模块一 金属材料力学性能与测试

模块一金属材料力学性能与测试第一页，共二十五页，编辑于2023年，星期日四种材料（金属、陶瓷、聚合手和复合材料）的相对重要性第二页，共二十五页，编辑于2023年，星期日机械工程材料金属材料非金属材料黑色金属碳素钢有色金属铸铁合金钢无机非金属材料有机材料塑料橡胶陶瓷合成纤维铝合金铜合金其他有色合金复合材料粉末冶金上述各种材料中，金属材料是工程中应用最广泛的。第三页，共二十五页，编辑于2023年，星期日东汉晚期的青铜奔马（马踏飞燕）第四页，共二十五页，编辑于2023年，星期日河北沧州的铁狮子第五页，共二十五页，编辑于2023年，星期日

第一节金属材料的力学性能铸造性可锻性可焊性切削加工性热处理性金属材料的性能

使用性能力学性能物理性能化学性能

工艺性能

第六页，共二十五页，编辑于2023年，星期日

工艺性能是指金属材料在加工制造中表现出的性能，显示了金属材料加工制造的难易程度。使用性能是指金属材料在正常工作条件下，材料应具备的性能，它包括力学性能、和物理性能化学性能，重点是力学性能。金属材料在外力（载荷）作用下所表现出的抵抗变形和破坏的能力，叫力学性能；是金属材料重要的指标。金属材料的力学性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。材料的力学性能通常是在试验室内模拟生产条件来确定合适的试验方法。利用不同的试验方法来确定材料的力学行为特征及评定材料力学性能的指标。这些性能指标是材料设计、材料选用、工艺评定以及材料检验的重要依据。C:\DocumentsandSettings\Administrator\桌面\二维动画\材料所受外力的形式.swf桌面\二维动画\材料所受外力的形式.swf第一节金属材料的力学性能一、强度可通过金属拉伸试验来测定。第七页，共二十五页，编辑于2023年，星期日１、拉伸试验及力—伸长曲线根据拉伸力与试样变形量之间的对应关系，可以绘制出力－伸长曲线图（一般由拉伸试验机自动绘出）如下图所示所示。通过力—伸长曲线，即可计算得出强度指标和塑性指标，这些指标是评定材料质量的主要判据。

拉伸试样式

第八页，共二十五页，编辑于2023年，星期日液压式万能电子材料试验机第九页，共二十五页，编辑于2023年，星期日拉伸试样的颈缩现象C:\DocumentsandSettings\Administrator\桌面\二维动画\低碳钢应力应变图.swf第十页，共二十五页，编辑于2023年，星期日第十一页，共二十五页，编辑于2023年，星期日伸长量度LＹ

载荷F(N)FbFsFeFppＸ弹性变形——外力去除后能完全消失的变形；塑性变形——外力去除后不能消失的变形。第十二页，共二十五页，编辑于2023年，星期日

根据材料的拉伸曲线可知，不同的金属材料有不同的拉伸曲线，而即使同一材料，当直径不同时，位伸曲线也不一样，为了比较不同材料的力学性能的大小，我们引入了强度和塑性两个名词。２、强度强度是指金属材料在外力作用下抵抗塑性（永久变形）和断裂的能力,用；表示，σ＝Ｆ／ＡO（MPa兆帕）。F-------金属材料所受的外力，N；ＡO-----金属材料原始截面积，m2。根据金属材料所受载荷所产生的不同的变形情况，有三个重要的强度参数，分别是弹性强度（弹性极限）、屈强度和抗拉强度（强度极限）。（１）弹性强度金属材料在载荷作用下产生弹性变形所能承受的最大应力称为弹性强度，用σe表示，σe

＝Ｆe／ＡO单位

(MPa)

。第十三页，共二十五页，编辑于2023年，星期日Ｆe-----金属材料产生弹性变形所能承受的最大外力，N；ＡO-----金属材料原始截面积，m2。（２）屈服强度金属材料在载荷作用下开始明显塑性变形时的最低应力称为塑性强度，用σs表示，σs

＝Ｆs／ＡO单位

(MPa)

。Ｆe-----金属材料产生塑性变形所能承受的最低外力，N；ＡO-----金属材料原始截面积，m2。生产中使用的某些金属材料无明显的屈服现象时，不能确定其屈服点时，国标中规定，有条件屈服强度来表示，即材料变形时为试样标距长度的0.2%时，材料所能承受的应力，用符号σ0.2表示。（３）抗拉强度金属材料在断裂前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用符号σb表示，σb

