金属材料与热处理 第2版 课件 第一单元 金属的力学性能及测试

第一单元金属的力学性能及测试导读金属材料之所以在现代工业中获得广泛应用，主要是由于其具有加工过程和使用过程中所需要的各种优越性能，金属材料的性能是选择材料的主要依据。掌握各种金属材料的性能及其表征指标，对于正确选择和使用金属材料、充分发挥其性能潜力、保证构件或零件质量是十分重要的。性能使用性能工艺性能

力学性能

物理性能

化学性能

强度、硬度、塑性、韧性、蠕变和疲劳

熔点、密度以及电、磁、光和热

耐腐蚀和抗氧化性性能使用性能工艺性能

铸造性能锻压性能焊接性能热处理性能切削加工性能工艺性能和使用性能的关系既有联系又不相同的两类性能，都是金属材料本身蕴藏着的。由于目的不同，这两类性能上的好与坏或高与低，有时是一致的，有时却是互相矛盾的。例如，一些要求高强度或高硬度或耐高温的材料常常会给压力加工、机械加工、铸造等工艺带来不少困难，有时甚至会达到否定某些材料的程度。金属材料的力学性能是指在承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时，对变形与断裂的抵抗能力及发生变形的能力。材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。力学性能材料在力的作用下，诸如不同载荷所造成的弹性变形、塑性变形、断裂（脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂等）以及金属抵抗变形和断裂能力的衡量指标。常用的力学性能有：强度、刚度、弹性、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳极限等。模块一强度与塑性一、金属静拉伸实验单向静拉伸试验（Tensiletest）是在试样两端缓慢地施加载荷，使试样的工作部分受轴向拉力，引起试样沿轴向伸长，直至拉断为止。1.拉伸试样2.力—伸长曲线（以低碳钢试样为例）1.拉伸试样（GB/T228-2010）长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0经过机加工的试样经过拉伸试验的试样不经机加工试样万能材料试验机

a)WE系列液压式b)WDW系列电子式均匀塑性变形

2.力－伸长曲线22应力ABFAs=F/A(单位:N/m2orPascal(Pa))23应变应变用来描述塑性变形和弹性变形程度单位长度上的变化量：

e=DL/L0无单位(m/m,mm/mm)24拉伸试样的颈缩现象

(a)试样(b)伸长(c)产生缩颈(d)断裂ΔLF03.脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。

二、强度及表征指标强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，是工程技术上重要的力学性能指标。按照载荷的性质，材料强度有静强度、疲劳强度等；按照环境条件，材料强度有常温强度、高温强度等，高温强度又包括蠕变极限和持久强度。除了上述材料强度外，还有机械零件和构件的结构强度。工程上常用的强度指标有强度指标有屈服强度、规定残余延伸强度、抗拉强度等。材料强度的大小通常用应力（单位面积上所承受的力）来表示，其单位为N/m2(Pa)，但Pa这个单位太小，所以实际工程中常用MPa（MPa=106Pa）作为强度的单位。一般钢材的屈服强度在200～2000MPa之间，如建造2008年北京奥运会主体育场“鸟巢”外部钢结构的Q460E钢，其屈服强度为460MPa。

强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，一般钢材的屈服强度在200～1000MPa之间。强度越高，表明材料在工作时越可以承受较高的载荷。当载荷一定时，选用高强度的材料，可以减小构件或零件的尺寸，从而减小其自重。因此，提高材料的强度是材料科学中的重要课题，称之为材料的强化。1.屈服强度1.屈服强度屈服强度是金属材料开始产生明显塑性变形的最小应力值，其实质是金属材料对初始塑性变形的抗力。在拉伸曲线上，与上、下屈服点相对应的应力称为上、下屈服强度，分别用ReH和ReL表示。ReH和ReL的计算公式如下：1.2规定塑性延伸强度对于高碳淬火钢、铸铁等材料，在拉伸试验中没有明显的屈服现象，无法确定其屈服强度。国标GB/T228-2010规定，一般规定以试样达到一定残余伸长率对应的应力作为材料的屈服强度，称为规定塑性延伸强度，通常记作Rp。例如Rp0.2表示残余伸长率为0.2%时的应力。加载时测量。

