金属的力学性能

菏泽高级技工学校§2-2金属的力学性能

想一想：1、金属材料受力后会有什么反应？2、金属的力学性能的指标一般有哪些？怎样获得这些指标？3、金属材料为什么会发生断裂？§2-2金属的力学性能金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形或不破坏的能力，这种能力就是材料的力学性能。1.定义：

金属材料在承受外力（静、冲击、交变）作用下，没有超过许可变形或不破坏的能力——称作金属的力学性能。2.力学性能指标

主要包括：

强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度。力学性能指标是选择、使用金属材料的重要依据。

强度与塑性强度是指金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。塑性是指金属材料在静载荷作用下产生塑性变形而不致引起破坏的能力。金属材料的强度和塑性的判据可通过拉伸试验测定。一、强度1）定义金属在静载荷作用下抵抗塑形变形和断裂的能力。2）分类根据载荷作用方式不同：a）抗拉强度——主要的常用强度指标；b）抗压强度；c）抗剪强度；d）抗扭强度；e）抗弯强度。材料强度的大小通常用单位面积上所承受的力来表示，其单位为N/m2(Pa)，但Pa这个单位太小，所以实际工程中常用MPa（MPa=106Pa）作为强度的单位。一般钢材的屈服强度在200～2000MPa之间，如建造2008年北京奥运会主体育场“鸟巢”外部钢结构的Q460E钢，其屈服强度为460MPa。抗拉强度通过拉伸实验测定

拉伸实验1.拉伸试样2.力—伸长曲线（以低碳钢试样为例）3.脆性材料的拉伸曲线1、拉伸试样

圆形、矩形、六方形。L0=5d短试样，L0=10d长试样d0:原始直径，L0:原始标距L=5d0L0

=kL=10d0S0=πd2/4k=5.65k=11.3所以长试样：L=10d0短试样：

L=5d0长试样和短试样2、力—伸长曲线2.力－伸长曲线弹性变形阶段屈服阶段颈缩现象拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。强化阶段返回上一页下一页回主页

拉伸试样的颈缩现象ΔLF03.脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）注意：脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。

3．强度指标

（1）屈服强度——当金属材料出现屈服现象时，在实验期间发生塑性变形而力不增加的应力点。屈服强度分为上屈服强度ReH和下屈服强度ReL。ReL——试样的下屈服强度，N/mm2；或MPa.FeL——试样屈服时的最小载荷，N；So——试样原始横截面面积，mm2。或很重要，大多数零件不允许有塑性变形除低碳钢、中碳钢及少数合金钢有屈服现象外，对于大多数没有明显的屈服现象的金属材料。定义：条件屈服强度：Rp0.2（

σ0.2

）

规定：产生0.2%残余伸长时的应力作为条件屈服强度。指出：是工程技术中最重要的机械性能指标之一；是设计零件时作为选用金属材料的重要依据。工程上各种构件或机器零件工作时均不允许发生过量塑性变形，因此屈服强度ReL和规定残余延伸强度Rp0.2是工程技术上重要的力学性能指标之一，也是大多数机械零件选材和设计的依据。ReL

和Rp0.2

常作为零件选材和设计的依据。传统的强度设计方法，对韧性材料，以屈服强度为标准，规定许用应力[σ]=ReL/n，安全系数n一般取2或更大。3）抗拉强度定义：指在外力作用下由产生大量塑性变形到断裂前所承受的最大应力，故又称强度极限。公式：式中：

Rm—抗拉强度，MPa；Fm—指试样被拉断前所承受的最大外力，即拉伸曲线上b点所对应的外力（N）;

S0

—试样原始横截面面积（mm2）或很重要，表示零件破坏前能抗的最大应力值抗拉强度Rm的物理意义是塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力。铸铁等脆性材料拉伸过程中一般不出现缩颈现象，抗拉强度就是材料的断裂强度。断裂是零件最严重的失效形式，所以，抗拉强度也是机械工程设计和选材的主要指标，特别是对脆性材料来讲。若零件在使用时不允许产生过量塑性变形，应以材料的σs或σ0.2进行设计计算。若零件在使用时只要求不发生破坏，则以材料的σb来设计计算。因此σs和σb是机械零件设计计算的主要依据。强度的意义强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，一般钢材的屈服强度在200～1000MPa之间。强度越高，表明材料在工作时越可以承受较高的载荷。当载荷一定时，选用高强度的材料，可以减小构件或零件的尺寸，从而减小其自重。因此，提高材料的强度是材料科学中的重要课题，称之为材料的强化。二、塑性

