第1章工程材料力学性能

版权所有,1997(c)DaleCarnegie&Associates,Inc.工程材料前言

工程材料是构成机械的物质基础。机械的性能取决于其使用的材料，机械的进步依赖于材料的进步。目前，用于机械制造的材料有上千种，常用的也有上百种，并且还有许多新的材料不断地被创造出来。要想在众多材料中作出正确的选择。既能保证使用性能、便于加工，经济性又好。只有了解这些材料，认识这些材料。工程材料的分类金属非金属复合材料碳钢合金钢铝合金铜合金钛合金钢铁有色金属塑料橡胶陶瓷聚合物聚合物基复合材料金属基复合材料碳钢碳钢又称碳素钢，其主要合金元素为碳，含量在0.1～1.3%之间。由于原料和冶炼工艺的限制，实际使用的钢中都含有硅、锰、硫、磷等杂质元素。碳钢分类碳钢常用的分类方法有三种：1.按碳含量进行分类可分为低碳钢(＜0.25%C)、中碳钢(0.25-0.55%C)、高碳钢(＞0.55%C)。2.按其用途进行分类可分为结构钢和工具钢两大类，前者用来制造各种金属构件和机械零件，后者用来制造各种刀具、模具和量具。3.按其质量等级分类可分为普通碳素钢、优质碳素钢和高级优质碳素钢。合金钢铁、碳和合金元素是合金钢的基本组元。或者说：合金钢是加入合金元素的钢。合金钢的强度高，塑韧性优于碳钢，抗腐蚀性和抗氧化性也好。合金钢分类1.按合金元素的含量分低合金钢合金元素总含量＜5%中合金钢合金元素总含量5-10%高合金钢合金元素总含量＞10%2.按主要用途分合金结构钢:渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢合金工具钢:刃具钢、模具钢、量具钢特殊性能钢:不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢有色金属材料除钢、铸铁之外的金属叫有色金属。工程中常用的有色金属有铝、铜、镁、钛金属及其合金等。有色金属材料（一）铝合金比重小，比强度高。在空气中的抗蚀性好。容易加工。用以制造飞行器各种承力构件，如蒙皮、壁板、桨叶、活塞及火箭上的液体燃料箱翼梁、螺旋桨叶、起落架等。也常用于汽车、摩托车、家用电器、建筑等。有色金属材料（二）铜合金机械性能好摩擦系数小在空气环境下具有良好的抗蚀性。容易加工。用途:制造滑动轴承、耐水蚀零件、导热零件等。有色金属材料（三）钛合金比强度高。抗蚀性好。耐高低温。难加工。价格昂贵。钛合金航空航天中，应用广泛。用于制造工作温度不超过400℃的各种飞机结构和发动机零部件。如发动机压气机盘、叶片，蒙皮等。液体燃料火箭的储氢罐也是钛合金制造的，其工作温度为-253℃。许多民用领域如氯碱化工业及海水用泵、阀、管道、换热器、冷凝器等，也广泛采用钛合金，并取得了良好的经济效益。铸铁铸铁是含碳量在2.11%以上，并含有硅、锰、硫、磷等杂质元素的铁碳合金。常见铸铁有灰口铸铁、可锻铸铁、合金铸铁和球墨铸铁。灰口铸铁应用较多，其的抗拉强度比钢低得多，但是铸铁中有石墨，能有效地吸收震动能量。因石墨有润滑作用，使铸铁有良好的耐磨性和减磨性。铸铁价格便宜，好加工。非金属材料（一）塑料-

塑料是由聚合物为基础添加各种助剂而成的混合体系，塑料由组成树脂：树脂是塑料的主要成份，它联系和粘结其它组分，对塑料的性能起决定性作用。填充剂：弥补或改善树脂的性能不足，另外可以显著地降低成本。增塑剂:增加材料塑性。固化剂：使线型高分子交联成体型网络结构。稳定剂：用来抵抗老化延长塑料寿命物质。其它诸如发泡剂，抗静电剂，染料，润滑剂等等.非金属材料（二）橡胶橡胶也是以有机高分子化合物为基础的材料，它具有高弹性和蓄能作用，因此是工程制造中不可缺少的弹性材料、密封材料和减震材料。橡胶组成(1)生胶：未经硫化的橡胶叫生胶，是橡胶主要成份，对橡胶性能起决定作用，但单纯生胶高温发粘，低温性脆，常加入各种助剂并经硫化制成工业用橡胶。(2)硫化剂：提高橡胶的弹性和强度，常用的是硫磺。(3)软化剂：增加橡胶塑性、降低硬度。(4)补强剂：提高橡胶强度，耐磨性。目前效果最好的补强剂是碳黑。此外还有填充剂、防老化剂、着色剂等。橡胶分类

