机械制造基础- 课件 第一章 金属的力学性能

教学目标：1.掌握金属力学性的基本概念2.掌握各力学性能的衡量指标重点与难点：1.金属材料力学性能的概念以及应用

2.强度、硬度、塑性的测量方法材料的性能使用性能工艺性能力学性能物理性能化学性能铸造性能锻压性能热处理性能焊接性能力学性能：金属材料在外力作用下所表现出来的性能。主要包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。

力学性能不仅是机械零件设计、选材、验收及鉴定的主要依据，也是对产品加工过程实行质量控制的重要参数。第一节强度和塑性强度：金属材料在静载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。

金属材料的强度越高，所能承受的载荷就越大。塑性：金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。

为避免机械零件在使用过程中出现断裂或者变形的情况，在使用前首先要确定机械零件的强度和塑性是否能够满足使用要求。定义第一节强度和塑性1．金属材料承受的载荷一、金属材料承受的载荷与应力按外力作用性质分静载荷冲击载荷交变载荷按作用形式不同分拉伸载荷压缩载荷弯曲载荷剪切载荷扭转载荷第一节强度和塑性图1-1载荷的作用形式（a）拉伸载荷（b）压缩载荷（c）弯曲载荷（d）剪切载荷（e）扭转载荷第一节强度和塑性

2．内力与内应力一、金属材料承受的载荷与应力第一节强度和塑性二、拉伸试验与拉伸曲线1.拉伸试验方法标准拉伸试样图1-2圆形拉伸试样（a）拉伸前

（b）拉断后拉伸试验机第一节强度和塑性二、拉伸试验与拉伸曲线1.拉伸试验方法

得到评定材料的强度和塑性的指标：

屈服强度（Re）

抗拉强度（Rm）

断后伸长率（A）

断面收缩率（Z）第一节强度和塑性2.拉伸曲线二、拉伸试验与拉伸曲线

在拉伸试验过程中，试验机自动以拉伸力F为纵坐标，以伸长量ΔL为横坐标，画出一条拉力F与伸长量ΔL的关系曲线。图1-5低碳钢拉伸曲线示意图第一节强度和塑性低碳钢试样的拉伸过程可分为以下4个阶段：（1）弹性变形阶段（OA）（2）屈服阶段（B＇B）（3）强化阶段（CD）（4）颈缩阶段（DE）拉力与伸长成正比外力不增加试样仍继续发生塑性伸长塑性变形增加，试样变形抗力也增加，D点对应载荷为拉伸试验时的最大载荷。出现“颈缩”现象，变形主要集中在颈部。载荷也逐步降低，试样在“颈缩”处断裂。第一节强度和塑性三、强度指标1．屈服强度与规定残余延伸强度屈服强度：金属材料产生屈服时的应力，用符号Re表示。

其大小可由下式求得，单位是MPa。式中，Fe——试样产生屈服时的载荷，单位N。

So——试样原始横截面积，单位mm2。

三、强度指标1．屈服强度与规定残余延伸强度

对于没有明显屈服现象的脆性材料，可用规定残余延伸强度表示，符号为Rr。

规定残余延伸强度：指卸除应力后残余延伸率等于规定的原始标距Lo百分率时对应的应力。如Rr0.2，表示规定残余的延伸率为0.2％时的应力。三、强度指标2．抗拉强度（或强度极限）材料在断裂前所能承受的最大应力，用符号Rm表示。其值大小可由下式求得，单位是MPa。式中，Fm—试样拉断前承受的最大载荷，单位N。零件在工作中所承受的应力不允许超过抗拉强度，否则会产生断裂。四、塑性指标1．断后伸长率试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的比率，用符号Ａ表示。式中，——试样的原始标距长度；

——试样拉断后的标距长度。四、塑性指标2．断面收缩率断裂后试样横截面积的最大缩减量（So-Su）与原始横截面积So之比的百分率。用符号Z表示。

说明：伸长率和断面收缩率越大，表明材料的塑性越好，一般认为Z＜5％的材料为脆性材料。四、塑性指标2．断面收缩率断裂后试样横截面积的最大缩减量（So-Su）与原始横截面积So之比的百分率。用符号Z表示。

