第一节金属材料的力学性能

第一节金属材料的力学性能第一页，共四十七页，编辑于2023年，星期一第一节金属材料的力学性能教学目标:

１．了解材料的主要力学性能指标：屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性等力学性能及其测试原理；２．强调各种力学性能指标的生产实际意义；３．了解工程材料的物理性能、化学性能及工艺性能。第二页，共四十七页，编辑于2023年，星期一金属的力学性能定义:

金属材料的力学性能是指金属材料在不同环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。

指标:

弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧性、断裂韧度和疲劳强度等。第三页，共四十七页，编辑于2023年，星期一材料的其他性能物理性能：密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等；化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等；工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性、热处理工艺性等。第四页，共四十七页，编辑于2023年，星期一一、刚度和弹性评价材料力学性能最简单和最有效的方法就是测定材料的拉伸曲线，在GB/T6397—1986《金属拉伸试验试样》中对试样的形状、尺寸及加工要求均有明确的规定，如图1-1所示。图1-1圆形标准拉伸试样（a）拉伸前；（b）拉伸后第五页，共四十七页，编辑于2023年，星期一一、刚度和弹性一、拉伸实验与拉伸曲线1.拉伸试样GB6397-86规定《金属拉伸试样》有：圆形、矩形、异型及全截面．常用标准圆截面试样。长试样：L0=10d0;短试样：L0=5d0拉伸试样第六页，共四十七页，编辑于2023年，星期一2.拉伸过程一、刚度和弹性第七页，共四十七页，编辑于2023年，星期一拉伸试样的颈缩现象拉伸试验机第八页，共四十七页，编辑于2023年，星期一op段：比例弹性变形阶段；pe段：非比例弹性变形阶段；平台或锯齿（s段）：屈服阶段；sb段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。b点：形成了“缩颈”。bk段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点断裂。断裂总伸长为Of，其中塑形变形Og(试样断后测得的伸长)，弹性伸长gf。Δl

FΔl

bΔl

uΔl

Fbbk

Fsso

g

fe

Fep

Fp3.拉伸曲线图1-2拉伸曲线第九页，共四十七页，编辑于2023年，星期一(1)应力σ

：单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积S0表示:载荷(N)(Mpa)

原始横截面积(mm2)(2)应变ε：单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原始标距表示:

伸长量(mm)

原始长度(mm)(3)应力－应变曲线（σ-ε曲线）:形状和拉伸曲线相同，单位不同4.应力与应变曲线σbσsσeεσ第十页，共四十七页，编辑于2023年，星期一退火低碳钢低、中回火钢淬火钢及铸铁中碳调质钢5.不同材料的拉伸曲线第十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期一二、强度与塑性1、强度材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为强度。根据加载方式不同，强度指标有许多种，如屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。其中以拉伸试验测得的屈服强度和抗拉强度两个指标应用最多。第十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期一二、强度与塑性屈服强度在图1-2中，进程超过s点后，材料将发生塑性变形。在BC段，持续发生塑性变形而应力却不增加，材料的这种现象称为屈服。s点所对应的应力称为屈服强度，用σs

表示，屈服强度反映材料抵抗永久变形的能力。实际上，多数材料的屈服阶段不很明显或从拉伸曲线上看不出这一阶段，因此规定用拉伸时产生0.2％残余变形所对应的应力为材料的屈服应力，称为条件屈服强度或名义屈服强度，记为σ0.2，如图1-3所示。图1-3名义屈服强度的确定第十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期一2、塑性:是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。

(1)断面收缩率:

是指试样拉断处横截面积的收缩量Δ

S与原始横截面积S0之比。(2)伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量Δ

L

与原始标距L0之比。

S0-S1

ψ=——-—×100%S0

l1

-

l0

δ=——-—×100%l0二、强度与塑性第十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期一二、强度与塑性δ与ψ的数值越大，材料在断裂前发生的变形越大，说明材料的塑性越好。由于有些材料在拉伸试验时会出现局部颈缩，而有些材料则不会，因此用ψ表示材料的塑性比用δ表示更接近真实情况。

