工程材料及热加工基础-1

工程材料及热加工基础南京航空航天大学材料学院梁文萍第一章材料的力学性能§1.1材料的力学性能§1.2材料的静载力学性能§1.3材料的动载力学性能§1.4材料的断裂韧性§1.5其他力学性能材料的静载力学性能

拉伸试验

硬度材料的动载载力学性能

冲击试验

疲劳试验断裂韧性学习目的和要求：1.理解材料常用力学性能指标的物理意义。2.了解强度、塑性、硬度及冲击韧性指标的测试方法以及使用这些指标时应注意的局限性，重点掌握布氏硬度和洛氏硬度的优缺点、相互关系以及应用场合。材料的性能：材料在外界因素作用下所表现出来的行为.

力学性能物理性能化学性能工艺性能1.1.1概念与定义§1.1材料的力学性能材料的力学性能：

材料在一定环境因素下承受外加载荷所表现出来的行为，通常表现为变形（几何形状和尺寸的变化）与断裂。1.1.1概念与定义材料用于结构零件时，其力学性能是工程设计的基本依据；以其它性能如物理、化学性能作为主要使用要求时，其力学性能同样也是设计的重要参考依据。不同的工作条件和环境下，对力学性能的要求与侧重各有不同。1.1.2材料力学性能指标静载荷：

是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。材料的静载力学性能指标：

主要有强度、塑性、硬度等。§1.2材料的静载力学性能1.2.1拉伸试验1-1拉伸试验1.2.1拉伸试验标准拉伸试样GB/T228-2002拉伸曲线应力-应变曲线应力σ＝F/S0

应变ε＝Δl/l01.2.1拉伸试验1.弹性指标：弹性变形:随完全卸载而消失的变形。

弹性:

金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。

刚性:

材料抵抗弹性变形的能力。

比例极限σp

：

金属拉伸曲线的初始阶段，应力与应变成正比关系的最大应力称为比例极限。弹性极限σe：

材料由弹性变形过渡到弹-塑性变形的应力,即:1.弹性指标：弹性模量（在工程上也称材料的刚度）：在弹性范围内应力与应变的比值,即:

E主要取决于金属的本身性质,难以通过合金化、热处理和加工的办法使之改变。1.弹性指标：2.强度指标：强度：

表征材料对变形和断裂的抗力的指标，单位为MPa或N/mm2。屈服强度σs：

试样屈服时承受的最小应力。表征材料发生明显塑性变形的抗力。屈服是指拉伸过程中，应力不增加或有所下降而试样能继续变形的状态。条件屈服强度σ0.2：

某些材料在拉伸试验中没有明显的屈服现象，规定产生0.2%的残余伸长量时材料所承受的应力。

2.强度指标：强度极限（抗拉强度）σb

：

试样拉断前能承受的最大应力。表征材料对最大均匀变形的抗力。

比强度：

材料的强度值与密度值之比。名称密度(g/cm3)强度(MPa)比强度纯铝2.780～10030～37纯铁7.87180～28023～36纯钛4.5405～50090～1112.强度指标：断裂强度（抗拉强度）σk

：

试样拉断时的真实应力。表征材料对断裂的抗力。

塑性变形：

不可恢复的永久变形。塑性是表征材料断裂前具有塑性变形的能力。

3.塑性指标：延伸率δ（δ5、δ10）：

断后试样标距伸长量与原始标距之比的百分率，即：δ<2~5%属脆性材科δ≈5~10%属韧性材料δ>10%属塑性材料3.塑性指标：

断面收缩率ψ：

断裂后试样截面的相对收缩量，即试样拉断处横截面积减缩量与原始横截面积的百分比：

材料的塑性指标一般不直接用于机械设计计算。

零件遭受意外过载或冲击时，通过塑性变形可以避免突然断裂。材料具有一定塑性可保证某些成型工艺（如冷冲压、轧制、冷弯等）顺利进行。对于金属材料，塑性指标还反映了其冶金质量的好坏。3.塑性指标：力学性能性能指标说明符号名称强度σb抗拉强度试样在拉断前承受的最大应力值σs

