第一章 金属材料的力学性能

第一章金属材料的力学性能第一节强度、刚度、弹性及塑性第二节硬度第三节冲击韧性第四节断裂韧度第五节疲劳长春工程学院

材料的性能是表征材料在外界条件作用下的行为。

材料的性能主要体现在两个方面:

1.使用性能：2.工艺性能：长春工程学院金属材料的性能1）使用性能—力学性能、物理性能、化学性能。

力学性能（机械性能）—材料在不同环境因素下抵抗外加载荷作用的能力。

(强度、塑性、刚度、弹性、硬度、冲击韧性、断裂韧度、疲劳等)2）工艺性能：在各种加工过程中表现出来的性能。

(铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削性能)长春工程学院第一节强度、刚度、弹性及塑性静载荷——是指对材料缓慢地施加载荷，使材料的相对变形速度较小（一般小于0.01mm/s）。动载荷——（1）是指加载速度比较快，使材料的塑性变形速度也较快的冲击载荷。（2）作用力大小与方向作周期性变化的交变载荷。长春工程学院一、低碳钢应力——应变曲线标准拉伸试样（GB228—2002）L0——试样原始标距长度（mm）d0——试样的原始直径（mm）长试样L0=10d0

；短试样L0=5d0长春工程学院静拉伸试验机长春工程学院长春工程学院1、低碳钢拉伸曲线长春工程学院曲线分为四阶段：1．弹性变形阶段Ⅰ拉力加大到Fp时,为直线阶段。长春工程学院2．阶段Ⅱ屈服变形屈服拉力：Fs长春工程学院3．阶段III为较均匀的塑性变形阶段Fb为材料所能承受的最大载荷

长春工程学院4．阶段IV局部集中塑性变形出现颈缩→断裂长春工程学院2、低碳钢应力——应变曲线σ=F/A0ε=ΔL/L0ΔL=Lk－L0

低碳钢拉伸曲线长春工程学院低碳钢应力——应变曲线长春工程学院弹性变形——是指当外力解除后变形能够全部消除恢复原状的变形。弹性模量——材料产生单位弹性变形所需应力。

E=σ/ε=tgα材料刚度——工程上表征材料抵抗弹性变形能力。二、刚度和弹性

1、弹性模量长春工程学院弹性极限

σe=Fe/A0物理意义——材料在不产生塑性变形时所能承受的最大应力值。（极）微量塑性变形零件设计与选材的重要依据。2、弹性极限

长春工程学院强度——是指在外力作用下，材料抵抗永久变形和断裂的能力。屈服点（屈服强度）：σs=Fs/A0物理意义——材料在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力，即材料抵抗微量塑性变形的能力。屈服强度是机械零件设计的主要依据。三、材料的强度

1、屈服点σs长春工程学院许多材料在受力时无明显屈服点，如中高碳钢、合金钢和有色合金材料等。将发生0.2%残余应变时的应力作为屈服强度，用σ0.2表示。长春工程学院2、抗拉强度抗拉强度

σb=Fb/A0物理意义——材料断裂前所承受的最大应力值，表示材料抵抗断裂的能力。屈强比

σs/σb

材料的屈强比愈小，构件的可靠性愈高。长春工程学院四、材料的塑性

1、伸长率δ材料塑性：材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。伸长率δ：试样拉断后标距长度的相对伸长值。

短试样的伸长率记为δ5（L0=5d0）长试样的伸长率记为δ10或δ（L0=10d0）对于同一种塑性材料δ5>δ10

长春工程学院

2、断面收缩率ψ断面收缩率ψ：是指试样拉断后断口处横截面积的相对收缩值。断面收缩率与试样尺寸无关；金属材料只有具备足够的塑性才能承受各种变形加工。长春工程学院屈服强度σsorσ0.2抗拉强度σb刚度E弹性极限σe塑性δ,ψ长春工程学院第二节硬度硬度是衡量材料软硬程度的力学性能指标，是材料抵抗局部塑性变形的能力，或者说抵抗硬物压入的能力。重要零件或零件的重要部位大多规定硬度值：（1）硬度测量简便迅速，不需做试样,不需破坏试件；（2）多数金属材料抗拉强度可根据硬度值进行估算；（3）硬度与材料的加工性能存在一定的联系。硬度计种类：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、维氏硬度（HV）长春工程学院

一、布氏硬度（HB）物理意义：压痕表面上单位面积所承受的压力。长春工程学院布氏硬度测量原理及计算图3布氏硬度原理图工件压头长春工程学院

布氏硬度的表示方法标准写法：布氏硬度值，布氏硬度符号，测试条件（压头直径mm/试验力kgf/试验力作用时间s）。如：200HBS2.5/187.5/30简单写法：200HBS淬火钢球压头HBS—最大有效测量值为450HBS硬质合金压头HBW—最大有效测量值为650HBW

长春工程学院二、洛氏硬度（HR）洛氏硬度是以压头压入金属材料的压痕深度来表征材料的硬度。压头：1）锥顶角为120°的金刚石圆锥；2）Ф1.588mm的淬火钢球。压痕的深度直接可用百分表测出来，不需另外的测量和计算，十分方便，效率高，是实际生产中使用最普遍的一种硬度测量方法。长春工程学院洛氏硬度计洛氏硬度测量原理h为压痕深度金刚石压头k=0.2