由于不同长度的试样所得伸长率不同，长度越大，伸长率越小。采用长试样进行拉伸试验，所得伸长率用δ10表示，而用短试样所得伸长率用δ5表示，显然有δ5＞δ10。第十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期一二、强度与塑性材料的塑性指标具有重要的实际意义。塑性良好的材料，冷压成型好。飞机和发动机上的许多薄壁零件，如蒙皮、翼肋、燃烧室零件等都是冷压成型的，使用的材料都应具有良好的塑性。此外，具有一定塑性的零件，在使用过程中万一超载或形成应力集中，它可产生少量塑性变形，由于加工硬化效应而使它的强度提高，不致突然断裂。如果塑性不够而产生脆性的突然断裂，这在工程上是很危险的。第十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期一三、

硬度布氏硬度HB洛氏硬度HR维氏硬度HV锉刀法硬度(hardness):是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力常用测量硬度的方法第十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期一(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度计

第十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期一三、

硬度

布氏硬度的试验原理如图1-4所示。将直径为D的钢球或硬质合金球，在一定载荷P的作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，所施加的载荷与压痕表面积的比值即为布氏硬度。实际操作时，先测量压痕平均直径d，然后查表得到材料的布氏硬度值。布氏硬度的试验原理图第十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期一(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)适用范围:

＜450，HBS;

＜650，HBW;第二十页，共四十七页，编辑于2023年，星期一(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)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、载荷及载荷保持时间。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。第二十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期一(2)洛氏硬度HR(Rockwllhardness)h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计10HRC≈HBS第二十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期一洛氏硬度的试验原理如图所示，根据压痕深度大小表示材料的硬度值，压坑越深，硬度越低。试验时，根据材料硬度选择相应的压头。当测定硬度较高的材料时，选用120°的金刚石圆锥压头；测定硬度较低的材料时，选用淬火钢球压头。硬度计上有一个表头，测量时表头上可直接读出被测件的硬度值，故比布氏法方便，而且压痕小，可以直接在成品零件上测试。洛氏硬度的试验原理第二十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期一洛氏法根据测量时选用载荷与压头的不同，分为9个标尺，常用的有A、B、C三个，并将标尺代号标注在符号HR的右边。如HRA、HRB、HRC等，硬度值仍写在符号HR的前面，如50HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度为50。应当注意：不同级别的硬度值不能直接相互比较。洛氏法的缺点是测量结果分散度大。第二十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期一(3)维氏硬度HV

(diamondpenetratorhardness)适用范围:

测量薄板类;

HV≈HBS;第二十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期一

维氏硬度的试验原理如图所示。将顶部两相对面具有规定角度（136°）的正四棱锥体金刚石压头在一定载荷P的作用下压入试样表面，并保持一定时间后卸载，所施加的载荷与压痕表面积的比值即为维氏硬度。维氏硬度可通过测量压痕对角线长度d查表得到。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。如640HV30／20表示在30kgf（294.2N）载荷作用下保压时间为20s测定的维氏硬度值为640。第二十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期一四、韧性

1、冲击韧性材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。第二十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期一

试验时，将带有缺口的试件安装在试验机的支座上，摆锤由规定高度落下，并从试件缺口背面打断试件，同时推动刻度盘上的指针转动。显然试件吸收的能量不同，摆锤所能达到的高度不同。韧性越好的材料，断裂时吸收的能量越大，摆锤达到的高度越小。最终刻度盘上的指针所指示的数值便是摆锤打断试件时消耗的能量，以Ak表示。而材料的冲击韧性值ak以试件缺口处单位截面面积的能量表示，即ak=Ak/A(kg·m/cm2)。式中A表示试件缺口外的横截面面积。第二十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期一冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图第二十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期一试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:

Ak=mgH–mgh(J)

冲击韧性值ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。

AK

ak

=(J/cm²)S0第三十页，共四十七页，编辑于2023年，星期一四、韧性2、断裂韧性“脆断”是一种最危险的断裂，因为构件在断裂前几乎不产生明显的塑性变形，很难预先发现征兆而加以预防，从而酿成重大事故。如1943年1月，美国一艘T-2油轮停泊在装货码头时，竟发生突然断裂成两截的惨祸。而据计算，断裂时船体承受的应力仅为68.6MPa，远低于船体钢材的强度极限300MPa～400MPa，甚至远低于材料的屈服强度245MPa。这种低应力脆断的现象很难用经典力学来解释。第三十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期一1943年美国T-2油轮发生断裂第三十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期一经长期研究，人们认识到，过去把材料看作毫无缺陷的连续均匀介质是不准确的。材料内部在冶炼、轧制、热处理等各种制造过程中不可避免地会产生某种微裂纹，而且在无损检测时又没有被发现。所以在使用过程中，由于应力集中、疲劳、腐蚀等原因，裂纹会进一步扩展，当裂纹尺寸达到临界尺寸时就会发生低应力脆断的事故。在裂纹扩展的过程中，按裂纹的力学特征可将其分为以下三类第三十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期一

