《机械制造基础》 自考 课件 第2章 金属材料的力学性能

第2章金属材料的力学性能本章要点课程名称、模块（章或节）序号与模块（章或节）名称12.1金属材料的力学性能2.2金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能机械制造基础第2章金属材料的力学性能22.1金属材料的力学性能2.1.1强度按照外力作用的形式不同，可分为屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等。工程常用的是屈服强度和抗拉强度，这两个强度指标可通过拉伸试验测出。应力是强度大小的通用表示，单位为兆帕（MPa）。指金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。全自动万能材料试验机适用对各种金属、非金属材料进行拉伸、压缩、弯曲、剪切、撕裂、剥离、穿刺等力学性能的测试，进行等速加载、等速变形、等速位移的自动控制试验，有低周载荷循环、变形循环、位移循环的功能。机械制造基础第2章金属材料的力学性能32.1金属材料的力学性能2.1.1强度一般用力-伸长曲线上所对应某点的应力来表示，即1.强度表示

R为应力（MPa）；F为拉力（N）；S0为试样原始横截面面积（mm²）。机械制造基础第2章金属材料的力学性能42.1金属材料的力学性能2.1.1强度指当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间发生塑性变形而力不增加的应力点。分上屈服强度和下屈服强度。上屈服强度ReH是指试样发生屈服而力首次下降前的最高应力，下屈服强度ReL是指在屈服期间不计初始瞬时效应时的最低应力。上屈服强度（ReH）：下屈服强度（ReL）：2.屈服强度

FeH为试样发生屈服而力首次下降前的最高力（N）；FeL为试样屈服期间不计初始瞬时效应时的最低力（N）；S0为试样的原始横截面面积（mm2）。应力-延伸率曲线上、下屈服强度机械制造基础第2章金属材料的力学性能52.1金属材料的力学性能2.1.1强度对于屈服现象不明显的材料，如高碳钢、铸铁等，应测定规定塑性延伸强度Rp，或规定残余延伸强度Rr。下标0.2表示试样标距部分残余伸长率达到规定数值0.2%。例如，Rp0.2表示规定塑性延伸率为0.2%时的应力，Rr0.2表示规定残余延伸率为0.2%时的应力。机械零件在工作时一般不允许产生明显的塑性变形，材料的屈服强度或规定残余延伸强度越高，允许的工作应力也越高，则零件的截面尺寸及自身质量就可以减小。通常以屈服强度或规定残余延伸强度作为机械零件设计和选材的主要依据。2.屈服强度应力-延伸率曲线b）规定塑性延伸强度Rp；c）规定残余延伸强度Rr机械制造基础第2章金属材料的力学性能62.1金属材料的力学性能2.1.1疲劳强度是机械零件评定和选材时的重要强度指标。随着载荷的增加，拉伸曲线开始上升，当载荷达到最大值Fm后，可以看到试样局部开始出现缩颈现象，随着缩颈处横截面面积不断减小，试样的承载能力不断下降，直至试样拉断。抗拉强度：

零件在工作中所承受的应力不允许超过其抗拉强度，否则会产生断裂。3.抗拉强度抗拉强度是指金属材料抵抗外力而不致断裂的最大应力值，用符号Rm表示。

Rm为抗拉强度（MPa）；Fm为试样在断裂前所受的最大力（N）；S0为试样的原始横截面面积（mm2）。机械制造基础第2章金属材料的力学性能72.1金属材料的力学性能2.1.2塑性试样被拉断后标距的伸长量与原始标距的百分比称为断后伸长率。用符号A表示。即1.伸长率塑性是指材料受力时产生塑性变形而不断裂的能力，工程上常用伸长率A和断面收缩率Z来评价。

Lu为试样断后标距（mm）；L0为试样原始标距（mm）。标准拉伸试样有长试样（L0=10d0）和短试样（L0=5d0），d0为试样截面直径（mm）。机械制造基础第2章金属材料的力学性能82.1金属材料的力学性能2.1.2塑性断面收缩率Z是指断裂后试样横截面面积的最大缩减量与原始横截面面积之比的百分率。即断面收缩率不受试样尺寸的影响，因此能更可靠、更灵敏地反映材料塑性的变化。金属材料的伸长率与断面收缩率数值越大，说明其塑性越好。塑性直接影响零件的成形加工及使用。例如，低碳钢的塑性好，能通过锻压加工成形，而灰铸铁塑性差，不能进行压力加工。塑性好的材料，在受力过大时，首先产生塑性变形而不致发生突然断裂，所以大多数机械零件除要求具有较高的强度外，还必须具有一定的塑性。2.断面收缩率

