第一章 金属材料的机械(力学)(2)新

包括两方面材料使用性能材料工艺性能力学性能（强度、塑性、韧性等）物理性能（光、热、电、磁等）化学性能（氧化、腐蚀等）生物性能（相容性、自恢复性等）加工性能（切削、锻造等）铸造性能（适合铸造与否）焊接性能（容易焊接与否）热处理性能（可热处理强化）机械工程材料的常用性能第一章金属材料的机械（力学）性能材料的性能包括:

●

使用性能(力学性能、物理、化学性能)

●

工艺性能(铸造性、可锻性、切削加工性)力学性能

(机械性能)_____材料在载荷(外力或能量)以及环境因素作用下表现出的变形和破断的特性。

材料受外力作用时，将会产生变形和破坏。其过程一般是：弹性变形－塑性变形－断裂。弹性变形是外力去除后能够自行恢复的变形。塑性变形是外力去除后不能完全自动恢复而保留下来的变形，又称永久变形。§1-1

静载时材料的机械性能一、静拉伸试验——各种性能指标含义、单位、及影响因素。1.应力-应变曲线（分为四阶段）：

●弹性变形

●屈服变形●

均匀塑性变形阶段

●局部集中塑性变形——颈缩拉伸试样拉伸试验机*拉伸试样：长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0d0L0拉伸试样的颈缩现象力—伸长曲线FesbkLFsFbO屈服弹性变形缩颈断裂塑性变形拉伸图bse弹性变形弹性变形、塑性变形非线性弹性变形2.强度

——材料抵抗变形、断裂的能力，单位MN/m2

(MPa

）●屈服强度σs

——材料开始明显塑性变形的抗力,

是设计和选材的主要依据之一。

▲σs

=Fs/Ao

▲工业上的屈服强度规定产生0.2%变形时应力值为屈服强度.即:σs

=

σ0.2

●抗拉强度σb

(质量控制指标)————抗拉强度是指试样拉断前所承受的最大拉应力，用符号σb表示。是零件设计的重要依据,也是评定金属材料质量的重要指标。

▲σb

=Fb/Ao

▲铸铁、陶瓷、复合材料等脆性材料

σb

=σs

▲中、高碳钢等无明显屈服现象.●比强度σb/d——玻璃钢d=2.0,σb=1060MN/m2，为铝的三倍。

3.

塑性δ、ψ

——塑性是材料在静载荷作用下产生变形而不破坏的能力。

评定材料塑性的指标是断后伸长率和断面收缩率。

塑性直接影响到零件的成形及使用。塑性好的材料，不仅能顺利地进行轧制、锻压等成形工艺，而且在使用中万一超截，由于变形而能避免突然断裂。所以大多数机械零件除要求具有较高的强度外，还必须有一定的塑性。一般情况，伸长率达5％或断面收缩率达10％的材料，即可满足大多数零件的使用要求。▲

δ、ψ是表示材料塑性好坏的指标。▲塑性好的材料易加工、使用时不易突然断裂。(1)断面收缩率(percentagereductioninarea):

是指试样拉断处横截面积A1

的收缩量与原始横截面积A0之比。

A0–A1

ψ=×100%A0(2)伸长率(延伸率)specificelongation:

是指试样拉断后的标距伸长量Lk与原始标距L0之比。

Lk–L0δ=×100%L0

δ<2~5%属脆性材科δ≈5~10%属韧性材料δ>10%属塑性材料二.硬度(hardness):是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力。

布氏硬度HB洛氏硬度HR维氏硬度HV肖氏硬度HS锉刀法常用测量硬度的方法硬度

——硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，是衡量材料软硬的判据，是一个综合的物理量。是工业上质量检验、工艺设计最常用的试验方法。材料的硬度越高，耐磨性越好，故常将硬度值作为衡量材料耐磨性的重要指标之一。抵抗外物压入的能力。

●硬度的应用：▲检验产品质量▲衡量刀具、轴承等软硬程度和耐磨性▲可换算为强度极限

1．布氏硬度

——用直径为D的淬火钢球或硬质合金球，以相应的试验力F压入试样表面，保持规定的时间后卸除试验力，在试样表面留下球形压痕，如左图所示。布氏硬度值用球面压痕单位面积上所承受的平均压力表示。用淬火钢球作压头时，布氏硬度用符号“HBS”表示;用硬质合金球作压头，布氏硬度用符号“HBW”表示。布氏硬度适用于未淬火的钢、铸铁、有色金属或软质的轴承合金。

压头：淬火钢球HBS硬质合金钢球HBW布氏硬度计

●HB=F/S（MPa或kgf/mm2），F——施加的载荷

S——压头表面积

●

特点：

▲平均、重复性好；▲压痕面积大，不适合于成品检验；▲HBS--钢球压头（＜450）；

HBW--硬质合金钢球压头（＞450）●

表示方法：符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如: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。2洛氏硬度HR(Rockwllhardness)h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计10HRC≈HBS洛氏硬度

