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：1、使学生了解金属材料的力学性能的概念。2、掌握金属材料力学性能的评价方法和指标。重点与难点：1、金属材料强度、硬度的概念。2、金属材料强度、硬度的评价方法和指标。

金属材料是由金属元素或以金属元素为主要材料构成的并具有金属特性的工程材料。金属材料纯金属

合金金属材料黑色金属有色金属非合金钢低合金钢合金钢铸铁滑动轴承合金

钛及钛合金其他非铁合金

铜及铜合金铝及铝合金机械产品加工工艺铸造压力加工

焊接

粉末冶金切削加工特种加工熔焊压焊钎焊力学性能—材料在承受各种载荷（外力）时所表现出来的行为，即抵抗外力作用的能力。载荷类型：静载荷－缓慢施加压力，行对变形速度较小；动载荷－加载速度较快，塑性变形速度较快；变载荷－作用力大小与方向作用周期变化。载荷的加载方式：一、静载荷条件下材料的力学性能1.1静拉伸试验及材料的强度与塑性用静拉伸力对标准试样进行缓慢的轴向拉伸直至拉断的一种试验方法。d0＝10mml0＝10d0或5d0变换：

s0

为试样原始截面积(mm2)

l0

为试样标距长度转化：纵坐标：以应力σ表示，横坐标：以应变ε表示1.1.1弹性极限和刚度（1）弹性极限（2）材料刚度S0金属材料受外力作用时产生变形。当外力去掉后能恢复其原来形状的性能称为弹性。这种随外力消除而消除的变形，称为弹性变形。材料在弹性范围内，应力与应变成正比，其比值E=σ/ε称为弹性模量，单位为MPa。弹性模量E标志着材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度。1.1.2材料强度（1）屈服强度（2）抗拉强度（3）断裂强度塑性变形：是材料在外力的作用下产生形变，当施加的外力撤除或消失后该物体不能恢复原状的一种物理现象。强度：指材料在外力作用下抵抗永久变形和破坏的能力。屈服强度：是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，亦即抵抗微量塑性变形的应力。抗拉强度：指试样拉断前所承受的最大拉应力，它反映了最大均匀变形的抗力。断裂强度：是材料发生断裂的应力。S0S0S01.1.3塑性－在外力作用下产生变形而不断裂的能力。（1）伸长率（2）断面收缩率塑性对材料的意义：

1.提高安全性

2.便于压力加工成型和越大，材料的塑性越好1.2硬度硬度是材料抵抗局部变形的能力，反映材料抵抗其它物体压入的能力。硬度是综合性能指标硬度测量简便迅速，不破坏零件1.2.1布氏硬度试验原理：HB=F/S=2F/πD[D-(D2-d2)1/2]当测试压头为淬火钢球时，只能测试布氏硬度小于450的材料，以HBS表示当测试压头为硬质合金时，可测试布氏硬度为450-650的材料，以HBW表示用一定载荷F，将直径为D的球体（淬火钢球或硬质合金球），压入被测材料的表面，保持一定时间后卸去载荷，测量被测试试表面上所形成的压痕直径d，由此计算压痕的球缺面积S，其单位面积所受载荷称为布氏硬度。布氏硬度值HB=F/S单位：kgf/mm2优点：测量数值稳定，准确缺点：操作慢，不适用批量生产和薄形件布氏硬度适用于：铸铁，有色金属退火、正火、调质处理钢原材料，毛坯当HBS<450时有效（HBW450-650)1.2.2洛氏硬度试验原理：HR=(k-h)/0.002对金刚石圆锥压头k=0.2mm对钢球压头k=0.26mm将标准压头用规定压力压入被测材料的表面，经规定时间后卸除试验力，根据压痕深度来确定硬度值。洛氏硬度测量的优点：操作简便，操作迅速、简便，可由表盘上直接读出硬度值。缺点：精度较差，硬度值波动较大。HRC洛氏硬度适用于：淬火钢，调质钢批生产零件当HRC20-67时有效1.2.3维氏硬度优点：维氏硬度可测定从很软到很硬的各种材料，可测定较薄材料和各种表面渗层，且准确度高。缺点：测试手续较繁。在用规定的压力P将金刚石压头压入被测试件表面并保持一定时间后卸去载荷，测量压痕投影的两对角线的平均长度d，据此计算出压痕的表面积S，最后求出压痕表面积上平均压力（HV=P/S），以此作为被测材料的维氏硬度值。注意：各硬度试验法测得的硬度值不能直接进行比较，必须通过硬度换算表换算成同一种硬度值后方可比较大小。硬度HBS与抗拉强度换算的经验公式有些机件在工作时要受到高速作用的载荷冲击，如锻压机的锤杆、冲床的冲头、汽车变速齿轮、飞机的起落架等。瞬时冲击引起的应力和应变要比静载荷引起的应力和应变大得多，因此在选择制造该类机件的材料时，必须考虑材料的抗冲击能。二、非静载荷时材料的力学性能2.1冲击韧性冲击韧性是在冲击载荷作用下，材料抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力。