第一类为张开型裂纹，如图1-9(a)所示。构件承受垂直于裂纹面的拉力作用，裂纹表面的相对位移沿着自身平面的法线方向，若受拉板上有一条垂直于拉力方向而贯穿于板厚的裂纹，则该裂纹就是张开型裂纹。第二类为滑开型裂纹，如图1-9(b)所示。构件承受平行裂纹面而垂直于裂纹前缘的剪力作用，裂纹表面的相对位移在裂纹面内，并且垂直于裂纹前缘，如齿轮或花键根部沿切线方向的裂纹就是滑开型裂纹。

第三类为撕开型裂纹，如图1-9(c)所示。构件承受平行于裂纹前缘的剪力作用，裂纹表面的相对位移在裂纹面内，并平行于裂纹前缘的切线方向，如扭矩作用下圆轴的环形切槽或表面环形裂纹就是撕开型裂纹。第三十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期一图1-9裂纹表面三种位移形式(a)张开型裂纹；(b)滑开型裂纹；(c)撕开型裂纹。第三十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期一

为了研究裂纹对材料断裂强度的影响，把刻有不同深度刻痕的试件进行拉伸试验，画出如图1-10所示的裂纹深度a与实际断裂强度的关系曲线，且有公式K=σc成立。对某种材料来说，K是一个常数，也是材料力学性能的指标，表示材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力，称为断裂韧性。第三十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期一图1-10断裂强度与裂纹深度的关系曲线示意图

断裂韧性第三十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期一五、疲劳强度(fatiguestrength)

表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。第三十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期一五、疲劳强度(fatiguestrength)

疲劳断裂特征

许多零件，如直升飞机的旋翼、发动机的轴和叶片、各种齿轮、弹簧等，在工作中受到反复改变大小或同时改变大小和方向的“交变载荷”。零件在交变载荷作用下，虽然其应力比材料的抗拉强度小，甚至比屈服强度还小，但是在长期使用的某一时刻也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳断裂。第三十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期一

如图1-11所示，零件在一定特征的交变载荷作用下，首先在零件的薄弱环节，如应力集中或缺陷（划伤、夹渣、显微裂纹等）处产生微细的裂纹，这种微细裂纹称为疲劳源。随着交变载荷循环次数的增加，疲劳源裂纹不断开合，同时裂纹逐步扇形扩展，形成疲劳扩展区。由于裂纹在扩展过程中反复开合，两个裂纹面相互挤压和摩擦，所以疲劳扩展区的形貌比较光亮，很像贝壳的内表面，所以也叫光滑区，这是疲劳扩展区的最明显特征。第四十页，共四十七页，编辑于2023年，星期一图1-11疲劳断裂断口照片疲劳断裂特征第四十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期一钢材的循环次数一般取

N=107有色金属的循环次数一般取

N=108钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:

σ-1

=(0.45～0.55)σb第四十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期一1.6蠕变及蠕变—疲劳断裂

蠕变断裂是材料在应力和温度共同作用下发生的一种断裂方式。而有些高温部件在工作条件下同时承受恒定载荷和交变载荷的作用（如燃气轮机的涡轮盘），这种情况下发生的断裂方式称为蠕变—疲劳断裂。它们是燃气涡轮发动机高温部件（如涡轮叶片、涡轮盘等）的主要失效形式之一。第四十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期一

所谓金属材料的蠕变，就是材料在一定的应力和温度下其长度随时间的缓慢变化过程。广义地说，是材料在应力和温度的作用下发生的缓慢变形与时间的关系。金属之所以能产生蠕变，是因为在高温条件下，金属原子之间的距离增加，原子间结合力减小，故变形抗力小，在一定载荷作用