——洛氏硬度是以顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为Φ1.588㎜的淬火钢球作压头，以规定的试验力使其压入试样表面。试验时，先加初试验力，然后加主试验力。压入试样表面之后卸除主试验力，在保留初试验力的情况下，根据试样表面压痕深度，确定被测金属材料的洛氏硬度值。

优点：操作简便、可直接读数。压痕小；适于各种硬度值的测量；是目前工厂应用最为广泛的试验方法。缺点：重复率低●HR

（120金刚石圆锥体压头或Φ1.588mm的钢球）▲HRB（钢球压头，100kg载荷）——测量未淬火钢，有色金属。▲HRC（圆锥压头，150kg载荷）——测量调质钢、淬硬钢制品。

▲HRA（圆锥压头，60kg载荷）

——测量硬、薄试件、硬质合金。

●表面洛氏硬度（HR15NHR30NHR45N）钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕3维氏硬度HV

(diamondpenetratorhardness)适用范围:

测量薄板类;

HV≈HBS;用压痕两对角线的平均长度来计算。HV=F/Saad维氏硬度（HV）

——金刚石正四棱锥压头，精确，但操作复杂，用于科学试验。

●压力可选5～120kg间的特定值；适于各种硬度值的测量；压痕小，可测表面硬化层、薄片零件。工件4.肖氏硬度HS(drophardness)254mm2.5gh5．显微硬度（HM）压力小于10kg的HV，可测组成相的硬度。小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计6.锉刀法:一组硬度差为5HRC的锉刀。例如:10HRC、15HRC、20HRC等。HRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不可直接比较大小例如：50HRC<70HRA〤50HRB>40HRC〤硬度之间互换的关系：

200~600HBS时：

10HRc~HBS硬度小于450HBS时：

HBS~HV§1-2

动载时材料的机械性能

一、冲击韧性（impacttoughness）

——材料抵抗冲击载荷的能力

●aku=冲击破坏所消耗的功Ak/试样断口截面积F(J/cm2

或MJ/m2)

▲Ak——变形功及断裂功（J）

●影响因素：材料、T、试样大小、缺口形状等。

●

应用——汽车紧急制动；蒸汽锤；冲床等动载荷。

●脆性材料——断裂前无明显变形，断口呈结晶状，有金属光泽。

●

韧性材料

——

断裂前明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽。

冲击韧性(notchtoughness):材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:

Ak=mgH–mgh(J)

冲击韧性值ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。

AK

ak

=(J/cm²)S0TITANIC建造中的Titanic号TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果Titanic近代船用钢板二、疲劳强度(fatiguestrength):●疲劳：材料在交变应力作用下，在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。

▲

疲劳占失效零件的70%以上，80%的断裂由疲劳造成。

●

疲劳极限：表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。

▲对称弯曲疲劳强度σ-1

●

疲劳原因

——划痕、内应力集中引起微裂纹展

●影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余应力等。

▲陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低；

▲金属材料，纤维增强复合材料疲劳强度较高。钢材的循环次数一般取

N=107有色金属的循环次数一般取

N=108钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:

σ-1

=(0.45～0.55)σb疲劳断口的特点疲劳源区和疲劳裂纹扩展区的微观形貌一个疲劳源两个疲劳源微裂纹疲劳条纹疲劳源区疲劳裂纹扩展区本节中所讲的材料的力学性能指标及应用刚度：在设计中，考虑构件在受力时发生的弹性变形量，需要用刚度。主要力学性能是材料的弹性模量。如镗床的镗杆、齿轮轴等弹性指标：弹性极限和弹性模量是设计弹性零件考虑的性能指标。如汽车板簧和各类弹簧等强度和塑性指标：屈服强度和塑性用于一般零件的抗断裂设计。硬度：在耐磨零件中必须考虑的性能指标。如滚珠轴承、活塞环等.

§1-3

高温下的机械性能

●

温度升高→硬度、强度、弹性模量下降；塑性、韧性增加。

●

蠕变——常温下工作的有机材料，随时间的延长，应变量缓慢增加，甚至发生断裂。

§1-4

断裂韧性KIC

●

低应力脆断——应力远小于屈服强度时发生突然脆性断裂

●

机理——微裂纹、缺陷、应力集中→裂纹扩展→

失稳扩展。

●

断裂韧性——裂纹失稳扩展抗力

●

影响因素——成分、热处理、加工工艺。

低应力脆断：

有些零件在工作应力远远低于屈服点时就会发生脆性断裂.这种现象称为低应力脆断。如1943.1.16日,美国T-2型油船停泊在装货码头时沿甲板扩展,断成两半,计算的甲板应力为7kg/mm2.破坏是突然发生的,当时海面平静,天气温和,其计算的甲板应力只有7.0kg/mm2