第一章金属材料的力学性能

机械制造基础材料分类复合材料金属材料陶瓷材料高分子材料

工艺性能—在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能。

使用性能—材料在使用过程中所表现的性能力学性能物理性能化学性能铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削加工性能、热处理工艺性能材料的性能2、内力：金属受到外力时为保其不变形，在材料内部作用者与外力相对抗的力称为内力。3、应力：单位面积上的内力。。一、基本概念1、弹性：指物体在外力作用下改变基本形状和尺寸，当外力卸除后物体又恢复到其原始形状和尺寸的特性。研究力学性能意义：是选择和使用金属材料的重要依据冲击载荷：在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。循环载荷：指大小、方向随时间发生周期性变化的载荷4、应变：指由外力所引起的物体原始尺寸或形状的相对变化；通常以百分比（%）表示5、载荷：金属材料在加工及使用过程中所受的外力。按作用性质分：静载荷：指大小不变或变化过程缓慢的载荷。。载荷按作用形式不同分：

材料的力学性能：指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。第一节强度与塑性作用在机件上的外力——载荷FFF=F’

（MPa）外力——内力——应力F’F静载荷动载荷σ=F’

/S一.常用术语1.应力与应变应力：物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。同截面垂直的称为“正应力”或“法向应力”，同截面相切的称为“剪应力”或“切应力”。FF拉伸前拉伸后应变：物体形状尺寸所发生的相对改变。物体内部某处的线段在变形后长度的改变值同线段原长之比值称为“线应变”（1）弹性变形：

材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来形状，这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形。2.两种基本变形FFF

（2）塑性变形:

材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形，称为塑性变形。FFF拉伸试验FFL拉伸试验机颈缩现象材料的拉伸曲线1、oe段：直线、弹性变形2、es段：曲线、弹性变形+塑性变形kbb—极限载荷点Fee—弹性极限点sS—屈服点K—断裂点拉伸曲线应力—应变曲线o5、b点出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低，拉伸力达到最大值，而后降低，但变形量增大，K点时试样发生断裂。4、s’b曲线：弹性变形+均匀塑性变形s’3、ss’段：水平线（略有波动）明显的塑性变形屈服现象，作用的力基本不变，试样连续伸长。1．强度材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。（1）弹性极限（σe）指金属材料能保持弹性变形的最大应力。σe=Fe/S0（MPa）它表征了材料抵抗弹性变形的能力。（2）屈服强度（σS）指材料在外力作用下，产生屈服现象时的最小应力。σS=Fs/S0（MPa）它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。当材料单位面积上所受的应力σe<σ<σs时，只产生微量的塑性变形。当σ>σs时，材料将产生明显的塑性变形。条件屈服强度:σ0.2=F0.2/S0（MPa）屈服强度—是塑性材料选材和评定的依据。0.2%l0

bkFes对于低塑性材料或脆性材料：低碳钢和铸铁的应力——应变曲线比较

σb=Fb/S0（MPa）（3）抗拉强度（σb）抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。抗拉强度—是脆性材料选材的依据。物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力屈服强度与抗拉强度的比值σS

/σb称为屈强比。屈强比小，工程构件的可靠性高，说明即使外载荷或某些意外因素使金属变形，也不至于立即断裂。但若屈强比过小，则材料强度的有效利用率太低。2.塑性常用δ

和ψ作为衡量塑性的指标。伸长率：材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。断面收缩率:FFL良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。3．刚度

在弹性阶段：材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力称为刚度。比例系数E称为弹性模量，它反映材料对弹性变形的抗力，代表材料的“刚度”。

所以：E—材料抵抗弹性变形的能力越大。弹性模量的大小主要取决于材料的本性，随温度升高而逐渐降低。

第二节硬度定义：材料抵抗表面局部弹塑性变形的能力。1)布氏硬度HB布氏硬度计压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。

表示方法：

硬度值+HBS(HBW)+D+F+t布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。应用：适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。材料的b与HB之间的经验关系：对于低碳钢:

b(MPa)≈3.6HB

对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB

对于铸铁：

b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈0.6(HB-40)2)洛氏硬度洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。

标尺压头类型总载荷N硬度测试范围应用举例A金刚石圆锥558.470~85HRA硬质合金，表面淬火、渗碳钢等。B淬火钢球980.720~100HRB退火钢、铸铁、钢合金、铝合金等。C金刚石圆锥147120~70HRC淬火钢、调质钢等。

