第一章工程材料力學性能概念

1、工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學性能工程材料力學性能第一章第一章 工程材料力學性能工程材料力學性能 教學目標教學目標: : 掌握材料的主要力學性能指標：掌握材料的主要力學性能指標：屈服強度、抗拉強度屈服強度、抗拉強度、伸長率、斷面收縮率、硬度伸長率、斷面收縮率、硬度、沖擊韌性、疲勞強度、斷、沖擊韌性、疲勞強度、斷裂韌性等力學性能及其測試原理；裂韌性等力學性能及其測試原理；工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學性能工程材料力學性能金屬材料的力學性能金屬材料的力學性能定義定義 : : 金屬材料的力學性能是指金屬材料在不同金屬材料的力學性能是指金屬材料在

2、不同環(huán)境（溫度、介質）下，承受各種外加載荷環(huán)境（溫度、介質）下，承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉、沖擊、交變應力（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉、沖擊、交變應力等）時所表現出的力學特征。等）時所表現出的力學特征。 指標指標 : :彈性、剛度、彈性、剛度、強度、塑性、硬度、沖擊韌強度、塑性、硬度、沖擊韌性性、斷裂韌度和、斷裂韌度和疲勞強度疲勞強度等。等。工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學性能工程材料力學性能材料的其他性能材料的其他性能 物理性能：物理性能：密度、熔點、導熱性、導電性、熱膨脹性、磁密度、熔點、導熱性、導電性、熱膨脹性、磁性等；性等； 化學性能：化學性能：耐腐

3、蝕性、抗氧化性、化學穩(wěn)定性等；耐腐蝕性、抗氧化性、化學穩(wěn)定性等； 工藝性能：工藝性能：鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性、鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性、熱處理工藝性等。熱處理工藝性等。 工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學性能工程材料力學性能希臘字母發(fā)音 1 alpha a:lf 阿爾法 2 beta bet 貝塔 3 gamma ga:m 伽馬 4 delta delt 德爾塔 5 epsilon epsilon 伊普西龍 6 zeta zat 截塔 7 eta eit 艾塔 8 thet it 西塔 9 iot aiot 約塔 10 kappa ka

4、p 卡帕 11 lambda lambd 蘭布達 12 mu mju 繆 13 nu nju 紐 14 xi ksi 克西 15 omicron omikron 奧密克戎 16 pi pai 派 17 rho rou 肉 18 sigma sigma 西格馬 19 tau tau 套 20 upsilon jupsilon 宇普西龍 21 phi fai 佛愛 22 chi phai 西 23 psi psai 普西 24 omega omiga 歐米伽 工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學性能工程材料力學性能1. 1. 強度、剛度、塑性強度、剛度、塑性 拉伸試驗拉伸試驗

5、1.1.拉伸試樣拉伸試樣GB6397-86GB6397-86規(guī)定規(guī)定金屬拉伸試樣金屬拉伸試樣有：有：圓形、矩形、異型及全截面圓形、矩形、異型及全截面常用標準圓截面試樣。常用標準圓截面試樣。長試樣：長試樣：L L0 0=10d=10d0 0; ;短試樣：短試樣：L L0 0=5d=5d0 0拉伸試樣拉伸試樣0lkl0dFFLkd 1.1 1.1 金屬材料力學性能的主要指標金屬材料力學性能的主要指標工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學性能工程材料力學性能 2.2.拉伸過程拉伸過程工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學性能工程材料力學性能拉伸試樣的頸縮現象拉

6、伸試樣的頸縮現象拉伸試拉伸試驗機驗機拉伸試驗拉伸試驗（視頻）（視頻）工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學性能工程材料力學性能opop段：比例彈性變形階段；段：比例彈性變形階段；pepe段：非比例彈性變形階段；段：非比例彈性變形階段；平臺或鋸齒（平臺或鋸齒（s s段段）：屈服階段；）：屈服階段；sbsb段：均勻塑性變形階段，是強化階段：均勻塑性變形階段，是強化階段。段。b b點點：形成了：形成了“縮頸縮頸”。bkbk段：非均勻變形階段，承載下降，段：非均勻變形階段，承載下降，到到k k點斷裂。點斷裂。斷裂總伸長為斷裂總伸長為OfOf，其中塑形變形其中塑形變形O Og(g(試