——在外力作用下金属材料在断裂前产生不可逆永久变形的能力常用的塑性判据：拉伸时的断后伸长率和断面收缩率1、断后伸长率A

(δ)L0—试样原始标距长度，mm。Lu—试样拉断后的标距长度，mm。同一材料的试样长短不同，测得的断后伸长率略有不同。由于大多数韧性金属材料的集中塑性变形量大于均匀塑性变形量，因此，比例试样的尺寸越短，其断后伸长率越大，用短试样（L0＝5d0）测得的断后伸长率A略大于用长试样（L0＝10d0）测得的断后伸长率A11.3。2、断面收缩率Z(Ψ

)S0—试样原始横截面面积，mm2

。Su—试样拉断后缩颈处的横截面面积，mm2

。塑性的意义任何零件都要求材料具有一定的塑性。很显然，断后伸长率A和断面收缩率Z越大，说明材料在断裂前发生的塑性变形量越大，也就是材料的塑性越好。意义：

a）安全，防止产生突然破坏；

b）缓和应力集中；

c）轧制、挤压等冷热加工变形。强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。在金属材料的工程应用中，要提高强度，就要牺牲一部分塑性。反之，要改善塑性，就必须牺牲一部分强度。正所谓“鱼和熊掌二者不能兼得”。但通过细化金属材料的显微组织，可以同时提高材料的强度和塑性。通常情况下金属的伸长率不超过90%，而有些金属及其合金在某些特定的条件下，最大伸长率可高达1000%～2000%，个别的可达6000%，这种现象称为超塑性。由于超塑性状态具有异常高的塑性，极小的流动应力，极大的活性及扩散能力，在压力加工、热处理、焊接、铸造、甚至切削加工等很多领域被中应用。超塑性GB/T228-2002新标准GB/T228-1987旧标准名称符号名称符号屈服强度①－屈服点σs上屈服强度ReH上屈服点σsU下屈服强度ReL下屈服点σsL规定残余延伸强度Rp0.2规定残余延伸应力Σ0.2抗拉强度Rm抗拉强度σb断后伸长率A或A11.3断后伸长率δ5或δ10断面收缩率Z断面收缩率ψ【例】有一直径d=10mm，Lo=100mm的低碳钢试样，拉身实验时测得FeL=21kN，Fm=29kN，du=5.65mm，Lu=138mm。求此试样的ReL、Rm、A11.3、Z。

解：（1）计算SO，S1SO=πd2/4=3.14×102/4=78.5mm2S1=πdu2/4=3.14×（5.65）2/4=25mm2（2）计算ReL、Rm

ReL=FeL/SO=21×103/78.5=267.5MPa

Rm=Fb/SO=29×103/78.5=369.4MPa（3）计算A11.3、Z。

A11.3=(Lu-Lo)/Lo×100%=(138-100)/100×100%=38%

Z=(SO-S1)/SO×100%=(78.5-25)/78.5×100%=68%习题：某厂购进一批40钢材，按国家标准规定，其力学性能的指标不低于下列数值：Rel=340MPa,Rm=540MPa,A=19％Z=45％.验收时，用该材料制成d0=10mm的短试样（原始标距为50mm）做拉伸试验：当载荷达到28260N时，试样产生屈服现象；载荷加至45530N时，试样发生缩颈现象，然后被拉断。拉断后标距长为60.5mm，断裂处直径d1为7.3mm.试检验这批钢材是否合格。三、硬度

材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度。常用的硬度实验法有布氏硬度实验法、洛氏硬度实验法、维氏硬度实验法。三、硬度硬度：硬度试验方法:压入法

它是材料性能的一个综合的物理量。(表示金属材料在一个小的体积范围内金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力）硬度是各种零件和工具必须具备的力学性能指标。布氏硬度（HB）洛氏硬度（HR）维氏硬度（HV）材料抵抗表面局部塑性变形的能力。一、布氏硬度1、测定原理布氏硬度计