橡胶种类繁多，若以原料来区分，有天然橡胶与合成橡胶，按合成橡胶性能及用途又可分为通用橡胶及特种橡胶。非金属材料（三）陶瓷用纯度较高的人工合成原料制造的，能满足高温、高强、功能性等要求的特种陶瓷。常见的有氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等，而特种陶瓷除烧结体外还包括单晶(晶须)、纤维、薄膜及超细粉体等。复合材料由两种或更多材料经人工复合而成的，性能优于单一材料的合成材料。如玻璃钢。复合材料中主要起增强作用的叫强化相；主要起粘接作用的叫基体。按基体分：聚合物基、金属基、陶瓷基按强化相分：颗粒增强、纤维增强、层叠复合材料牌号牌号是代表材料的符号，牌号可表明材料的种类、成分、性能等。各类材料的编号方法是不同的。钢铁材料的编号方法有色金属的编号方法其他材料的编号方法钢铁材料的编号方法（一）普通碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分组成。例：Q235A·F其中Q表示屈服点“屈”字汉语拼音第一个字母；235表示钢材厚度≤16mm时的屈服点值不小于235MPa；A表示质量等级A、B、C、D四级中的A级，F表示沸腾钢。除此以外b表示半镇静钢，Z表示镇静钢，TZ表示特殊镇静钢。钢铁材料的编号方法（二）优质碳素结构钢的牌号以平均碳含量的万分数，用两位数字表示。例如平均碳含量为0.45%的钢，其牌号表示为45。高级优质钢则在其后加一个“A”字。如45A。钢铁材料的编号方法（三）碳素工具钢的牌号是以其平均含碳量的千分之几表示，并在数字之前冠以“T”字。例如：T10钢表示平均含碳量为1.0%的碳素工具钢。如为高级优质钢，则在数字之后再加一个“A”字，如T10A。钢铁材料的编号方法（四）合金钢编号方法用汉字或化学元素符号代表合金元素。碳含量与合金元素含量用数字表示。对于结构钢，碳含量以万分一为单位，用两位数字表示；对于工具钢和不锈钢，碳含量以千分之一为单位，用一位数字表示。合金元素以百分之一为单位，当含量小于1.5%时，一般不标出含量。例如：牌号为30CrMnSiA表示含0.30%C、0.95%Cr、1.05%Mn、1%Si的高级优质钢。识别下列材料牌号牌号 类别 成分12Cr2Ni4A 3Cr2W8V 40CrNiMo

W18Cr4V

45 T8,T12 合金结构钢合金工具钢合金结构钢合金工具钢碳素结构钢碳素工具钢第一章工程材料的性能材料的性能中最主要的是力学性能，包括：强度、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性等等。1.1强度与塑性强度MPa(MN/m2)

在外力作用下材料抵抗塑性变形和断裂的能力。试件用被测材料制成，有圆形、板形两种形状，有大小不同的一系列尺寸：如圆形试样d0:5、10、…loLDdoaoloLbo(a)园试样(b)板材试样应力、应变应力：试样单位面积上所承受的平均力σσ=F/A。F--力，A。--试样的面积应变：试样单位长度的伸长量e=DL/LDL–试样的伸长，L-试样的原长材料拉伸

specimen2.1材料拉伸时的应力-应变

OA:弹性变形elasticdeformationABC:屈服yield

CDE:塑性变形plasticdeformation

E:断裂fracture

拉伸曲线﹡弹性变形阶段

0-p-e﹡弹塑性变形阶段（屈服-强化-缩颈）e-ss-s’s’-bb-k﹡断裂koσs应力MPabkss’pe应变e=DL/Lσb屈服强化颈缩弹性变形断裂材料承受载荷的限度是多大？不允许断裂（特殊情况除外）允许塑性变形么？允许弹性变形么？材料承受载荷的限度是设计时的依据，规定为强度指标。1.抗拉强度(σb)抗拉强度：指材料所能承受的最大应力。σb=Fb/A0Fb