7、樣斷后測得的伸長試樣斷后測得的伸長) )，彈性伸長，彈性伸長gfgf。 l Fl bl ul Fbbk Fss o g fe Fep Fp3.3.拉伸曲線拉伸曲線工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學性能工程材料力學性能退火低碳鋼退火低碳鋼低、中回火鋼低、中回火鋼淬火鋼及鑄鐵淬火鋼及鑄鐵中碳調質鋼中碳調質鋼4.4.不同材料的拉伸曲線不同材料的拉伸曲線工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學性能工程材料力學性能1彈性模量（剛度） 在彈性變形范圍內，應力與應變的比值（OP的斜率）稱為材料的彈性模量，工程上稱為剛度，即為： 式中： （MPa）（單位截面上的拉力）

8、； （單位長度上的伸長量）。 彈性模量E是衡量材料產生彈性變形難易程度的指標。E愈大，則使其產生一定量彈性變形的應力也應愈大。金屬材料彈性模量E主要決定于金屬材料本身的性質，是金屬材料最穩(wěn)定的性能之一。各種加工工藝對其影響甚小，在室溫下，鋼的彈性模量大都是在1910422104MPa之間，但彈性模量隨溫度的升高逐漸降低。20FFAr工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學性能工程材料力學性能 2 2屈服強度屈服強度 屈服強度是靜拉伸過程中開始產生塑性變形時的應力，即為拉伸曲屈服強度是靜拉伸過程中開始產生塑性變形時的應力，即為拉伸曲線上線上S S點的載荷大小與試棒原始截面積之比

9、，用點的載荷大小與試棒原始截面積之比，用S S表示：表示： S S= =F Fs s /A/A0 0(Mpa)(Mpa) 但有些材料沒有明顯的屈服點但有些材料沒有明顯的屈服點S S，因此，規(guī)定以試樣產生，因此，規(guī)定以試樣產生0.2%0.2%殘余變形時的應力值作為該材料的條件屈服強度，以殘余變形時的應力值作為該材料的條件屈服強度，以0.20.2表示。表示。 對于有些零件在工作中不允許發(fā)生塑性變形，對于有些零件在工作中不允許發(fā)生塑性變形，所以所以S S 是設是設計中材料強度的主要參數，是材料的重要力學性能指標之一計中材料強度的主要參數，是材料的重要力學性能指標之一。 強度強度: : 材料在載荷作用

10、下抵抗永久變形和破壞的能力。材料在載荷作用下抵抗永久變形和破壞的能力。工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學性能工程材料力學性能 3 3抗拉強度抗拉強度 抗拉強度是靜拉伸過程中試樣被拉斷前的最大應力，抗拉強度是靜拉伸過程中試樣被拉斷前的最大應力，即材料拉伸曲線上即材料拉伸曲線上B B點時的載荷大小與原始截面之比，用點時的載荷大小與原始截面之比，用b b表示：表示： 抗拉強度表示材料在拉力作用下抵抗斷裂的能力，是抗拉強度表示材料在拉力作用下抵抗斷裂的能力，是設計和選材的重要力學性能指標之一。設計和選材的重要力學性能指標之一。合金化、熱處理、冷熱加工對材料的合金化、熱處理、冷熱

11、加工對材料的S S、b b數值會數值會發(fā)生很大的影響。發(fā)生很大的影響。工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學性能工程材料力學性能 4 4. .塑性塑性: : 是指材料在載荷作用下產生變形而不被破壞的能力。是指材料在載荷作用下產生變形而不被破壞的能力。 (1)(1)斷面收縮率斷面收縮率: : 是指試樣拉斷處橫截面積的收是指試樣拉斷處橫截面積的收縮量與原始橫截面積之比。縮量與原始橫截面積之比。 (2)(2)伸長率伸長率: :是指試樣拉斷后的標距伸長量是指試樣拉斷后的標距伸長量 L L 與原始標距與原始標距L L 0 0之比。之比。 (伸長率伸長率、斷面收縮率、斷面收縮率) 伸長

