第一章 金属材料的力学性能

第一章金属材料的力学性能主要内容：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。金属材料的力学性能主要指标有：强度、塑性、硬度、冲击韧度等。由金属材料制成的零、部件，在工作过程中都要承受外力(或称载荷)作用而产生变形（形状尺寸的改变）变形方式：拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切金属在各种不同载荷作用下表现出来的特性就叫力学性能为什么要有这样一些力学指标？第一章金属材料的力学性能§1.1强度和塑性§1.2硬度§1.3冲击韧度§1.4疲劳强度本章小结习题§1.1强度和塑性一、强度

什么是强度？金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力强度抗拉强度抗压强度抗弯强度抗扭强度抗剪强度一般用的强度指标抗拉强度是通过拉伸试验测定拉伸试验的方法：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。拉伸试验§1.1强度和塑性一、强度1．拉伸试样标准试样

试样的直径标距长度长试样(l0=10d0)

短试样(l0=5d0)拉伸试验中记录的拉伸力与伸长的关系曲线§1.1强度和塑性一、强度2．力－伸长曲线也称拉伸图载荷与变形关系有几个阶段：弹性变形塑性变形弹性变形拉伸曲线为直线，试样的伸长量与载荷成正比。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。这种随载荷消失而消失的变形叫弹性变形。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，即试样不能恢复到原来的尺寸这种载荷消失后仍继续保留的变形叫塑性变形。屈服断裂缩颈§1.1强度和塑性一、强度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σ表示。§1.1强度和塑性一、强度3．强度指标三个主要强度指标

弹性极限屈服点和屈服极限抗拉强度

弹性极限——金属材料能保持弹性变形的最大应力，用σe表示。

试样原始横截面积屈服点——金属材料产生屈服时的最小应力，用σs表示。

试样原始横截面积屈服强度——对于低塑性或脆性材料屈服现象不明显，以微量塑性变形的应力表示屈服点，一般用变形量为试样长度的0.2%的应力，σ0.2表示。

抗拉强度——试样断裂前能够承受的最大应力,用σb表示。

§1.1强度和塑性二、塑性在拉伸时指标为：伸长率断面收缩率二者的值越大塑性越好金属发生塑性变形但不破坏的能力称为塑性。伸长率——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。试样拉断后的标距原始标距断面收缩率——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。试样断裂处截面积原始横截面积什么是塑性？第一章金属材料的力学性能§1.1强度和塑性§1.2硬度§1.3冲击韧度§1.4疲劳强度本章小结§1.2硬度测定方法：压入法常用硬度有：布氏硬度洛氏硬度维氏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。什么是硬度？§1.2硬度一、布氏硬度测定原理——1、用试验力F，把直径为D的硬质合金球压入被测金属表面，保持一定时间后卸除载荷，2、测量被测试金属表面的压痕直径d，3、由d计算压痕的球缺面积S，布氏硬度值为F/S§1.2硬度一、布氏硬度测定试验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。1、球体直径有10mm、5mm、2.5mm和1mm四种；2、试验力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；3、试验力的保持时间为10～15s。根据压痕查表即可得出硬度值优点：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。缺点：但因压痕较大，所以不宜测试成品或薄片金属的硬度。§1.2硬度一、布氏硬度标注——用符号HBW表示，习惯上只写明硬度的数值而不标出单位如：422HBW10/30/20硬度值HBW球体直径试验力大小试验力时间//硬度值试验球直径为10mm试验力为30kgf试验力作用时间为20s若时间为10-15则不注§1.2硬度二、洛氏硬度测定原理——1、用金刚石圆锥或淬火钢球或硬质合金球作压头，在初试验力F0及总试验力F分别作用下压入金属表面，2、卸除主试验力F1，在初试验力F0下测定残余压入深度，3、用深度的大小来表示材料的洛氏硬度值，并规定每压入0.002mm为一个硬度单位。§1.2硬度二、洛氏硬度测定试验试验时根据被测试金属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A、C标尺为100B标尺为130压痕深度h3-h1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§1.2硬度二、洛氏硬度标注——用符号HR表示，