－试样断裂前承受的最大载荷。A0

－试样原始截面积 oσsMPabkss’pe

e=Dl/LσboσsMPabkss’pe

e=Dl/Lσb2.屈服强度屈服强度：指材料产生屈服时的应力。σs=Fs/A0Fs

－屈服时的载荷A0

－试样原始截面积 条件屈服强度(σ0.2)

残余应变量为0.2％时的应力值。σb0.2σ0.2卸载曲线﹡弹性变形阶段去除外力，则应变随应力下降沿着拉伸曲线回到原点。﹡弹塑性变形阶段去除外力，应变不会完全恢复，应变沿与线弹性阶段斜率相同的直线卸载。oσs应力MPabkσb屈服强化颈缩弹性变形断裂塑性变形σ’s加工硬化经过塑性变形的金属再次拉伸时，将产生塑性变形的应力高于原来的屈服强度。这种现象叫做加工硬化或冷变形硬化。oσs应力MPabkσb屈服强化颈缩弹性变形断裂塑性变形σ’s3刚度与弹性模量★刚度是指零件或构件抵抗弹性变形的能力。取决于材料的弹性模量与结构形状。ΔL=PL/AEo1

2★弹性模量

是指在比例极限(σp)范围内，材料所受的应力与产生的应变之比。

E=s/e材料1的弹性模量大于材料2。4.塑性在外力作用下材料产生永久变形而不被破坏的能力。伸长率(δ)L1-L0δ=———×100％

L0断面收缩率(Ψ)。

F0-F1y=———×100％ F0

lodol1d1＊δ、Ψ值越大，表示金属的塑性越好。4.按GB699规定,15号钢材出厂时,力学性能指标应不低于下列数值:σb=372MN/m2、σs=225MN/m2、δ=27%、=55%。现购进一批15号钢材,用它制成d0=10mm,L0=50mm拉伸试样,作拉伸试验的结果是:Fb=33844N,Fs=20699N、d1=6mm,L1=65mm。试计算这批钢材的力学性能是否合格。x=1.2硬度

材料抵抗表面局部塑性变形及破坏的能力。常用硬度测定方法:硬物压入法划痕法工业常用压入法。1.布氏硬度(HB)布氏硬度计

硬物：球形压头(D=10、5、2.5、2、1mm)载荷：PHBS:普通淬火钢球硬度值在450以下HBW:硬质合金球硬度值在450～650

HBS(HBW)=———

PF布氏硬度测量压坑面积大，受材料不均匀度影响小，故测量误差小，硬度值准确、真实。但当材料太硬时(布氏硬度值大于650)，球形压头可能产生变形，不宜采用布氏硬度。另外，由于布氏硬度压坑较大，也不宜用来检测成品、小件、薄件的硬度。2.洛氏硬度(HR)载荷：▲初载荷98N并压入深度h1▲主载荷(490N或882N或1372N)使压入深度达h2

；▲卸除主载荷、保留初载荷， 压入深度减小为h3。洛氏硬度的计算深度值 △h=h3-h1。

HR=———

01230123h1h3h2K=0.2压头被测材料硬物：顶角120°金钢石圆锥(或Φ1.588mm淬火钢球)K-△h0.002几种常用洛氏硬度标度压头主载荷测量范围应用材料HRA金刚石490N20～88表面硬化层、硬质合金等HRB淬火钢球882N20～100有色金属，退火、正火钢等HRC金刚石1372N20～70淬火钢、调质钢等洛氏硬度法测量简便迅速，可直接读数，表面压坑小，多用于较薄材料或成品检测。但由于压坑过小，测量误差稍大，常采用不同部位多点测量，取其平均值。3.维氏硬度(HV)压头：顶角为136°的金刚石正四棱锥体