ΔLF0F0.20.2%L0F0.2S0Rp0.2=工程上各种构件或机器零件工作时均不允许发生过量塑性变形，因此屈服强度ReL和规定残余延伸强度Rp是工程技术上重要的力学性能指标之一，也是大多数机械零件选材和设计的依据。ReL

和Rp常作为零件选材和设计的依据。传统的强度设计方法，对韧性材料，以屈服强度为标准，规定许用应力[σ]=ReL/n，安全系数n一般取2或更大。2.抗拉强度材料在断裂前所能承受的最大应力，用符号Rm表示。Rm=FbS0计算公式抗拉强度Rm的物理意义是塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力。铸铁等脆性材料拉伸过程中一般不出现缩颈现象，抗拉强度就是材料的断裂强度。断裂是零件最严重的失效形式，所以，抗拉强度也是机械工程设计和选材的主要指标，特别是对脆性材料来讲。屈服强度

抗拉强度

3.屈强比屈服强度与抗拉强度的比值（）称为材料的屈强比。屈强比的大小对金属材料意义很大。但屈强比过大，材料在断裂前塑性“储备”太少，对应力集中敏感，安全性能下降，合理的屈强比一般在0.60～0.75之间。第一位数字表示抗拉强度，如4，表示抗拉强度为400MPa。第二位表示屈强比，一般为0.8。屈服强度与抗拉强度的比值（）称为材料的屈强比。1.上面钢棒、铜棒、木棒，哪一种材料“结实”？2.“结实”与金属材料的哪个力学性能指标意思相近？强度

1.金属材料的强度怎么测试？2.强度的表征指标有哪些？屈服强度

抗拉强度

金属材料仅有高的强度，就完美吗？

三、常用塑性指标（二）衡量指标金属材料断裂前发生塑性变形的能力。断面收缩率：断后伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。（一）定义1.断后伸长率（A

）l1-l0l0×100%A=l1——试样拉断后的标距,mm;l0——试样的原始标距,mm。同一材料的试样长短不同，测得的断后伸长率略有不同。由于大多数韧性金属材料的集中塑性变形量大于均匀塑性变形量，因此，比例试样的尺寸越短，其断后伸长率越大，用短试样（L0＝5d）测得的断后伸长率A略大于用长试样（L0＝10d）测得的断后伸长率A11.3。2.断面收缩率（Z）S0-S1S0Z=×100%S0——试样原始横截面积,mm2；S1——颈缩处的横截面积,mm2

。1．拉伸试样的原标距长度为50mm，直径为10mm。试验后将已断裂的试样对接起来测量，标距长度为73mm，颈缩区的最小直径为6mm，试求该材料的断后伸长率和断面收缩率。3.塑性的意义任何零件都要求材料具有一定的塑性。断后伸长率A和断面收缩率Z越大，说明材料在断裂前发生的塑性变形量越大，也就是材料的塑性越好。

a）安全，防止产生突然破坏；

b）缓和应力集中；

c）金属锻压、轧制、冲压、位拔、冷弯等变形加工。强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。在金属材料的工程应用中，要提高强度，就要牺牲一部分塑性。反之，要改善塑性，就必须牺牲一部分强度。正所谓“鱼和熊掌二者不能兼得”。但通过细化金属材料的显微组织，可以同时提高材料的强度和塑性。通常情况下金属的伸长率不超过90%，而有些金属及其合金在某些特定的条件下，最大伸长率可高达1000%～2000%，个别的可达6000%，这种现象称为超塑性。由于超塑性状态具有异常高的塑性，极小的流动应力，极大的活性及扩散能力，在压力加工、热处理、焊接、铸造、甚至切削加工等很多领域被中应用。超塑性技能训练金属常温拉伸试验扫描二维码观看低碳钢拉伸试验视频。

GB/T228-2002新标准

GB/T228-1987旧标准名称符号名称符号屈服强度①－屈服点σs上屈服强度ReH上屈服点σsU下屈服强度ReL下屈服点σsL规定残余延伸强度Rr规定残余延伸应力σr抗拉强度Rm抗拉强度σb断后伸长率A或A11.3断后伸长率δ5或δ10断面收缩率Z断面收缩率ψ模块二硬度测试