＝Ｆb／ＡO单位

(MPa)

。第十四页，共二十五页，编辑于2023年，星期日Ｆb-----金属材料在断裂前所能承受的最大外力，N；ＡO-----金属材料原始截面积，m2。由于脆性材料没有屈服现象，用σb作为设计依据。二、塑性塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力，常用的塑性指标有伸长率δ和断面收缩率ψ。１、伸长率材料拉断后，标距长度的增加量与原标距长度的百分比称为伸长率，用δ表示；式中，l0——材料原标距原长度，mm；

l1——材料断裂后标距长度，mm.第十五页，共二十五页，编辑于2023年，星期日２、断面收缩率材料拉断后，标距横截面积的缩减量与原横截面积的百分比称为断面收缩率，用字母ψ表示；

式中，A0——试样原始横截面积，mm2；

A1——拉断后最小的横截面积，mm2。

δ和ψ

是衡量金属材料塑性变形能力大小的指标，δ和ψ越大，表示材料的塑性越好，既能保证压力加工的顺利进行，又保证机件工作时的安全可靠。第十六页，共二十五页，编辑于2023年，星期日三、硬度硬度是衡量金属材料软硬程度的指标，是金属表面抵抗局部塑性变形或破坏的能力。目前生产上应用最广的静载荷压入法硬度试验有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。1、布氏硬度试验原理如图所示；用一定直径的钢球或硬质全金球，以

第十七页，共二十五页，编辑于2023年，星期日相应的试验力压入试样表面，经规定的保持时间后，卸除试验力，用读数显微镜测量试样表面的压痕直径，用试验力Ｆ除以压痕球形表面积所得到的商，就是布氏硬度值。当压头为淬火钢球时，用HBS表示，它适用于硬度值在450以下材料，当压头为硬质合金时，用HBW表示,适用于硬度值在650以下。对于不同的金属材料，只要保证F/A恒定，就可以保证压痕的几何形状不同，则测试的结果就可以反映出来不同材料的硬度值。C:\DocumentsandSettings\Administrator\桌面\二维动画\布氏硬度[1].swf布氏硬度计

第十八页，共二十五页，编辑于2023年，星期日第十九页，共二十五页，编辑于2023年，星期日冲击试验原理C:\DocumentsandSettings\Administrator\桌面\二维动画\摆锤式冲击试验.swf第二十页，共二十五页，编辑于2023年，星期日第二十一页，共二十五页，编辑于2023年，星期日

此时试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:Ak=mgH–mgh(J)

而金属的冲击韧度ak就是冲断试样时在缺口处单位面积所消耗的功，即：

ak=——(J/cm²)式中：ak—冲击韧度，J/cm²；

A—试样缺口处原始截面积，cm²；

Ak—冲断试样所消耗的功，J。冲击吸收功Ak的值可从试验机上的刻盘上直接读出，如下图所示。

AkA第二十二页，共二十五页，编辑于2023年，星期日五、疲劳强度许多机械零件是在交变应力（循环应力）作用下工作的，此时，虽然零件所承受的应力数值小于材料的屈服强度，但在长时间运转后也会发生断裂，这种现象叫疲劳断裂。交变应力的大小和断裂循环次数之间的关系通常用疲劳曲疲劳曲线第二十三页，共二十五页，编辑于2023年，星期日线来来描述。疲劳曲线表明，当应力低于某一值时，即使循环次数无穷多也不发生断裂，此应力值称为疲劳强度或疲劳极限，用符号σ-1表示。在疲劳强度测定中，不可能把循环次数做到无穷大，而是规定一定的循环次数作国基数。常用钢材的循环基数一般取N=107，有色金属的循环次数一般取N=108。第二十四页，共二十五页，编辑于2023年，星期日小资料—金属的高温力学性能

金属材料随温度的升高，弹性模量E、屈服强度σS、硬度等值降低，而塑性增加的现象称高温蠕变。

小资料：纽约世界贸易中心大楼曾是世界第一高楼，它高411米，单个塔楼的重量约5万吨；撞击大楼的波音757飞机起飞重量104吨，波音767飞机起飞重量156吨，它们的飞行速度大约是每小时1000公里。这次撞击大楼的波音757飞机大约可载35吨燃油，波音767飞机可载51吨燃油，由于是从美国东部飞往西部的远程航班，所以飞机上的油箱估