2、标注：为了能在同一洛氏硬度计上测定从软到硬的材料硬度，采用了由不同的压头和载荷组成的几种不同的洛氏硬度标尺，并用字母在HR后加以注明，常用的洛氏硬度是HRA、HRB和HRC三种。

洛氏硬度表示时，硬度值写在硬度符号的前面。例如，50HRC表示用标尺C测得的洛氏硬度值。符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。HRA用于测量高硬度材料,如硬质合金、表淬层和渗碳层。HRB用于测量低硬度材料,如有色金属和退火、正火钢等。HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。缺点：测量结果分散度大。3)维氏硬度维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。

1．冲击韧度（冲击韧性）

AKU=mg（H1–H2）（J）aK=

AKU/S（J/cm2）

材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力。

第三节冲击韧性标准冲击试样有两种，一种是Ｕ形缺口试样，另一种是Ｖ形缺口试样。它们的冲击韧度值分别以aKU和aKV。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研究表明，材料的aK值随试验温度的降低而降低。

加载速度越快，温度越低，表面及冶金质量越差，aK在值越低。TITANIC建造中的Titanic号TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关1912年4月号称永不沉没的泰坦尼克号（Titanic）首航沉没于冰海，成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。20世纪80年代后，材料科学家通过对打捞上来的泰坦尼克号船板进行研究，回答了80年的未解之谜。由于Titanic号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，当船在冰水中撞击冰山时，脆性船板使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。下图中左面的试样取自海底的Titanic号，冲击试样是典型的脆性断口，右面的是近代船用钢板的冲击试样。第四节疲劳强度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s，但经过一定循环周次后仍会发生断裂，这样的断裂现象称之为疲劳。据统计，约80%的机件失效为疲劳破坏。当零件所受的应力低于某一值时，即使循环周次无穷多也不发生断裂，称此应力值为疲劳强度或疲劳极限N0N钢：有色金属：N0—

循环基数影响疲劳强度的因素:内部缺陷、表面划痕、残留应力等疲劳断裂零件在循环应力作用下,在一处或几处产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数后突然产生断裂的过程,称为疲劳断裂.

疲劳断裂由疲劳裂纹产生—扩展—瞬时断裂三个阶段组成。

疲劳极限获得方法：通过旋转弯曲试验方法有的大型转动零件、高压容器、桥梁等，常在其工件应力远低于σS的情况下突然发生断裂——低应力脆性断裂。1943年美国T-2油轮发生断裂北极星导弹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，是因为一节车厢的车轮“内部疲劳断裂”引起的。首先是一个车轮的轮箍发生断裂，导致车轮脱轨，进而造成车厢横摆，此时列车正好过桥，横摆的车厢以其巨大的力量将桥墩撞断，造成桥梁坍塌，压住了通过的列车车厢，并使已通过桥洞的车头及前5节车厢断开，而后面的几节车厢则在巨大惯性的推动下接二连三地撞在坍塌的桥体上，从而导致了这场近50年来德国最惨重的铁路事故。产生这种现象的原因与机件内部存在着微裂纹和其它缺陷以及它们的扩展。随应力的增大，KI不断增大，当KI增大到某一定值时，这可使裂纹前沿的内应力大到足以使材料分离，从而导致裂纹突然扩展，材料快速发生断裂。这个应力强度因子的临界值，称为材料的断裂韧度，用KIC表示。断裂韧性：材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。力学性能bs强度塑性刚度硬度韧性疲劳强度三、力学性能与失效形式的关系失效形式断裂塑性变形过量弹变磨损

一、物理性能

金属材料的物理性能主要是指其密度、熔点、导电性、导热性及热胀冷缩性等

。1、导热性金属的导热性常用导热系数λ（W/(m*K)）来评价，λ值愈大，导热性愈好。材料的导热性对加工和使用都有很大的影响。2、热胀冷缩性材料的热胀冷缩性用线膨胀系数α（1/℃）或体积膨胀系数来评价。线膨胀系数或体积膨胀系数愈大，材料的尺寸或体积随温度升高而增大愈多，随温度降低而减少愈多，不仅对零件的使用有很大影响，而且影响零件的加工。

第五节金属的物理性能和化学性能二、化学性能

化学性能是指金属在室温或者高温抵抗各种介质化学作用的能力，即化学稳定性。主要化学性能有抗氧化性和抗腐蚀性。

1.抗氧化性

材料