材料抵抗表面局部塑性变形的能力。压入法硬度试验设备简单，操作迅速方便，可直接在工件上测量而不伤工件，更为重要的是通过硬度测量可以估计出金属材料的其它力学性能指标，如强度、塑性等。硬度是金属力学性能中最常用的性能之一，硬度试验在科研和生产中得到了广泛应用。压入法：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。刻划法：莫氏硬度表征材料对切断的抗力。回跳法：里氏硬度、肖氏硬度表征金属弹性变形功的大小。常用的硬度方法一、布氏硬度布氏硬度试验是指用一定直径的硬质合金球以相应的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量的表面压痕直径计算硬度的一种压痕硬度试验。1.原理布氏硬度=

FS凹=2FπD[D-（D²-d²）½]

布氏硬度实际测试时，硬度值是不用计算的，利用读数放大镜测出压痕直径d，根据d值查平面布氏硬度表即可得出硬度值。

2.试验规范由于不同金属材料的硬度不同、工件有厚有薄，按照金属布氏硬度试验方法执行GB/T231.1－2002《金属布氏硬度试验第1部分:试验方法》。进行布氏硬度试验时，试验力F与压头直径（mm）的平方的比值（0.102F/D2）应为30、15、10、5、2.5、1中的一个。在试样尺寸允许时，应优先选用直径为10mm的球压头进行试验。测量比较软的材料。测量范围<650HBW的金属材料。3.特点及应用压痕大，测量准确，但不能测量成品件。4.实验（录像）1.

原理二、洛氏硬度加初载荷加主载荷卸除主载荷读硬度值标尺硬度符号压头类型总载荷(N或kg

f

)

测量范围应用范围AHRA120°金刚石圆锥体588.4(60)20～88硬质合金、表面硬化层、淬火工具钢等BHRBWø1.588mm硬质合金球980.7(100)10～100低碳钢、铜合金、铝合金、铁素体可锻铸铁CHRC120°金刚石圆锥体1471(150)20～70淬火钢、调质钢、高硬度铸铁2.试验规范常用洛氏硬度标尺的试验范围HRA、HRC压头HRBW压头优点：操作简便、迅速，效率高，可直接测量成品件及高硬度的材料。3.优缺点缺点：压痕小，测量不准确，需多次测量。4.实验（录像）1.测试原理和布氏硬度试验原理基本相同。采用两相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石作为压头。2.试验力

常用的试验力：49.03、98.07、196.1、294.2、490.3、980.7Ｎ。三、维氏硬度3.表示方法

640HV30/20测量范围在5～3000HV4.适用范围

测量从极软到极硬的材料，测量薄片金属、金属镀层及零件表面硬化层的硬度。采用1Kgf(9.81N)或小于1Kgf(9.81N)负荷进行的维氏硬度试验称为维氏硬度。三、里氏硬度各硬度值之间大致有以下关系：布氏硬度值在200～450HBW范围内，HBW=10HRC；布氏硬度值小于450HBW，HBW≈HVQuestion1：金属材料在静载荷下的力学性能有哪些？

Answer：强度、硬度、塑性。Question2：强度、硬度、塑性各有哪些表征指标？

Answer：屈服强度、抗拉强度布、洛、维氏硬度（HB、HR、HV）断后伸长率、断面收缩率。学习回顾

Question3：测试上述指标需要做什么试验？

Answer：静拉伸试验、硬度测试葫芦岛市某企业委托进行ZG200-400（20钢）铸件力学性能检验。检验项目为强度、硬度、塑性、冲击韧性。什么是冲击韧性？冲击韧性如何测试？金属冲击韧性的测试任务：ZG200-400铸钢冲击韧性的测试除静载荷外，金属材料在工作时还经常受到动载荷的作用。任务导入冲击载荷冲击载荷对金属材料的作用效果或破坏效应大于静载荷，应对金属材料提出相应的力学性能要求。1.冲击载荷2.冲击韧性3.冲击试验的分类4.冲击试样5.一次摆锤冲击试验的原理6.冲击断口一、知识准备任何没有理论知识支撑的操作都是蛮干！在较短时间内快速作用物体上的载荷称为冲击载荷。加载速率高，作用时间短。有时利用，有时要抵抗，有时尽量避免或减小。1.冲击载荷金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力称为韧性。韧性是金属材料重要的力学性能。强度、硬度、塑性、韧性。2.冲击韧性“两度两性”按试验温度条件来分，可分为高温冲击、室温冲击和低温冲击三类。按受力形式来分，又可分为简支梁冲击（夏比冲击试验）和悬臂梁冲击（艾氏冲击试验）。3.冲击试验的分类标准冲击试样有夏比U型缺口试样和夏比V型缺口试样两种类型。缺口的作用是为了使试样承受冲击载荷时在缺口附近造成应力集中，使塑性变形局限在缺口附近不大的体积范围内，并保证试样一次冲断且使断裂发生在缺口处。4.冲击试样选择试样类型的原则应根据试验材料的产品技术条件、材料的服役状态和力学特性，一般情况下，尖锐缺口试样适用于韧性较好的材料。如不能制备标准试佯，可采用宽度7.5mm或5mm等小尺寸试祥,试样的其他尺寸及公差与相应缺口的标准试样相同，缺口应开在试样的窄面上。注意：铸铁或工具钢等脆性材料，常采用无缺口冲击试样。（10×10×55mm）5.一次摆锤冲击试验的原理执行标准：GB/T229－2007《金属夏比摆锤冲击试验方法》。