12、率和斷面收縮率只是材料塑性的標志，一般不作為設計零件的直接依據。工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學性能工程材料力學性能練習題一練習題一 拉力試樣的原標距長度為拉力試樣的原標距長度為50mm50mm，直徑為，直徑為10mm10mm，經拉力試驗，經拉力試驗后，將已斷裂的試樣對接起來測量，若最后的標距長度為后，將已斷裂的試樣對接起來測量，若最后的標距長度為71mm71mm，頸縮區(qū)的最小直徑為，頸縮區(qū)的最小直徑為4.9mm4.9mm，試求該材料的伸長率，試求該材料的伸長率和斷面收縮率的值？和斷面收縮率的值？解：解：=（71-5071-50）/50 x100%=42%/50 x1

13、00%=42%S S0 0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2)=3.14x(10/2)2=78.5(mm2)S S1 1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2)=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2)=(S=(S0 0-S-S1 1)/S)/S0 0 x100%=24%x100%=24%工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學性能工程材料力學性能練習題二練習題二 某工廠買回一批材料（要求：某工廠買回一批材料（要求：s s230MPa230MPa；b b410MPa410MPa；5 523%23%；50%50%）做短試樣（）做短試樣（0 0=5=5

14、0 0；0 0=10mm=10mm）拉）拉伸試驗，結果如下：伸試驗，結果如下：F Fs s=19KN=19KN，F Fb b=34.5KN=34.5KN；l l1 1=63.1mm=63.1mm；d d1 1=6.3mm;=6.3mm;問買回的材料合格嗎？問買回的材料合格嗎？解：解： 根據試驗結果計算如下：根據試驗結果計算如下：s sFsFss s(19x1000)/(3.14x52 )=242(19x1000)/(3.14x52 )=242 230MPa 230MPa b b FbFb s s(34.5x1000)/(3.14x52 )=439.5 (34.5x1000)/(3.14x52

15、)=439.5 410MPa 410MPa 5 5 l l l l 0 0 x100% x100% (63.1-50)/50 x100%=26.2% (63.1-50)/50 x100%=26.2% 23%23% S S S S 0 0 x100% x100% 60.31% 60.31% 50%50%材料的各項指標均合格，因此買回的材料合格。材料的各項指標均合格，因此買回的材料合格。工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學性能工程材料力學性能二、疲勞強度二、疲勞強度( fatigue strength ):( fatigue strength ): 表示材料經無數次交變載荷作

16、用而不致表示材料經無數次交變載荷作用而不致 引起斷裂的最大應力值。引起斷裂的最大應力值。工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學性能工程材料力學性能鋼材的循環(huán)次數一般取鋼材的循環(huán)次數一般取 N = 10N = 107 7有色金屬的循環(huán)次數一般取有色金屬的循環(huán)次數一般取 N = 10N = 108 8鋼材的鋼材的疲勞強度疲勞強度與與抗拉強度抗拉強度之間的關系之間的關系: : -1-1 = (0.45 = (0.450.55) 0.55) b b工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學性能工程材料力學性能1943年美國年美國T-2油輪發(fā)生斷裂油輪發(fā)生斷裂工程材料

17、及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學性能工程材料力學性能布氏硬度布氏硬度HB HB 洛氏硬度洛氏硬度HR HR 維氏硬度維氏硬度HVHV* *銼刀法銼刀法硬度硬度( hardness ):( hardness ):是指材料抵抗其他硬物是指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力體壓入其表面的能力常用測量硬度的方法常用測量硬度的方法三、硬度三、硬度DdDF工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學性能工程材料力學性能1.1.布氏硬度布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )HB ( Brinell-hardness )布氏硬度計布氏硬度計 硬度值硬度值+ +

18、符號符號HBSHBS或或HBWHBW +( +(球體直徑、載荷及載荷保持時間球體直徑、載荷及載荷保持時間) )。如如: :120HBS10/1000/30120HBS10/1000/30表示直徑為表示直徑為10mm10mm的鋼球在的鋼球在1000kgf1000kgf（9.807kN9.807kN）載荷）載荷作用下作用下保持保持30s30s測得的測得的布氏硬度值為布氏硬度值為120120。工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學性能工程材料力學性能適用范圍適用范圍:v 450HBS（淬火鋼球）（淬火鋼球）v 650HBW(硬質合金硬質合金)應用范圍：應用范圍： 測定結果較穩(wěn)定、

