第5章金属材料的力学性能

杭州电子科技大学第六章

金属材料的力学性能金属非金属高分子材料复合材料碳钢合金钢铸铁铝合金铜合金钛合金钢铁有色金属塑料橡胶聚合物基复合材料金属基复合材料合成纤维水泥玻璃陶瓷工程材料的分类杭州电子科技大学金属材料的基本分类：金属材料黑色金属有色金属工业纯铁钢：碳钢、合金钢、特殊性能钢铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁铜及其合金铝及其合金其他：轴承合金、硬质合金……杭州电子科技大学1、合金:由两种或两种以上的金属元素(或金属元素与非金属元素)组成的具有金属特性的材料.2、金属材料的共同特性:较高强度、良好塑性、导电性、导热性、金属光泽等3、金属材料本身性能具有：多样性与多变性成分处理组织性能的基础改变性能的手段性能变化的根据原因：使用性能:材料在使用过程中所表现的性能，它包括力学性能、物理和化学性能。工艺性能:材料在加工过程中所表现的性能，即指其铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。金属材料的性能杭州电子科技大学金属材料的性能使用性能

工艺性能

经济性能物理性能化学性能力学(机械)性能静载特性：

动载特性：

强度

刚度塑性

硬度

冲击韧性

疲劳强度

铸造性焊接性压力加工性切削性热处理性作为结构材料，应具备的最主要性能是力学性能，即材料抵抗外力的能力。力学性能包括弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳强度等。金属材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷。根据载荷作用性质不同，可以分为静载荷和动载荷。静载荷即构件所承受的外力不随时间而变化，就是构件各质点没有加速度。静载荷包括不随时间变化的恒载（如自重）和加载变化缓慢以至可以略去惯性力作用的准静载（如锅炉压力）。

动载荷包括短时间快速作用的冲击载荷（如空气锤）、随时间作周期性变化的周期载荷（如空气压缩机曲轴）和非周期变化的随机载荷如汽车发动机曲轴）。研究这时的应力和变形问题就是动载荷问题。十堰市消委发布消费投诉十大案例

不合格钢筋致人伤残消委会调解获赔2万材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。五万吨水压机试件和实验条件常温、静载§9-4拉伸时的应力——应变曲线6.1强度、刚度、塑性1.静载特性(1).强度:在外力作用下材料抵抗变形和破坏的能力。1、试件（1）材料类型：

低碳钢：

灰铸铁：2．标准试件：塑性材料的典型代表；脆性材料的典型代表；（2）标准试件：标距：用于测试的等截面部分长度；尺寸符合国标的试件；圆截面试件标距：L0=10d0或5d0标距d02、试验机强度的拉伸试验

杭州电子科技大学3、低碳钢拉伸曲线明显的四个阶段1、弹性阶段ob比例极限弹性极限2、屈服阶段bc（失去抵抗变形的能力）屈服极限3、强化阶段ce（恢复抵抗变形的能力）强度极限4、局部径缩阶段ef

1)弹性阶段比例极限σp

oa段是直线，应力与应变在此段成正比关系，材料符合虎克定律，直线oa的斜率就是材料的弹性模量，直线部分最高点所对应的应力值记作σp，称为材料的比例极限。曲线超过a点，图上ab段已不再是直线，但在ab段内卸载，变形也随之消失，说明ab段也发生弹性变形，所以ab段称为弹性阶段。b点所对应的应力值记作σe

，称为材料的弹性极限。

弹性极限与比例极限非常接近，工程实际中通常对二者不作严格区分，而近似地用比例极限代替弹性极限。

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2).屈服阶段屈服点(σs)

曲线超过b点后，出现了一段锯齿形曲线，这—阶段应力没有增加，而应变依然在增加，材料好像失去了抵抗变形的能力，把这种应力不增加而应变显著增加的现象称作屈服，bc段称为屈服阶段。屈服阶段曲线最低点所对应的应力称为屈服点(或屈服极限)。