HV=———载荷P：分为六级(49,98,196,294,490,980N)。ddP136

PF维氏硬度不随载荷变化，即不同载荷下的维氏硬度可以相互比较。在一般情况下，选用30kg载荷。测定表面薄层时，可用小载荷。维氏硬度的优点是测量精度高，测量的硬度范围宽（可高达1300HV），应用广泛，特别是用于测定工件表面硬化层、金属镀层及薄片金属的硬度。硬度指标在生产中应用广泛，在产品设计的技术条件中，硬度是一项重要的技术指标。对于工具、模具和有耐磨性要求的零件，硬度是直接的使用性能指标，如高速钢车刀要求硬度>HRC62、热锻模要求硬度HRC35～47。另外硬度与强度之间存在着一定的内在联系，硬度测量迅速简便，又不破坏成品零件，常用零件的硬度估算强度，如对于低碳钢，也可采用硬度与强度换算表。1.3冲击韧性冲击韧性是材料在冲击力作用下抵抗断裂的能力。许多机械零件（如飞机起落架、发动机涡轮轴、汽车变速齿轮等）在工作中受到冲击载荷的作用，能引起材料断裂。因此，对此类零件进行设计时，不但要考虑前述的静态力学性能指标，还要考虑韧性等动态力学性能指标。冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图冲击韧性 Ak=G(H-h)

ak=——(J/cm2)（AK）：冲断试样所消耗的功(J)

（aK）：冲击韧性(J/cm2)

AkF冲击

h试样摆锤

H注：金属材料的ak不能直接应用于零件的设计计算金属材料的ak值不能直接用于零件的设计计算，但对承受冲击载荷的零件，应当有一定的ak值要求，以保证零件使用的安全性。如航空发动机轴ak＝80－100Ｊ/cm2；一般零件则要求ak＝30－50Ｊ/cm2便可满足要求。1.4疲劳断裂和疲劳强度疲劳断裂机械零件在交变载荷作用下，其工作应力远小于抗拉强度，甚至小于屈服强度时，在长时间工作后发生突然断裂的现象称为疲劳断裂。交变载荷是指只有应力数值变化，没有方向变化的重复应力和既有应力数值变化，又有方向变化的交变应力。机床主轴、齿轮、弹簧、联杆等作旋转或往复运动的零件就是在上述应力作用下工作。疲劳源裂纹扩展最终破断区疲劳机理缺陷处首先产生疲劳裂纹，并随应力循环不断扩展，直至突然断裂。由于疲劳断裂是突然发生的，常常会引起严重事故。疲劳试验

试样负荷计数器电机轴承支座

疲劳曲线107σ力应σ-1疲劳曲线材料所受的交变应力σ与其断裂前应力循环次数N的关系曲线称为疲劳曲线，疲劳强度

是指材料经无限多次应力循环仍不断裂时的最大应力。它表征了材料抵抗疲劳断裂的能力。一般钢铁的循环基数N取107

次，有色金属的循环基数N取108

次。材料承受对称循环交变应力时的疲劳强度用σ-1

表示。钢材的σ-1

只有σb

的50％左右。如何防止疲劳断裂采取改进设计(避免尖角连接、降低表面粗糙度值等)和表面强化工艺(表面淬火、化学热处理、喷丸、滚压等)都可提高零件的疲劳强度。加强原材料和零件成品的内部缺陷检查也可减少或避免疲劳断裂。1.5材料高温性能很多零件长期在高温下工作。“高温”是相对该金属的熔点而言，常采用约比温度，即T/Tm(T为试验或工作温度，Tm为金属熔点，均为绝对温度)。当约比温度大于0.5时为高温，反之为低温。高温材料的力学性能，不能使用常温下短时拉伸的应力—应变曲线来评定，1、蠕变蠕变就是金属材料长时间的在一定温度、一定应力作用下，即使应力小于σ0.2，也会缓慢地发生塑性变形的现象。这种变形最后导致的材料断裂称为蠕变断裂。蠕变曲线分为三个阶段：蠕变起始阶段（又称蠕变减速阶段）。稳态蠕变阶段或最小蠕变速度阶段。蠕变加速阶段，直至d点材料断裂。。aabcdo

变形e第2阶段第3阶段第1阶段时间温度压力恒定图1-10典型蠕变曲线蠕变强度蠕变强度是指材料在高温长时载荷作用下抵抗塑性变形的能力。(1)在规定时间内达到规定变形量的蠕变强度，记为σδ/t

，（MPa）。例如

σ0.2/1000=60MPa,表示试样在800℃，经过1000小时，发生0.2%变形量的应力为60MPa。这种蠕变强度一般用于需要提供总蠕变变形的构件设计。800T(2)稳态蠕变速度达到规定值时的蠕变强度，记为σv

，（MPa）。

例如

σ1×10-5=60MPa,

表示试样在600℃，稳态蠕变速度为1×10-5％/h时的蠕变强度为60MPa。这种蠕变强度一般用于受蠕变变形控制的且工作时间较长的构件设计。600T1.5.2持久