说明：伸长率和断面收缩率越大，表明材料的塑性越好，一般认为Z＜5％的材料为脆性材料。一、硬度概念是指金属材料抵抗其他更硬物体压入其表面的能力，是金属抵抗其表面局部变形和破坏的能力，是衡量金属材料软硬的指标。生产中常用的硬度测定方法有布氏硬度测试法、洛氏硬度测试法和维氏硬度测试法等。二、布氏硬度用直径为D的硬质合金球，在规定试验力F的作用下压入被测试金属的表面，停留一定时间后卸除载荷，然后测量被测试金属表面上所形成的压痕平均直径d，由此计算压痕的表面积，进而求出压痕在单位面积上所承受的平均压力值，以此作为被测试金属的布氏硬度值。二、布氏硬度测得的布氏硬度值用HBW表示。1.布氏硬度试验条件的选择二、布氏硬度在进行布氏硬度试验时，可根据被测试金属材料的种类、硬度范围和试样厚度，选用不同的压头直径D和试验力F，建立F和D的某种选配关系，以保证布氏硬度的可比性。二、布氏硬度2．布氏硬度特点与应用布氏硬度测试因压痕面积较大，能反映出较大范围内被测试金属的平均硬度，测量数据稳定；可测量组织粗大或组织不均匀材料（如铸铁）的硬度值；布氏硬度与抗拉强度之间存在一定的关系，可根据其值估计出材料的强度值。布氏硬度测试主要用于原材料或半成品的硬度测量，如测量铸铁、非铁金属（有色金属）、硬度较低的钢（如退火、正火、调质处理的钢）。但是不宜测量较高硬度的材料（布氏硬度测量时，材料的硬度值必须＜650HBW）；因压痕较大，则不宜测试成品或薄片金属的硬度。三、洛氏硬度1．洛氏硬度试验原理用一个金刚石圆锥体或钢球作为压头，在初始试验力和主试验力先后作用下，压入被测试金属表面，经规定时间后卸除主试验力，由压头在金属表面所形成的压痕深度来确定其硬度值。为了能用同一硬度计测定从软到硬材料的硬度，可采用不同的压头和载荷，组成不同的洛氏硬度标尺，其中最常用的是HRA、HRB、HRC三种标尺。三、洛氏硬度2．洛氏硬度的特点操作迅速简便；由于压痕较小，可用于成品的检验；采用不同标尺，可测出从极软到极硬材料的硬度，为测试准确，多点测量，取平均值。但由于压痕较小，对组织比较粗大且不均匀的材料，测得的硬度值不够准确。三、洛氏硬度四、维氏硬度1．维氏硬度的试验原理用一个相对面夹角为136°的金刚石正四棱锥体压头，以选定试验力F作用下压入被测试金属的表面，保持一定时间后卸除试验力（如图1-9所示）。然后再测量压痕的两对角线的平均长度d，进而计算出压痕的表面积S，最后求出压痕表面积上平均压力（F/S），以此作为被测试金属的硬度，用符号HV表示。2．维氏硬度试验法的特点

优点：试验时所加试验力小，压入深度浅，故适用于测试零件表面淬硬层及化学热处理的表面层的硬度；试验时可任意选择试验力，而不影响其硬度值的大小，因此可测定较薄的、从极软到极硬的各种金属材料的硬度值，并可直接比较它们的硬度大小。

缺点：硬度值的测定较麻烦，并且压痕小，所以对试件的表面质量要求较高。四、维氏硬度一、韧性1．韧性试验韧性：金属材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力。为了评定金属材料的冲击韧性，需在规定条件下对其进行冲击试验，以测定其衡量指标，其中应用最普遍的是夏比摆锤冲击试验。2．冲击吸收功

冲断试样所消耗掉的能量为GH－Gh，称为冲击吸收能量K。即K＝G（H－h）冲击吸收能量K值越高，表示材料的冲击韧性越好。一般把冲击吸收能量Ｋ值