铸铁等材料没有明显的屈服现象,则用条件屈服点（σ0.2

）来表示:产生0.2%残余应变时的应力值。(3)强化阶段抗拉强度

经过屈服阶段后，曲线从c点又开始逐渐上升，说明要使应变增加，必须增加应力，材料又恢复了抵抗变形的能力，这种现象称作强化，ce段称为强化阶段。曲线最高点所对应的应力值记作，称为材料的抗拉强度(或强度极限)，它是衡量材料强度的又一个重要指标。

(4)缩颈断裂阶段曲线到达e点前，试件的变形是均匀发生的，曲线到达e点，在试件比较薄弱的某一局部(材质不均匀或有缺陷处)，变形显著增加，有效横截面急剧减小，出现了缩颈现象，试件很快被拉断，所以ef段称为缩颈断裂阶段。

(2).刚度:外力作用下材料在弹性变形范围内抵抗变形的能力.刚度指标为弹性模量E

elasticmodulus定义：材料在弹性变形阶段内，正应力和对应的正应变的比值。弹性模量是工程材料重要的性能参数，从宏观角度来说，弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度，从微观角度来说，则是原子、离子或分子之间键合强度的反映。弹性模量的大小主要取决于材料的本性（化学成分），温度、热处理、冷热加工、合金化等对它影响很小。一般工程应用中把它作为常量。杭州电子科技大学在外力作用下材料产生永久变形而不会破坏的能力.

(3).塑性

用伸长率和断面收缩率来表示:伸长率(δ):

在拉伸试验中,试样拉断后,标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率.断面收缩率(ψ):

试样拉断后,缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率.塑性材料和脆性材料力学性能比较塑性材料脆性材料断裂前有很大塑性变形断裂前变形很小抗压能力与抗拉能力相近抗压能力远大于抗拉能力延伸率δ

>5%延伸率δ

<5%可承受冲击载荷，适合于锻压和冷加工适合于做基础构件或外壳材料的塑性和脆性会因为制造方法工艺条件的改变而改变6.2金属材料的动载性能受冲击载荷的构件空间飞行器受陨石的撞击；炮弹、子弹对装甲的穿透；飞机降落时起落架与地面的碰撞；汽车驶过凹坑和凸起；经受锻造、爆炸焊接、爆炸加工成型的构件；等等。利用冲击能量来工作的构件锻锤；冲床；凿岩机；铆钉枪；等等。杭州电子科技大学

许多机械零件和工具在工作中,往往要受到冲击载荷的作用,如活塞销、锤杆、冲模和锻模等常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。测得试样冲击吸收功,用符号Ak

表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截面积S0,即得到材料的冲击韧度

ak。

ak=Ak/S0=W(H-h)/S0(1).冲击韧性（ak）材料抵抗冲击力的能力

杭州电子科技大学某些材料在低于某个温度时它的冲击韧性大为下降，该温度即为韧脆转变温度或韧脆敏感温度，因此在低温工作的材料必须对此引起重视.温度对钢材冲击韧性的影响冲击试验的应用作为材料承受大能量冲击时的抗力指标，如炮弹、装甲板等；作为评定某些构件寿命与可靠性的结构性能指标，如船用钢板等；评定原材料的冶金质量，如夹杂、气泡、严重分层、偏析等宏观缺陷；评定材料热加工后的产品质量，如过热、过烧、白点、回火脆性、淬火及锻造裂纹等；评定材料在不同温度下的脆性转化趋势（采用系列冲击试验）。建造中的Titanic号TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关TITANICTitanic近代船用钢板Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果杭州电子科技大学

轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力(也称循环应力)。在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为金属的疲劳。材料承受的交变应力(σ)与材料断裂前承受交变应力的循环次数(N)之间的关系可用疲劳曲线来表示。金属承受的交变应力越大,则断裂时应力循环次数N越少。当应力低于一定值时,试样可以经受无限周期循环而不破坏,此应力值称为材料的疲劳极限(亦叫疲劳强度)，用σ-1表示。