Su为试样断口处的横截面面积（mm²）；S0为试样的原始横截面面积（mm²）。机械制造基础第2章金属材料的力学性能92.1金属材料的力学性能2.1.3硬度布氏硬度值是由布氏硬度试验测定的。试验原理：用一定直径D的硬质合金球作为压头，在规定试验力F的作用下压入试件表面。保持规定的时间后卸除试验力，测量试样表面压痕直径d，用载荷与压痕球形表面积的比值乘以一个常数（0.102）作为布氏硬度（HBW）值。符号：HBW，硬度数值标在符号前（420~450HBW）。其数值越大，表示材料越硬。布氏硬度压痕面积大，能反映出较大面积范围内被测试金属的平均硬度，故试验结果稳定、准确。但因压痕较大，所以不宜测试成品及薄片金属的硬度。布氏硬度适用于测量硬度值小于650HBW的有色金属、热处理之前或退火后及调质钢、铸铁、铸钢等。1.布氏硬度硬度是指材料表面在外力作用下，抵抗局部变形，尤其是塑性变形、压痕或划痕的能力，是衡量材料软硬的指标。布氏硬度测试原理与布氏硬度仪机械制造基础第2章金属材料的力学性能102.1金属材料的力学性能2.1.3硬度洛氏硬度试验法是目前工厂中应用最广泛的硬度试验方法。将特定尺寸、形状和材料的压头（锥顶角为120°的金刚石圆锥体或一定直径的碳化钨合金球），按照规定分两级试验力压入试样表面，初试验力加载后测量初始压痕深度，随后施加主试验力，在卸除主试验力后保持初试验力时测量最终压痕深度。根据残余压痕深度h（最终压痕深度和初始压痕深度的差值）来计算洛氏硬度值。2.洛氏硬度金刚石圆锥压头的洛氏硬度试验原理试验时，1）加初试验力F₀，压痕深度为h1，目的是使压头与试样表面紧密接触。2）加主试验力F1，在总试验力（F1+F₀）作用下，压入深度为h2。3）卸除主试验力F1，由于金属弹性变形的恢复，使压头略微回升，这时压头实际压入试样的深度为h3，故由主试验力引起的塑性变形而产生的残余压痕深度h=h3-h1，并以此衡量被测金属的硬度。显然，h值越大时，被测金属的硬度越低；反之，则越高。机械制造基础第2章金属材料的力学性能112.1金属材料的力学性能2.1.3硬度为了能用同一种硬度计测定从软到硬的不同金属材料的硬度，采用不同的压头和试验力组成几种不同的洛氏硬度的标尺。每一种标尺用一个（或两个）字母在洛氏硬度符号HR后面加以注明。我国常用的标尺A、B、C硬度符号分别用HRA、HRB、HRC表示。碳化钨合金球压头适用于退火钢件、有色金属等较软材料的硬度测定；金刚石圆锥压头适用于淬火钢等较硬材料的硬度测定。表示方法：硬度值+HRA（HRBW、HRC），如60HRC、85HRA等，60HRC：用C标尺测定的洛氏硬度值为60；85HRA：用A标尺测定的洛氏硬度值为85。优点：操作简单、方便，测试的硬度范围大，可测定从较软到极硬的金属材料，可从表盘上直接读出硬度值，不必查表或计算，而且压痕小，可测量较薄工件的硬度。缺点：由于压痕较小，当材料内部组织不均匀时，会使测量值不够准确，故需要在材料的不同部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度。2.洛氏硬度机械制造基础第2章金属材料的力学性能122.1金属材料的力学性能2.1.3硬度用一个相对面夹角为136°的金刚石正四棱锥体压头，在规定试验力F作用下压入试样表面，保持规定时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕两对角线的平均长度d，进而计算出压痕的表面积S，以0.102×F/S的数值来表示被测试试样的硬度值，称为维氏硬度，用符号HV表示，硬度数值标在符号前，如640HV。数值越大，表示材料越硬。3.维氏硬度维氏硬度测试原理与维氏硬度仪机械制造基础第2章金属材料的力学性能132.1金属材料的力学性能2.1.3硬度维氏硬度试验法的优点：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（如渗碳层、渗氮层等）；维氏硬度是一个连续一致的标尺，试验时试验力可任意选择，而不影响其硬度值的大小，因此可测定从极软到极硬的各种金属材料的硬度。将试验力减小后，使压痕对角线长度以μm级计量，从而可测定金属箔、金属粉末、极薄表层以及金属中晶粒与合金相的显微维氏硬度值。缺点：硬度值的测定较麻烦，工作效率不如测洛氏硬度高。3.维氏硬度机械制造基础第2章金属材料的力学性能142.1金属材料的力学性能2.1.4冲击韧性常用标准试样的冲击吸收能量K表示，冲击吸收能量由冲击试验测得。试验时，将试样安放在冲击试验机的支座上，试样的缺口背向摆锤的冲击方向。将重力为G的摆锤抬到高度H，使其获得一定的势能GH。然后，让摆锤由此高度落下，将试样冲断。试样冲断后，摆锤继续向前升高到h高度，此时摆锤具有的势能为Gh。计算出摆锤冲断试样时的冲击吸收能量:

冲击试验原理1-试样；2-刻度盘；3-指针；4-摆锤；5-机架指材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力K=GH-Gh=G（H-h）K为冲击吸收能量（J）；G为摆锤的重力（N）；H为冲击前摆锤的初始高度（m）；h为冲断试样后摆锤回升的高度（m）。机械制造基础第2章金属材料的力学性能152.1金属材料的力学性能2.1.4冲击韧性将冲击吸收能量除以试样缺口处的横截面面积所得之商，称为冲击韧度，是材料冲击韧性的一种力学性能指标。冲击吸收能量主要消耗于裂纹出现至断裂的过程。冲击韧度值αK的大小，反映出金属材料韧性的好坏。αK越大，表示材料的韧性越好，抵抗冲击载荷而不被破坏的能力越大，即受冲击时不易断裂的能力越大。在实际生产制造中，对于长期在冲击载荷力下工作的零件，需要进行冲击韧度试验，如压力机的曲柄、空气锤的锤杆、发动机的转子等。

αK为冲击韧度值（J/cm²）；S0为试样缺口处的横截面面积（cm²）。机械制造基础第2章金属材料的力学性能162.1金属材料的力学性能2.1.5疲劳强度轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件，在工作过程中各点的应力随时间做周期性变化，这种随时间做周期性变化的应力称为交变应力（也称循环应力）。生产中，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，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为疲劳断裂。材料在承受无数次应力循环而不断裂或达到规定的循环次数才断裂的最大应力，称为材料的疲劳强度。材料的疲劳曲线通常用旋转弯曲疲劳试验方法测定。由于疲劳断裂时循环周次N很大，所以疲劳曲线的横坐标一般取对数坐标。大量试验证明，金属材料所受的最大交变应力σmax越大，则断裂前所经受的循环周次N（定义为疲劳寿命）越少。这种交变应力σmax与疲劳寿命N的关系曲线称为疲劳曲线，或S-N曲线。机械制造基础第2章金属材料的力学性能172.1金属材料的力学性能2.1.5疲劳强度曲线1为一般钢铁材料的S-N曲线，当交变应力小于某一数值时，循环周次可以达到很大，甚至无限大，而试样仍不发生疲劳断裂，这就是试样不发生断裂的最大交变应力，该应力值称为疲劳极限或疲劳强度。光滑试样的对称循环旋转弯曲的疲劳极限用σ-1表示。一般钢铁材料取循环周次为107次时，能承受的最大交变应力为疲劳极限或疲劳强度。曲线2为一般有色金属、高强度钢及腐蚀介质作用下的钢铁材料的S-N曲线，循环周次随所受应力σ的降低而增加，因此，要根据零件的工作条件和使用寿命，规定一个疲劳极限循环周次N0，并以循环周次N0所对应的应力作为“条件疲劳极限”（或称有限寿命疲劳极限）。一般规定：有色金属N0取108次；腐蚀介质作用下的N0取106次。