刚球压头k=0.26P0为初载荷P1为主载荷P=P0+P1图4洛氏硬度原理图h长春工程学院三种洛氏硬度试验条件标值压头类型初载荷（kgf）总载荷（kgf）测试范围应用举例HRA1200金刚石圆锥106020~88硬质合金、表面淬硬层、渗碳层HRBφ1.588mm淬火钢球1010020~100有色金属、退火钢、正火钢HRC1200金刚石圆锥1015020~70淬火钢、调质钢☆总载荷=初载荷+主载荷长春工程学院维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕三、维氏硬度（HV）长春工程学院维氏硬度原理（HV）1、维氏硬度：以正四棱锥金刚石为压头的硬度测量方法。2、维氏硬度定义：与布氏硬度相同，即压痕表面上单位面积所承受的压力。3、硬度值计算公式：图5维氏硬度原理图长春工程学院布氏硬度——压痕面积大，代表性好（准确），效率低；适合测试硬度较低的材料；不适合测量薄件和成品件。洛氏硬度——压痕面积小，代表性较差，通常要取三点平均值作为测试结果；测试极为方便，最为常用；一般用于较高硬度的测量。维氏硬度——非常准确；从低硬度到高硬度均可测量；测试设备昂贵，科学研究用该方法较多。各种硬度值可进行粗略换算：三种硬度测试方法优缺点HBW≈HV≈10HRC长春工程学院第三节冲击韧性静载荷——是指对材料缓慢地施加载荷，使材料的相对变形速度较小时的载荷（一般是小于0.01mm/s）。动载荷——（1）是指加载速度比较快，使材料的塑性变形速度较快的冲击载荷，锻床、冲床等。（2）作用力大小与方向作周期性变化的交变载荷，如轴、弹簧、齿轮等。长春工程学院一、冲击韧性冲击韧性：金属材料在冲击载荷作用下，抵抗破坏的能力。用冲击吸收功来衡量材料的冲击韧性。计算公式：冲击韧度：Ak=mgΔH长春工程学院

摆锤冲击试验长春工程学院试样种类尺寸：

10mm×10mm×55mm

无缺口V型缺口U型缺口长春工程学院对于一般常用钢材来说，冲击吸收功越大，材料的韧性越好。材料的冲击韧度值除了取决于材料本身之外，还与环境温度及缺口的状况密切相关。冲击韧度除了用来表征材料的韧性大小外，还用来测量韧脆转变温度。冲击韧度反映材料的冶金质量和热加工产品质量。二、冲击试验应用长春工程学院韧脆转变温度长春工程学院DuctileandBrittleFracturesDuctilefractureBrittleFracture39长春工程学院1943年美国T-2油轮发生断裂第四节断裂韧度材料在屈服强度以下发生的断裂称为低应力脆断。

材料中总是存在缺陷，在应力作用下，裂纹将发生扩展，一旦扩展失稳，就会发生低应力脆性断裂。材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力称为断裂韧度。长春工程学院一、裂纹扩展形式ModeⅠ：张开型ModeⅡ：滑开型ModeⅢ：撕开型长春工程学院材料存在缺陷，使材料内部结构不连续，可把缺陷看成是材料的裂纹，在裂纹尖端前沿有应力集中产生，形成一个裂纹尖端应力场。在材料承受载荷后，可能导致已有微裂纹的扩展，当裂纹尺寸到达某个临界值时突然断裂。长春工程学院

二、应力场强度因子与断裂韧度裂纹的尖端前沿存在应力集中，形成裂纹尖端的应力场，大小可用应力强度因子K1来描述：应力强度因子的临界值称为材料的断裂韧度，用KIc表示。它反应材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力，是强度和韧性的综合体现。K1=Yσ√a长春工程学院式中σc-裂纹扩展时的临界状态所对应的断裂应力

ac-裂纹扩展时的临界状态所对应的临界裂纹尺寸1.测定KIc和ac后，可确定σc，为载荷设计提供依据。2.已知KIc和临界工作应力σc

，可确定最大裂纹尺寸ac。3.根据σc及ac

，可确定材料应有的断裂韧度KIc

正确选材料。三、断裂韧度及应用长春工程学院第五节疲劳强度疲劳：工程上一些机件工作时受交变应力或循环应力作用，即使工作应力低于材料的屈服强度，但经过一定循环周次后仍会发生断裂，称之为疲劳断裂。长春工程学院轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）长春工程学院一、疲劳强度的测试在疲劳试验机上，用较多的试棒，在不同交变载荷下进行试验，作出疲劳曲线。长春工程学院长春工程学院一、疲劳强度的测试疲劳极限：材料经交变应力无数次循环作用而不发生断裂的最大应力称为材料的疲劳极限。应力循环次数金属材料的疲劳曲线（S-N曲线）示意图钢铁材料有色金属长春工程学院应力循环对称因数：

γ=-1疲劳强度σ-1

（轴类所受到的交变弯曲应力）

脉动循环交变应力：

γ=0疲劳强度σ0

（齿轮齿根受到的循环弯曲应力）

工程上规定，对于钢铁材料N0为107次；有色金属材料为108次,腐蚀性介质作用下为106次。二、疲劳曲线与疲劳极限长春工程学院三、其他疲劳低周疲劳：承受交变应力较高，加载频率较低，并经受循环次数较低；冲击疲劳：多次冲击载荷引起的损伤积累和裂纹扩展；热疲劳：温度循环变化而产生循环热应力导致的疲劳；接触疲劳：接触表面在接触应力的长期作用下表面产生的小片金属剥落；腐蚀疲劳：腐蚀性介质中承受变动载荷所产生的疲劳。长春工程学院四、影响因素及提高疲劳极限的途径疲劳强度的影响因素：1）材料本身的组织结构状态；2）表面粗糙度和应力状态。提高零件疲劳强