2、计算公式HBS：淬火钢球作压头；适用于＜450HBSHBW：硬质合金作压头；适用于＜650HBW试验时，根据被测的材料不同，球直径、试验力及试验力保持时间按表1-1选择材料种类布氏硬度范围HBS（HBW）试样厚度/mm0.102球的直径/mm试验力F/KN（kgf)试验力保持时间/s钢、铸铁140-4506～34～2<23010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)12<140>66～31010.05.09.807(1000)2.452(250)12非铁金属>1306～34～2<23010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)3036～1309～36～31010.05.09.807(1000)2.452(250)308～35>62.510.02.452(250)60表1-1布氏硬度试验规范3、表示方法XXXHBS(W)XX/XXX/XX硬度值实验力（N）G=mg(g=9.807)试验力保持时间（s）500HBW5/750例：表示用直径5mm硬质合金球在7355N试验力作用下保持10~15s测得的布氏硬度值为500120HBS10/1000/30表示用直径10mm钢球压头在9807N试验力作用下保持30s测得的布氏硬度值为120习惯上布氏硬度值不标出试验规范，如170HBS。压头直径（mm）4、适用范围

常用于测小于450HBS的原材料或零件毛坯的硬度，不能测淬火钢件的硬度。优点：测值重复性强、测量结果准确缺点：压痕大，不适合成品检验二、洛氏硬度洛氏硬度的定义洛氏硬度实验是目前应用范围最广的硬度实验方法。它是采用直接测量压痕深度来确定硬度值的。采用金刚石圆锥体或淬火钢球压头，压入金属表面后，经规定保持时间后卸除主试验力，以测量的压痕深度来计算洛氏硬度值。测定原理1.原理（二）洛氏硬度返回上一页下一页回主页加初载荷加主载荷卸除主载荷读硬度值硬度符号压头类型总实验力F/N硬度值有效范围应用范围HRA金刚石圆锥体58870～85适用于测量硬质合金、表面淬硬层或渗碳层HRB直径为1.588mm钢球98025～100适用于测量非铁金属,退火、正火钢等HRC金刚石圆锥体147020～67适用于调质钢、淬火钢等试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表1-2选择，对应的洛氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种表1-2常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围2、符号HR=100—3、表示方法

符号HR前面的数字表示硬度值。HR后面的字母表示不同的洛氏硬度标尺。例：45HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为45。洛氏硬度HRC可以用于硬度很高的材料，在钢件热处理质量检查中应用最多。4、适用范围优点：操作简便、迅速，效率高，可直接测量成品件及高硬度的材料。5.优缺点缺点：压痕小，测量不准确,需多次测量。三、维氏硬度1、测定原理用一定的试验力F，将顶角为1360的金刚石四棱锥压入金属表面，保持一定时间后卸去试验力，然后测出压痕对角线长度d1、d2（mm），并求出压痕对角线的平均值d。

2、计算公式3.表示方法：

与布氏硬度基本相同，在后面要标注试验条件—试验力和保持时间（10~15S不标）。

例：580HV30表示用

294.2N试验力保持10~15S测定的维氏硬度值580。4.特点：优点：适用范围广，从极软到极硬材料都可测量;测量精度高，可比性强；能测较薄工件。缺点：测量操作较麻烦，测量效率低。应用：广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度检验。不适于大批生产和测量组织不均匀材料。

实践证明，金属材料的各种硬度值之间，硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高。小结：四、冲击韧性

强度、硬度、塑性等力学性能指标都是材料在静载荷作用下的表现。

材料在工作时还经常受到动载荷的作用，冲击载荷就是常见的一种。在设计和制造受冲击载荷的零件和工具（如锻锤、冲床、铆钉枪等）时，必须考虑所用材料除具有足够的静载荷作用下得力学性能指标外，还必须具有足够的抵抗冲击载荷的能力。冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载时间短、加载速率高、应力集中。由于加载速率提高，金属形变速率也随之增加。冲击载荷对材料的作用效果或破坏效应大于静载荷。

