下，外力低于其屈服极限时，产生的随时间的延长而产生塑性变形乃至断裂的现象。金属材料及陶瓷一般在约为0.3-0.5熔点，就会发生蠕变。常用的蠕变性能指标：①蠕变极限是以给定温度下和规定时间内，使试样产生一定蠕变伸长量的应力作为蠕变极限；

②持久强度是表征材料在高温载荷长期作用下抵抗断裂的能力，是试样在给定温度经规定时间发生断裂的应力。

1.4材料的高、低温力学性能1.高温力学性能低温冷脆是指材料在较低温度下，会发生脆性增大的现象，显然发生冷脆的温度越低，材料的低温性能就越好。

2.低温力学性能建造中的Titanic号TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关

牌号力学性能应用

δHBSHRCQ235-A40023526工程结构45钢6101622955*轴、杆ZG310-570570310153铸钢件ZAlSi2143450活塞HT250250气缸体QT700-27004202270曲轴注：*为淬火后硬度值。几种常用材料的力学性能三、工程材料的工艺性能工艺性能是指制造工艺过程中材料适应加工的性能，即指其铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。磁性是设计、工艺上应考虑的重要性能能磁化材料不能磁化材料补充：金属材料的其它性能

1．物理性能密度ρ

：单位体积的质量密度影响产品的重量、性能比强度σb

/ρ硬磁性材料：外加磁场去除后，材料磁性保留软磁性材料：外加磁场去除后，材料磁性消失熔点

是热加工的重要工艺参数是设计选材的重要依据热膨胀性（线膨胀系数α）是设计、工艺上应考虑的重要性能导热性（导热系数λ）是传热设备应考虑的重要性能防止材料内外温差过大金属越纯→导热性越好导电性（电阻率）是设计导电、绝缘零件的重要性能金属越纯→导电性越好温度越高→导电性越差2．化学性能

材料的化学性能主要：

耐腐蚀性高温抗氧化性

化学稳定性金属腐蚀的分类：化学腐蚀：由纯化学反应引起氧化膜疏松→氧化深入→向内部腐蚀致密→腐蚀被抑制→保护内部金属电化学腐蚀：由电化学反应引起防止腐蚀的办法1改变金属成分（合金化）