疲劳曲线与电液伺服疲劳试验机1-一般钢材；2-有色金属、高强度钢机械制造基础第2章金属材料的力学性能182.2金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能指金属材料在固态时所表现出来的一系列物理现象的性能，主要包括密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。（1）密度。是单位体积质量（单位：g/cm³或kg/m³）。材料的密度直接影响到制成品的重量，低密度材料对轻量化零件（如航天航空、运输机械等）有重要应用意义。（2）熔点。金属从固态向液态转变时的温度称为熔点。纯金属都有固定的熔点，熔点高的金属称为难熔金属，如钨、钒等，熔点低的金属称为易熔金属，如锡、铅等。合金的熔点决定于它的成分，例如钢和生铁虽然都是铁和碳的合金，但含碳量不同，熔点也不同。陶瓷的熔点一般都显著高于金属及合金的熔点，而高分子材料一般不是晶体，所以没有固定的熔点。1.金属材料的物理性能机械制造基础第2章金属材料的力学性能192.2金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能（3）热膨胀性。金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。热膨胀的大小用线胀系数和体胀系数表示。例如精密仪器及形状尺寸精度要求较高的零件应选用膨胀系数小的材料制造；异种金属焊接时要考虑它们的热胀系数是否接近，否则会因热胀系数不同，使金属构件变形，甚至损坏。（4）导热性。金属材料传导热量的能力称为导热性。导热性的大小用热导率来衡量，金属材料的热导率越大，说明导热性越好。（5）导电性。金属材料传导电流的能力称为导电性。衡量金属材料导电性的指标是电阻率，电阻率越小，金属导电性越好。1.金属材料的物理性能机械制造基础第2章金属材料的力学性能202.2金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能（6）磁性。金属材料在磁场中受到磁化的性能称为磁性。根据金属材料在磁场中受到磁化程度的不同，可分为三类：

1）铁磁性材料。在外磁场中能强烈地被磁化的材料，如铁、钴、镍等，可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。铁磁性材料在温度升高到一定数值时，其磁畴被破坏，变为顺磁体，这个转变温度称为居里点，如铁的居里点是770ºC。2）顺磁性材料。在外磁场中只能微弱地被磁化的材料，如锰、铬、铂等。

3）抗磁性材料。能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用的材料，如铜、锌、铋、银等，用于制造要求避免电磁场干扰的零件和结构，如航海罗盘等。1.金属材料的物理性能机械制造基础第2章金属材料的力学性能212.2金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能金属材料的化学性能是指金属材料在室温或高温下抵抗外界介质对其化学侵蚀的能力。金属材料要具有一定的化学稳定性能，即耐蚀性和抗氧化性。（1）耐蚀性。金属材料在常温下抵抗周围介质侵蚀的能力称为耐蚀性，包括化学腐蚀和电化学腐蚀两种类型。化学腐蚀一般是在干燥气体及非电解液中进行的，腐蚀时没有电流产生；电化学腐蚀是在电解液中进行，腐蚀时有微电流产生。（2）抗氧化性。金属材料在高温时抵抗氧化作用的能力称为抗氧化性，又称为热稳定性。在高温条件下工作的设备，如锅炉、汽轮机、喷气发动机等零部件应选择热稳定性好的材料来制造。除少数贵金属外，绝大多数金属在高温气体中都会发生氧化，其中钢铁材料的氧化最典型。可通过合金化在材料表面形成保护膜，或在工件周围造成一种保护气氛均能避免氧化。2.金属材料的化学性能机械制造基础第2章金属材料的力学性能222.2金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能指制造工艺过程中材料适应加工的性能，即指其铸造性能、锻造性能、压力加工性能、焊接性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。（1）铸造性能。金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性能，用流动性、收缩性和偏析来衡量。1）流动性。熔融金属的流动能力称为流动性。流动性好的金属容易充满铸型，从而获得外形完整和尺寸精确、轮廓清晰的铸件。2）收缩性。铸件在凝固和冷却的过程中，其体积和尺寸减少的现象称为收缩性。铸件用金属材料的收缩率越小越好。3）偏析。铸锭或铸件化学成分和组织的不均匀现象称为偏析，偏析大会使铸件各部分的力学性能有很大的差异，降低铸件的质量。3.金属材料的工艺性能机械制造基础