金属材料的力学性能

第一章金属材料的力学性能材料性能是一个参量，用于表示材料在给定的外界条件（温度、介质）下所能表现出来的行为。金属材料通常的外部表现为变形和断裂。材料性能由内部依据和外部表现组成。内部依据又分为化学成分、内部结构。性能是指确定成分和结构的材料的外部表现。力学性能包括：强度、硬度、塑性、刚性、韧性、冲击韧性、疲劳强度等。§1—1强度、刚度、弹性及塑性金属材料的强度、刚度、弹性及塑性用拉伸试验来测量。一、拉伸曲线与应力-应变曲线1、拉伸曲线拉伸过程分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。几点说明：（书中图1-2）试件总伸长of，其中gf为弹性变形，og为塑性变形。og是由均匀变形oh和颈缩hg两部分组成。对于脆性材料的实验过程，没有明显的塑性变形直接断裂，故没有屈服现象，也不产生颈缩。2、应力-应变曲线应力—单位面积上所承受的载荷。

σ=F/A0应变—单位长度上的伸长量。

ε＝Δl/l0几点说明：（书中图1-3）试件应变of，其中gf为弹性部分，og为塑性部分。og是由均匀应变oh和颈缩hg两部分组成。图1-3是应力-应变曲线示意图。它不受试件尺寸的影响，可以直接看出金属材料的一些力学性能。二、刚度和弹性依据图1-3应力-应变示意图，在弹性变形阶段可以测出材料的弹性模量、弹性极限、弹性比例，从而确定材料的刚度和弹性。1、弹性模量弹性模量E指金属材料在弹性状态下应力和应变的比值：E=σ/εE在曲线上体现为斜率。表示单位变形所需要的力。也即表示材料抵抗弹性变形的能力。工程中称之为刚性。机械零件应该是在弹性状态下工作，工作中不允许有过量的弹性变形，更不允许有塑性变形。故对刚度有一定的要求。2、弹性极限弹性极限σe是材料在不产生塑性变形时所承受的最大应力值。σe=Fe/A03、弹性比功弹性比功ae，表示材料发生弹性变形时可吸收能量的能力，外力去除后，能量释放使材料恢复原始形状。

ae=1/2×σe×

εe

弹簧是典型的弹性零件，要求有较大的弹性比功。弹簧在实际工作中起缓冲和存储能量作用。实际设计时通过提高弹性极限σe

，提高弹簧的弹性比功。三、强度强度是金属材料在外力的作用下，抵抗变形和断裂的能力。根据零件的工作状态不同分为:抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等。1、屈服强度和条件屈服强度拉伸试样产生屈服现象（塑变）时的应力。σs=Fs/A0对于许多没有明显屈服现象的金属材料，工程中常以产生0.2%塑性变形时的应力，作为该材料的条件屈服强度，用σr0.2表示。

2、抗拉强度－金属在拉断前所能承受的最大应力。以σb表示。

σb

＝Fb/Ao屈服强度σs和抗拉强度σb对选择、评定金属材料性能具有重要意义。对塑性材料以σs为强度设计依据，对脆性材料以σb为强度设计依据。四、塑性塑性是指金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力。可用伸长率δ表示:

δ＝(lk-l0)/l0×100%

ψ表示试件拉断处横截面积与原始面积的比值。ψ＝(A0-A1)/A0×100%

δ

、ψ值越大，材料的塑性余好，在一定程度上保证零件的安全性。同时对金属材料的轧制、锻造、冲压、焊接都有利。§1—2硬度金属材料抵抗局部变形，及塑性变形、压痕的能力，称为硬度。硬度直接影响材料的耐磨性和切削加工性和焊接性能。测量硬度的方法常采用压入的方法。不同的测量方法、不同的压头、不同的数据硬度不同、数值也不同。一、布氏硬度(HBW)

布氏硬度压痕面积较大，硬度值比较稳定。缺点：测量费时，不适宜成品。实际测量时侧头直径为10、5、2.5、1四种。压力分为30000、7500、1870等几种。根据压痕直径或F/ D2在手册中查取硬度值。表示方法：硬度值HBW条件。二、洛氏硬度(HR)洛氏硬度测量简单、迅速，压痕小，可用于成品。压头分为锥形和钢球两种。压力有3种。三、维氏硬度（FV）

洛氏硬度各个标度值之间没有换算关系，使用不方便。维氏硬度测量原理与洛氏硬度基本相同。采用标准的四棱椎体压头，施加压力，保持时间，测量压痕，查表得到硬度值。特点：试验力小、压痕浅、适用各种硬度不同的零件。§1—3冲击韧性金属材料断裂前吸收的变形能量称作韧性。冲击试验包括：冲击弯曲、冲击拉伸、冲击扭转等。一、冲击试验方法与原理常用摆锤式试验机测定。以试样缺口处单位截面积所吸收冲击功表示：

Ak=Gg(H-h)

二、冲击试验的应用1、评定材料的低温变脆倾向在不同温度条件下，测出材料的冲击吸收功与温度的关系曲线。曲线表示材料在某一段温度下的韧性会急剧下降，影响材料的使用性能。2、反映材料冶金质量和热加工产品质量通过试验可以看出材料的晶粒粗细、冷脆性、回火脆性等物理质量问题，以及冶炼、热处理、各种热加工工艺的产品质量。§1—4断裂韧度机械零件的传统设计一般为强度设计、刚度校核。强度设计标准为屈服强度。零件在许用应力的条件下工作，不会发生塑性变形和断裂。实际工作情况往往不同。某些零件在远远低于屈服强度条件下工作时会发生脆性断裂，这种情况非常危险，称为低应力脆断。研究表明低应力脆断是由宏观裂纹扩展引起的。一、裂纹扩展的基本形式裂纹扩展一般分为张开型、滑开型、撕开性三种。其中以张开型最为危险。二、应力场强度因子KI

零件表面是凹凸不平的，在凸点和凹点最容易引起应力集中，形成应力场。裂纹的扩展与应力场有直接的关系。衡量应力场的大小用应力场强度因子KI。三、断裂韧度KIC及其应用

KI随着和a的增大而增大。达到一定值会使尖端的应力达到材料的断裂强度，使裂纹扩展，产生断裂。这种裂纹扩展的临界状态对应的应力场强度因子，称为材料的断裂韧度，用KIC表示。

KI是理学参数，与力、试件尺寸有关。KIC是材料的理学性能指标，与材料成分、组织成分有关，与力、试件尺寸无关。§1—5疲劳强度一、疲劳现象某些零件承受周期性载荷(疲劳载荷)作用下发生断裂，称之为疲劳断裂。其工作应力低于屈服强度，因此疲劳断裂属于低应力脆断，往往是突然发生，其危险性很大。而零件工作时所承受的应力又分为交变应力和重复应力。二、疲劳曲线与疲劳极限试验表明：零件所承受的载荷越大，其所能承受载荷次数越少。图1-16

试验还表明，对于钢铁材料，当循环应力小于某一个数值时，对应的循环次数可以很大，而且不发生疲劳。此时的应力值称为疲劳极限。用σ-1表示。所谓疲劳强度是指金属材料在无数次循环载荷作用下不致产生断裂的最大应力。某些有色金属、高强度钢，其循环次数随所受应力下降而增加，但没有水平线。一般规定疲劳极限循环基数N0，用其所对应的应力作为“条件疲劳极限”。三、提高疲劳极限的途径疲劳极限与抗拉强度之间没有确定