A标尺HRAB标尺HRBC标尺HRC如：42HRA硬度值A标尺§1.2硬度三、维氏硬度测定原理——基本上和布氏硬度相同，只是所用压头为金刚石正四棱锥体试验时用规定的试验力F，在试样表面上压出一个正方形锥面压痕，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§1.2硬度三、维氏硬度测定试验试验时，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。

优点：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。操作迅速、简便缺点：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。§1.2硬度三、维氏硬度标注——用符号HV表示，习惯上只写明硬度的数值而不标出单位如：457HV30硬度值HV试验力大小试验力时间/硬度值试验力为30kgf试验力作用时间为10-15则不注§1.2硬度根据试验结果，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第一章金属材料的力学性能§1.1强度和塑性§1.2硬度§1.3冲击韧度§1.4疲劳强度本章小结§1.3冲击韧度什么是冲击韧度？金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧度冲击载荷—加载速度很快而作用时间很短的突发性载荷测定方法：冲击试验测定原理——用一次摆锤冲击弯曲试验测定。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。§1.3冲击韧度摆锤冲断试样所消耗的功称做冲击吸收功，可从冲击试验机上直接读出。§1.3冲击韧度§1.3冲击韧度冲击韧度值冲击吸收功，J缺口处截面积，cm2试样缺口有U形和V形两种，冲击韧度值分别以αKU和αKV

表示。冲击韧度越好断口呈灰色纤维状冲击韧度越差断口具有金属光泽而较为平整。αKV

值大小§1.3冲击韧度

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。冲击能量低、冲击周次较多时，

--材料的冲击韧度主要取决于材料的强度，强度高则冲击韧度高冲击能量高时，

--材料的冲击韧度主要取决于材料的塑性，塑性高则韧度高第一章金属材料的力学性能§1.1强度和塑性§1.2硬度§1.3冲击韧度§1.4疲劳强度本章小结交变应力--大小和方向随时间作用期性变化的力金属的疲劳断裂--零件在交变载荷作用下经过长时间工作发生的破坏。§1.4疲劳强度什么是疲劳强度？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。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疲劳强度疲劳曲线§1.4疲劳强度光滑试样在对称弯曲循环载荷作用下的疲劳强度用σ-1表示。对钢材来说，经受107周次或更多周次而不破坏的最大应力定为疲劳强度。对于有色金属，规定应力循环次数在108或更多周次，确定其疲劳强度。

影响疲劳强度的因素主要有循环应力、温度、材料的化学成分及显微组织、表面质量和残余应力等。对于碳素钢

对于灰铸铁

第一章金属材料的力学性能§1.1强度和塑性§1.2硬度§1.3冲击韧度§1.4疲劳强度本章小结本章小结金属材料的力学性能是指材料在不同形式的载荷作用下所表现出来的特性。强度:金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力塑性:通过静拉伸试验可测得强度和塑性。硬度:硬度也是在静载荷作用下测试的韧度:在一次冲击载荷下测试疲劳强度:在交变应力作用下测试。金属材料的各种力学性能之间有一定的联系。一般提高金属的强度和硬度，会降低其塑性和韧度；反之若提高塑性和韧度，则会削弱其强度。抗拉强度伸长率、断面收缩率布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度冲击韧度疲劳强度习题1-1什么是金属的力学性能?根据载荷形式的不同，力学性能主要包括哪些指标?1-2什么是强度?什么是塑性?衡量这两种性能的指标有哪些?各用什么符号表示?1-3低碳钢做成的d0=10mm的圆形短试样经拉伸试验，得到如下数据：Fs=21100N，Fb

=34500N，l1=65mm，

d1=6mm。试求低碳钢的σs、σb、δ5、