(2).疲劳强度材料在多次交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力

值是工程材料最常见、最基本的材料性能指标之一。循环基数：钢：有色金属：金属疲劳造成的事故1998年6月3日，德国一列高速列车在行驶中突然出轨，造成100多人遇难身亡的严重后果。事后经过调查，人们发现，造成事故的原因竟然是因为一节车厢的车轮内部疲劳断裂而引起。从而导致了这场近50年来德国最惨重铁路事故的发生。据150多年来的统计，金属部件中有80％以上的损坏是由于疲劳而引起的。在人们的日常生活中，也同样会发生金属疲劳带来危害的现象。一辆正在马路上行走的自行车突然前叉折断，造成车翻人伤的后果。炒菜时铝铲折断、挖地时铁锨断裂、刨地时铁镐从中一分为二等现象更是屡见不鲜。案例讨论-三峡工程首例对日索赔纪实

钢板到货检验屈服强度抗拉强度延伸性能冲击韧性不达标湖北出入境检验检疫局重新检测监理，全程录像报告检疫局通告厂家武汉钢铁研究所重新检验出具不合格证书谈判提出复验共同抽样6.3硬度在外力作用下材料抵抗更硬物压入的能力.即受压时抵抗局部塑性变形的能力。

硬度试验特点：试验设备简单，操作方便、快捷；故可对大多数机件成品直接进行无损检测；硬度与其它力学性能特别是抗拉强度等有一定关系。硬度与抗拉强度的关系

式中，k－比例系数.硬度试验方法分类工程常见硬度检测实务钢铁零件表面化学热处理、表面淬火、感应热处理等后硬度检测；轧辊和钢球的硬度检测；滚动轴承和滑动轴承零件硬度检测；钢的淬透性硬度检测；铸铁的硬度及灰铸铁的相对硬度检测；齿轮、弹簧、活塞及焊接接头的硬度检测；金属覆盖层和热涂层硬度检测；硬质合金和粉末冶金制品的硬度检测；铝合金板材的硬度检测；铍青铜材硬度检测；等等。常用工程材料的硬度1)莫氏硬度(MohsHardness)陶瓷及矿物材料常用的刻划硬度，它只表示硬度从小到大的顺序，不表示具体软硬程度。旧标准划分为10级；新标准有15级。序号越大，莫氏硬度就越高。旧标准新标准顺序材料顺序材料1滑石1滑石2石膏2石膏3方解石3方解石4萤石4萤石5磷灰石5磷灰石6正长石6正长石7石英7SiO2玻璃8黄玉8石英9刚玉9黄玉10金刚石10石榴石11熔融氧化锆12刚玉13碳化硅14碳化硼15金刚石杭州电子科技大学

一定直径的球体(钢球或硬质合金球)在一定载荷作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，测量其压痕直径,计算硬度值。布氏硬度值用球面压痕单位表面积上所承受的平均压力来表示。用符号HBS(当用钢球压头时)或HBW(当用硬质合金球时)来表示.

优点:准确;不足:不能测太薄和硬度较高材料2).布氏硬度杭州电子科技大学

将金刚石压头(或钢球压头),在先后施加两个载荷(预载荷F0和总载荷F)的作用下压入金属表面。总载荷F为预载荷F0和主载荷F1之和。卸去主载荷F1后,测量其残余压入深度h,用h与h0之差△h来计算洛氏硬度值。

HR=(h0-h)/0.002△h越大,表示材料硬度越低,实际测量时硬度可直接从洛氏硬度计表盘上读得。根据压头的种类和总载荷的大小洛氏硬度常用的表示方式有HRA、HRB、HRC三种。3).洛氏硬度(HR)优点:方便,能测太薄和硬度较高材料;不足:准确程度差杭州电子科技大学4）维氏硬度HV=F/S压维氏硬度实例纳米A1203/Ti02陶瓷涂层显