通常用冲击吸收功Ak和冲击韧性ak指标来度量。将一定重量G的摆锤升至一定高度h1，使它获得位能为G·h1；再将摆锤释放，使其刀口冲向箭头所指试样缺口的背面；冲断试样后摆锤在另一边的高度为h2，相应位能为G·h2，冲断试样前后的能量差即为摆锤冲断试样所消耗的功，或是试样变形和断裂所吸收的能量，称为冲击吸收功Ak，即Ak=G·h1-G·h2，单位为J。冲击吸收功除以试样缺口底部处横截面积F获得冲击韧性值ak

，即ak=Ak/F材料的ak

值愈大，韧性就愈好；材料的ak值愈小，材料的脆性愈大。通常把ak

值小的材料称为脆性材料。材料的ak

值随试验温度的降低而降低。当温度降至某一数值或范围时，ak

值会急剧下降，材料则由韧性状态转变为脆性状态，这种转变称为冷脆转变，相应温度称为冷脆转变温度。材料的冷脆转变温度越低，说明其低温冲击性能越好，允许使用的温度范围越大。因此对于寒冷地区的桥梁、车辆等机件用材料，必须作低温（一般为–40℃）冲击弯曲试验，以防止低温脆性断裂2.2多冲抗力较小能量的多次冲击，测定在一定冲击能量下材料断裂前的冲击次数作为多冲抗力的指标。冲击能量高时，主要取决于塑性；冲击能量低时，主要取决于强度；2.3疲劳强度疲劳断裂：工作应力低于其屈服点的情况下发生断裂。断裂前材料往往没有明显的塑性变形，产生断裂也较突然，危害很大。通过测定材料在重复的交变载荷作用下而无断裂的最大应力得到的。交变应力：大小、方向随时间周期性变化的应力重复应力：方向不随时间变化tσtσ疲劳试验疲劳曲线疲劳强度—材料经无限多次应力循环而不断裂的最大应力。它表示材料抵抗疲劳断裂的能力。纯弯曲疲劳强度用σ-1表示国家标准GB4337-84规定：一般钢铁材料的交变次数106~107周次；有色金属的交变次数为107~108周次。三、金属材料的断裂韧度低应力脆断—在σs以下较低的静载荷下发生脆性断裂。原因：存在宏观缺陷，在应力作用下发展扩大造成。断裂韧度KIC:

材料的化学成分热处理加工工艺四、高低温性能4.1高温下材料的力学行为与常温下相比：材料强度、刚度、硬度随温度升高而逐渐下降；在恒温、恒应力作用下，会随时间的延长，发生缓慢的塑性变形—蠕变。一般规律：温度越高，工作应力越大，则蠕变的发展越快，而产生断裂的时间就越短。力学性能指标：（1）蠕变强度（2）持久强度一般说来，对于金属材料只有当温度高于0.3倍材料熔点时，蠕变现象才明显。某些有机高分子材料在室温下会发生明显的蠕变现象。4.2低温性能随着温度的下降，多数材料会出现脆性增加的现象，严重时甚至发生脆断。材料的冲击功值随温度下降而减小。五、金属材料的物理性能5.1密度单位体积物质的质量称为该物质的密度：密度小于5×103kg/m3的金属称为轻金属，如铝、镁、钛及它们的合金。密度大于5×103kg/m3的金属称为重金属，如铁、铅、钨等。5.2熔点

---金属从固态向液态转变时的温度。熔点高的金属称为难熔金属，如钨、钼、钒等，可以用来制造耐高温零件，如在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。熔点低的金属称为易熔金属，如锡、铅等，可用于制造熔丝和防火安全阀零件等。5.3导热性导热性通常用导热率来衡量。导热率越大，导热性越好。金属的导热性以银为最好，铜、铝次之。5.4导电性金属材料能够传导电流的能力称导电性。通常用电导率来衡量，电导率越大，金属材料导电性越好。金属导电性以银为最好，铜、铝次之。

5.5热膨胀性金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。热膨胀性用线胀系数αl和体胀系数αV来表示。

式中：αl－线胀系数（1/K或1/℃）；L1－膨胀前长度（m）；L2－膨胀后长度（m）；Δt－温度变化量（K或℃）。

5.6磁性铁磁材料：在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钴等金属材料：顺磁材料：在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等抗磁材料：能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用，如铜、锌等六、金属材料的化学性能6.1耐蚀性金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力称耐蚀性。6.2抗氧化性金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称抗氧化性。加入C