mgh1-mgh2=

K冲击能量（单位为焦耳/J）即为材料冲击韧性的表征指标。5.一次摆锤冲击试验的原理

冲击能量U型缺口试样和V型缺口试样的冲击能量分别表示为KU和KV。冲击能量的值越大，材料的韧性越高，越可以承受较大的冲击载荷。一般把冲击能量高的材料称为韧性材料，冲击能量低的材料称为脆性材料。依据断口形貌可以定性地表示金属材料的冲击韧性。冲击断口由纤维区、放射区、剪切唇三个区组成。纤维区面积越大，剪切唇越明显，表明材料的冲击韧性越高。6.冲击断口

纤维区

放射区

剪切唇

一组冲击试样的断口照片哪个试样冲击韧性高？

高

中

低1.试样检查2.冲击试验3.冲击试验报告二、任务实施工具：游标卡尺，缺口检查仪测量试样的长、宽、高等尺寸。检查缺口位置、形状和尺寸。1.冲击试样检查试验条件（材料牌号、规格、材料状态、试验温度、试验机打击能量、试验日期等）。起摆。放置试样。冲击。读数。2.冲击试验3.冲击试验报告三、低温脆性低温脆性——随温度降低，金属冲击能量下降，由韧性状态转变为脆性状态的现象。冷脆：材料因温度降低导致冲击韧性的急剧下降并引起脆性破坏的现象。对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。

韧性阶段冲击波动阶段脆性阶段冲击韧性与温度的关系温度冲击能量体心立方金属具有韧脆转变温度。大多数面心立方金属没有。转变温度（Tt

）越低，表明材料的低温韧性越好，对于在寒冷地区使用的材料要十分重要。缺口冲击试验最大的优点就是测量迅速简便。用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接及热处理等热加工工艺的质量。用来评定材料的冷脆倾向（测定韧脆转变温度）。设计时要求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度。四、冲击试验的应用

【小资料】GB/T229－2007与GB/T229－1994相比，在金属冲击韧性的名称和符号等方面有较大变化，为此，将关于金属材料冲击韧性的新、旧标准名称和符号对照列于下表中。新标准GB/T229－2007旧标准GB/T229－1994名称符号名称符号

冲击能量K

冲击吸收功AKU型缺口试样在2mm锤刃下的冲击能量KU2U型缺口冲击吸收功AKUV型缺口试样在2mm锤刃下的冲击能量KV2V型缺口冲击吸收功AKV五、课后

2.通过微信答疑1.阅读PDF教材，理解、巩固

3.登录优慕课，共享各种教学资源模块四

金属疲劳

人工作久了就会感到疲劳，难道金属工作久了也会疲劳吗？金属的疲劳能得到恢复吗？金属材料在受到交变应力或重复循环应力时，往往在工作应力小于屈服强度的情况下突然断裂，这种现象称为疲劳。1.变动载荷和循环应力1.变动载荷——引起疲劳破坏的外力，指载荷大小、方向均随时间变化的载荷，其在单位面积上的平均值即为变动应力。变动应力可分为规则周期变动应力(也称循环应力)和无规则随机变动应力两种。金属疲劳产生的原因a)应力大小变化b)c）应力大小和方向都变化d)应力大小和方向无规