屈服强度材料开始产生屈服现象时的应力σ0.2条件屈服强度对于无明显屈服的材料，规定产生0.2%残余伸长时所对应的应力值塑性δ（δ5、δ10）延伸率断后试样标距伸长量与原始标距之比的百分率，试样的长度/直径比为5、10时记为δ5、δ10ψ断面收缩率试样拉断处横截面积减缩量与原始横截面积的百分比弹性σe弹性极限由弹性变形过渡到弹性-塑性变形时的应力σp比例极限弹性变形时应力与应变成正比关系的最大应力刚性E弹性模量完全弹性变形时应力与应变的比值，表征材料产生弹性变形的抗力拉伸试验的主要力学性能指标小结1.2.2硬度硬度是材料表面抵抗局部压入变形或刻划破裂等的能力。工程中常用的硬度指标有：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。硬度的种类及测试方法硬度试验方法压入法划痕法加载速率静载试验法动载试验法布氏硬度洛氏硬度维氏硬度显微硬度肖氏硬度锤击布氏硬度莫氏硬度材料抵抗局部断裂的能力材料变形功的大小材料表面抵抗压入时引起塑性变形的能力HB=F/S压痕深度布氏硬度计

1.布氏硬度(Brinell-hardness)用于测定硬度不高的金属材料。主要有铸铁、有色金属、低合金结构钢、结构钢调质件等。1-2布氏硬度试验测定原理：

用一定大小的载荷F，把直径为D的淬火钢球压入被测金属的表面，保持一定的时间后卸除载荷，用金属压痕的表面积，除载荷所得的商值即为布氏硬度值。1.布氏硬度(Brinell-hardness)F布氏硬度测量示意图适用范围:

＜450HBS

＜650HBWDdF

布氏硬度测试规范：

根据材料的软硬和试样的不同选择合适的载荷P与钢球直径D。布氏硬度值的表示方法

符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径（mm）、载荷及（N）载荷保持时间（s）

。

如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。为了使同一材料用不同的P和D值测得的HB值相同，应使P/D2=常数。压坑面积大，误差小，但不宜检验成品、小件、薄件；HB650不适；多用于毛坯及原材料。布氏硬度的特点h1-h0洛氏硬度测试示意图2.洛氏硬度HR(Rockwellhardness)1-3洛氏硬度试验

测试原理：用一定规格的压头，在一定载荷作用下压入试样表面，然后测定压痕的深度来计算并表示其硬度的大小，用符号HR来表示。主要有HRA、HRB、HRC、HRF等。

2.洛氏硬度HR(Rockwellhardness)洛氏硬度值的表示方法硬度值可从洛氏硬度计的百分度盘上直接读出，标记时将硬度值置于HR前。例：60HRC、75HRA迅速方便，可直接读数；压坑小，适于薄材或成品的检测；误差稍大，宜不同部位多点测量取平均值。洛氏硬度的特点2.洛氏硬度HR(Rockwellhardness)3.维氏硬度HV(Vicker’shardness)

测试原理：

维氏硬度测试原理与布氏硬度相同，不同点是压头为金刚石正四棱锥体，所加负荷较小。所测硬度值精确。改变负荷可测定从极软到极硬材料的硬度。3.维氏硬度HV(Viker’shardness)适用范围:

测量薄板类

HV≈HBS

维氏硬度值的表示方法硬度值+HV+试验力（kgf）数字+载荷保持时间例：640HV30/20维氏硬度的特点HV值不随载荷变化，即不同载荷下的HV可相互比较；测量精度高，测量范围广；特别适用于测定工件表面硬化层、金属镀层及薄片金属的硬度。4.显微硬度（Micro-hardness）测试原理：与维氏硬度完全相同，只是所用载荷要小得多。常用于测定材料中某个相的硬度。5.里氏硬度（Leeb’shardness）:几种硬度指标小结硬度种类硬度符号压头类型载荷/kgf硬度值有效范围典型应用布氏HBS10mm淬火钢球1000<450退火、正火或调质钢件HBW10mm硬质合金球1000<650淬火钢等较硬材料洛氏HRA120°金刚石圆锥6070-85硬质合金、表面淬火钢HRB1.588mm淬火钢球10025-100退火钢、有色合金HRC120°金刚石圆锥15020-67一般淬火钢件维氏HV136°金刚石四棱锥5－1200-1000经表面处理后的材料表面层动载荷是指由于运动而产生的作用在构件上的力。根据作用的性质不同分为交变载荷与冲击载荷。动载力学性能指标主要有冲击韧性和疲劳强度。§1.3材料的动载力学性能1.3.1冲击韧性：韧性：

材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。

冲击韧性：是材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。常用一次弯曲冲击韧性试验ak值来表示。ak值是带缺口标准试样快速冲断时，单位横截面积吸收的功。冲击韧性是材料强度和塑性综合作用的结果。一次弯曲冲击韧性试验试样：夏比U型缺口试样（梅氏试样）夏比V型缺口试样（夏氏试样）冲击韧性试样试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:

Ak=mgH–mgh(J)冲击韧性值ak：（J/m2）Hh材料的韧性，表示材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力；对材料内部缺陷、显微组织变化敏感，可检验材料冶金质量与热加工质量;受大能量冲击的机件，需一定k以保证安全，但k值无法用于零件设计计算，只能根据经验提出k值要求。ak的意义：评定材料低温变脆倾向，测定材料的冷脆转变温度TK

；1.3.2疲劳强度：交变载荷：

方向、大小随时间呈周期循环性变化的载荷。循环应力：周期性变动载荷作用下产生循环周次循环应力特征参数：最大应力max、最小应力min、应力半幅a、平均应力m应力循环对称系数r=min/max疲劳断裂：定义：机件在交变载荷作用下，在长时间工作后发生突然断裂的现象。特点：①断裂时的应力远低于静载下的抗拉强度甚至屈服强度；②无明显塑性变形；③无预兆、突然发生。机理:在交变载荷作用下，材料表面应力集中处和材料内部缺陷处首先产生疲劳裂纹，并随应力循环周次的增加，疲劳裂纹不断扩展，甚至零件的有效横截面面积不能承受外载荷时突然断裂。疲劳强度

：

材料经无限次循环而不发生断裂的最小应力。表征了材料抵抗疲劳断裂的能力。测定：

旋转弯曲疲劳试验疲劳曲线σ-1：材料承受对称循环交变应力时的疲劳强度。

有色金属的循环次数一般取N=108钢材的循环次数一般取

N=107疲劳断裂的危害性：机件断裂80%是疲劳断裂；突发性，难以防范；低应力脆断。影响疲劳强度的因素常用的工程材料中，金属的疲劳抗力最高（钢的σ-1/σb约为40~50%，有色金属约为25~50%），所以抗疲劳机件几乎都选用金属材料；陶瓷与聚合物的疲劳抗力很低，不能用于制造承受交变载荷的零件；纤维增强复合材料也有比较好的抗疲劳性能，处于交变载荷下工作的应用正逐渐增多。提高零件的疲劳强度可通过如下途径：合理选材、改善零件的形状与结构、减少材料的缺陷、降低零件表面的粗糙度、对零件表面进行强化等。低应力脆断：一些大型零件在远低于材料的屈服强度的应力值作用下发生的脆性断裂。低应力脆断是由于材料本身固有微裂纹，在应力的作用下失稳扩展的结果。断裂韧性：

材料抵抗裂纹失稳扩展能力的性能指标。§1.4材料的断裂韧性裂纹尖端的应力集中现象和应力场强度因子：断裂韧性（KIc