材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，称为冲击韧性。示例：玻璃在冲击载荷作用下非常容易破裂，说明其冲击韧性很低。1、冲击试验冲击试样冲击试验原理一次摆锤冲击试验冲击韧性的表示方法如不能制备标准试佯，可采用宽度7.5mm或5mm等小尺寸试祥,试样的其他尺寸及公差与相应缺口的标准试样相同，缺口应开在试样的窄面上。其中5mm×10mm×55mm试样常用于薄板材料的检验。焊接接头冲击试样的形状和尺寸与相应的标准试样相同，但其缺口轴线应当垂直焊缝表面。原理冲击韧性可以通过一次摆锤冲击试验来测定，试验时将带有U型或V型缺口的冲击试样放在试验机架的支座上，将摆锤升至高度H1，使其具有势能mgH1；然后使摆锤由此高度自由下落将试样冲断，并向另一方向升高至H2，这时摆锤的势能为mgH2。所以，摆锤用于冲断试样的能量

AK=mg（H1-H2），即为冲击功（焦耳/J）。

2.材料冲击韧性的表示方法国标GB/T229－1994冲击功吸收功：表征金属材料冲击韧性高低的指标是冲击功吸收功，也就是材料在断裂前所吸收的能量。根据试样缺口的不同，冲击吸收功用AKV和AKU表示，单位为焦耳，数值可从试验机的刻度盘上读出。

2.材料冲击韧性的表示方法国标GB/T229－2007冲击吸收能量：表征金属材料冲击韧性高低的指标是冲击吸收能量;

K＝mg（H1-H2）2.材料冲击韧性的表示方法按照国标GB/T229－2007，U型缺口试样和V型缺口试样的冲击能量分别表示为KU和KV，并用下标数字2或8表示摆锤刀刃半径，如KU2

，其单位是焦耳（J）。冲击吸收能量的大小直接由试验机的刻度盘上直接读出。冲击吸收能量的值越大，材料的韧性越大，越可以承受较大的冲击载荷。冲击吸收能量K或冲击韧性值K越大，材料的韧性越大，越可以承受较大的冲击载荷。一般把冲击吸收能量低的材料称为脆性材料，冲击吸收能量高的材料称为韧性材料。【小资料】GB/T229－2007与GB/T229－1994相比，在金属冲击韧性的名称和符号等方面有较大变化，为方便读者学习，将关于金属材料冲击韧性的新、旧标准名称和符号对照列于下表中。新标准GB/T229－2007旧标准GB/T229－1994名称符号名称符号冲击吸收能量K冲击吸收功AKU型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量KU2U型缺口冲击吸收功(2mm锤刃)AKUU型缺口试样在8mm锤刃下的冲击吸收能量KU8V型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量KV2V型缺口冲击吸收功(2mm锤刃)AKVV型缺口试样在2mm锤刃下的冲击吸收能量KV8转变温度Tt韧脆转变温度TC缺口冲击试验最大的优点就是测量迅速简便用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接及热处理等热加工工艺的质量。用来评定材料的冷脆倾向（测定韧脆转变温度）。设计时要求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度。3.冲击试验的应用3.冲击试验的应用缺口冲击试验由于其本身反映一次或少数次大能量冲击破断抗力，因此对某些特殊服役条件下的零件，如弹壳、装甲板、石油射孔枪等，有一定的参考价值。通过一次摆锤冲击试验测定的冲击吸收吸收能量K是一个由强度和塑性共同决定的综合性力学性能指标，不能直接用于零件和构件的设计计算，但它是一个重要参考，所以将材料的冲击韧性列为金属材料的常规力学性能，ReL(Rr0.2)、Rm、A、Z和K被称为金属材料常规力学性能的五大指标。4.提高冲击韧性的途径冲击韧性是一个对材料组织结构相当敏感的量，所以提高材料的冲击韧性的途径有：

改变材料的成分，如加入钒、钛、铝、氮等元素，通过细化晶粒来提高其韧性，尤其是低温韧性；

提高材料的冶金质量，减少偏析、夹渣、气泡等缺陷；

人工作久了就会感到疲劳，难道金属工作久了也会疲劳吗？金属的疲劳能得到恢复吗？金属材料在受到交变应力或重复循环应力时，往往在工作应力小于屈服强度的情况下突然断裂，这种现象称为疲劳。1998年6月3日，德国发生了战后最惨重的一起铁路交通事故。一列高速列车脱轨，造成100多人遇难。事故的原因已经查清，是