19、準測定結果較穩(wěn)定、準確；但不宜測太薄、太硬或成品確；但不宜測太薄、太硬或成品件。件。 HBS用于測小于用于測小于450的材料；的材料；HBW用測小于用測小于650的材料。的材料。主要用來測灰鑄鐵、有色金屬及主要用來測灰鑄鐵、有色金屬及經退火、正火和調質處理的鋼材。經退火、正火和調質處理的鋼材。工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學性能工程材料力學性能2.2.洛氏硬度洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness )HR ( Rockwll hardness )1 1）試驗原理：用頂角為）試驗原理：用頂角為120120的金剛石圓錐的金剛石圓錐或直徑為或直徑為1.588m

20、m1.588mm的淬火鋼球作壓頭，在初始試驗的淬火鋼球作壓頭，在初始試驗力力F F1 1（98N98N）及總試驗力）及總試驗力F F作用下，將壓頭壓入試樣作用下，將壓頭壓入試樣表面，按規(guī)定保持時間后卸除主試驗力，用測量的表面，按規(guī)定保持時間后卸除主試驗力，用測量的殘余壓痕深度增量計算硬度。殘余壓痕深度增量計算硬度。工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學性能工程材料力學性能洛氏硬度實驗原理示意圖洛氏硬度實驗原理示意圖工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學性能工程材料力學性能(2)洛氏硬度表示方法洛氏硬度表示方法如如4045HRC 常見洛氏硬度的試驗條件及應

21、用范圍常見洛氏硬度的試驗條件及應用范圍硬度硬度符號符號壓頭壓頭總載荷總載荷（kgf）表盤上刻表盤上刻度顏色度顏色常用硬度常用硬度值范圍值范圍使用范圍使用范圍HRA金鋼石圓金鋼石圓錐錐60黑黑 色色7085碳化物、硬質合碳化物、硬質合金、表面淬火層金、表面淬火層等等HRB1.588mm鋼球鋼球100紅紅 色色25100有色金屬、退火有色金屬、退火及正火鋼等及正火鋼等HRC金鋼石圓金鋼石圓錐錐150黑黑 色色2067調質鋼、淬火鋼調質鋼、淬火鋼等等工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學性能工程材料力學性能3.3.維氏硬度維氏硬度 HVHV ( diamond penetrato

22、r ( diamond penetrator hardness )hardness )適用范圍適用范圍: 測量薄板類測量薄板類 ; HVHBS ;工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學性能工程材料力學性能銼刀法（了解）銼刀法（了解）: : 一組硬度差為一組硬度差為5HRC5HRC的銼刀。的銼刀。例如例如: :10HRC10HRC、15HRC15HRC、20HRC20HRC等。等。工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學性能工程材料力學性能四、沖擊韌性四、沖擊韌性( notch toughness ):( notch toughness ): 材料在沖擊載荷

23、作用下抵抗破壞的能力。材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學性能工程材料力學性能沖擊韌性沖擊韌性a akuku為（即以試樣沖斷時消耗的功表示材料的沖擊值）：為（即以試樣沖斷時消耗的功表示材料的沖擊值）： 式中：式中：GG為擺錘的質量（為擺錘的質量（kgkg）；）；H1H1、H2H2分別為沖擊前、后擺錘的高度（分別為沖擊前、后擺錘的高度（m m）；）；AA為試樣斷口處的截面積（為試樣斷口處的截面積（cm2cm2）。）。 對于脆性材料（如鑄鐵、工、模具鋼等），做沖擊彎曲試驗時，試樣不開缺口，因對于脆性材料（如鑄鐵、工、模具鋼等），做沖擊彎曲試驗時，試樣不開缺口，因為開缺口的材料沖擊值太低，難以比較不同材料沖擊韌性的差異。為開缺口的材料沖擊值太低，難以比較不同材料沖擊韌性的差異。 材料的沖擊值一般不作為設計零件的直接依據，只是作為材料的韌性指標。材料的沖擊值一般不作為設計零件的直接依據，只是作為材料的韌性指標。（沖擊試驗）工程材料及熱加工工程材料及熱加工第一章第一章 工程材料力學性能工程材料力學性能五. 斷裂韌性 斷裂韌性是指帶微裂紋的材料或零件阻止裂紋擴展的能力。金屬材斷裂韌性是指帶微裂紋的材料或零件阻止裂紋擴展的能力。金屬材料從冶煉到各種加工過程，都有可能在材料內部產生微裂紋，這種裂料從冶煉到各種