第一章金屬材料的力學(xué)性能

1、機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 第一章 金屬材料的力學(xué)性能 n第一節(jié) 強度、剛度、彈性及塑性n第二節(jié) 硬度n第三節(jié) 沖擊韌性n第四節(jié) 斷裂韌度n第五節(jié) 疲勞機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 材料的性能材料的性能是表征材料在外界條件作用是表征材料在外界條件作用下的行為。下的行為。 材料的性能主要體現(xiàn)在兩個方面材料的性能主要體現(xiàn)在兩個方面: 1.使用性能：使用性能： 2.工藝性能：工藝性能：機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 金屬材料的性能金屬材料的性能1）使用性能使用性能力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能。 力學(xué)性能力學(xué)性能（機械性能）材料在不同環(huán)

2、境因素 下抵抗外加載荷作用的能力。 (強度、塑性、剛度、彈性、硬度、沖擊韌性、斷裂韌度、疲勞等)2 2）工藝性能）工藝性能：在各種加工過程中表現(xiàn)出來的性能。 (鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削性能)機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 第一節(jié)第一節(jié) 強度、剛度、彈性及塑性強度、剛度、彈性及塑性n靜載荷靜載荷是指對材料緩慢地施加載荷，使材是指對材料緩慢地施加載荷，使材料的相對變形速度較小（一般小于料的相對變形速度較?。ㄒ话阈∮?.010.01mm/smm/s）。）。n動載荷動載荷（1）是指加載速度比較快，使材）是指加載速度比較快，使材料的塑性變形速度也較快的沖擊載荷。料的塑性變形

3、速度也較快的沖擊載荷。 （2）作用力大小與方向作周期性變化的交變載）作用力大小與方向作周期性變化的交變載荷。荷。機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 一、低碳鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣（GB2282002）l L0試樣原始標(biāo)距長度試樣原始標(biāo)距長度（mm）l d0試樣的原始直徑（試樣的原始直徑（mm）l長試樣長試樣L0=10d0 ；短試樣短試樣L0=5d0機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 靜拉伸試驗機機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 1、低碳鋼拉伸曲線機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工

4、程學(xué)院 曲線分為曲線分為四階段：四階段：1 1彈性變彈性變形階段形階段拉力加大拉力加大到到FpFp時時, ,為直為直線階段。線階段。機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 2 2階段階段 屈服變形屈服變形屈服拉力：屈服拉力：FsFs機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 3 3階段階段IIIIII為較均勻的塑為較均勻的塑性變形階段性變形階段 F Fb b為材料所能為材料所能承受的最大載承受的最大載荷荷 機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 4 4階段階段IVIV局部集中塑局部集中塑性變形出現(xiàn)性變形出現(xiàn)頸縮頸縮 斷斷裂裂機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院

5、長春工程學(xué)院 2、低碳鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線=F/A0=L/ L0L=Lk L0 低碳鋼拉伸曲線低碳鋼拉伸曲線機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 低碳鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 n彈性變形彈性變形是指當(dāng)外力解除后變形能夠全部消是指當(dāng)外力解除后變形能夠全部消除恢復(fù)原狀的變形。除恢復(fù)原狀的變形。n彈性模量彈性模量材料產(chǎn)生材料產(chǎn)生單位彈性變形單位彈性變形所需應(yīng)力。所需應(yīng)力。 E=/= tgn材料剛度材料剛度工程上表征材料抵抗彈性變形能力。工程上表征材料抵抗彈性變形能力。二、剛度和彈性二、剛度和彈性1 1、彈性模量、彈性模量機械工程材料機械工程材料 長春工

6、程學(xué)院長春工程學(xué)院 n彈性極限彈性極限 e= Fe/A0 n物理意義物理意義材料在不產(chǎn)生塑性變形時材料在不產(chǎn)生塑性變形時所能承受的最大應(yīng)力值。所能承受的最大應(yīng)力值。n（極）微量塑性變形（極）微量塑性變形零件設(shè)計與選材的零件設(shè)計與選材的重要依據(jù)。重要依據(jù)。2 2、彈性極限、彈性極限 機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 n強度強度是指在外力作用下，材料抵抗永久變是指在外力作用下，材料抵抗永久變形和斷裂的能力。形和斷裂的能力。n屈服點屈服點（屈服強度）（屈服強度）： s= Fs/A0n物理意義物理意義材料在外力作用下開始產(chǎn)生明顯材料在外力作用下開始產(chǎn)生明顯塑性變形的最小應(yīng)力，即材料抵

7、抗塑性變形的最小應(yīng)力，即材料抵抗微量塑性變微量塑性變形形的能力。的能力。n屈服強度屈服強度是機械零件設(shè)計的是機械零件設(shè)計的主要主要依據(jù)。依據(jù)。三、材料的強度1、屈服點s機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 n許多材料在受力時許多材料在受力時無明顯屈服點，如無明顯屈服點，如中高碳鋼、合金鋼中高碳鋼、合金鋼和有色合金材料等。和有色合金材料等。將發(fā)生將發(fā)生0.2%殘余殘余應(yīng)變時的應(yīng)力作為應(yīng)變時的應(yīng)力作為屈服強度，用屈服強度，用0.2 表示。表示。機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 2、抗拉強度n抗拉強度抗拉強度 b= Fb/A0n物理意義物理意義材料斷裂前所承受的最大材

8、料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值，表示材料抵抗斷裂的能力。應(yīng)力值，表示材料抵抗斷裂的能力。n屈強比屈強比 s /b 材料的屈強比愈小，構(gòu)件的可靠性愈高。材料的屈強比愈小，構(gòu)件的可靠性愈高。機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 四、材料的塑性四、材料的塑性1 1、伸長率、伸長率n材料塑性材料塑性：材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。n伸長率伸長率：試樣拉斷后標(biāo)距長度的相對伸長值。 短試樣的伸長率記為5（L0=5d0） 長試樣的伸長率記為10或（L0=10d0） 對于同一種塑性材料510 %100%100000lllllk機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 2 2、

9、斷面收縮率、斷面收縮率n斷面收縮率斷面收縮率：是指試樣拉斷后斷口處橫截面積的相對收縮值。n斷面收縮率與試樣尺寸無關(guān)；n金屬材料只有具備足夠的塑性才能承受各種變形加工。%100%1000010AAAAA機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 第二節(jié)第二節(jié) 硬度硬度n硬度硬度是衡量材料軟硬程度的力學(xué)性能指標(biāo)，是材料抵抗局部塑性變形的能力，或者說抵抗硬物壓入的能力。n重要零件或零件的重要部位大多規(guī)定硬度值： （1）硬度測量簡便迅速，不需做試樣,不需破壞試件；（2）多數(shù)金屬材料抗拉強度可根據(jù)硬度值進(jìn)行估算；（3）硬度與材料的加工性能存在一

10、定的聯(lián)系。n硬度計種類：硬度計種類：布氏硬度（HB）、 洛氏硬度（HR）、 維氏硬度（HV）機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 一、布氏硬度（HB）n物理意義：壓痕表面上單位面積所承受的壓力。物理意義：壓痕表面上單位面積所承受的壓力。 機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 布氏硬度測量原理及計算AFHB 222dDDDA圖 3 布氏硬度原理圖工件壓頭機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 布氏硬度的表示方法n標(biāo)準(zhǔn)寫法：布氏硬度值 ，布氏硬度符號，測試條件（壓頭直徑mm/試驗力kgf/試驗力作用時間s）。如：200HBS 2.5/187.5/30n簡單寫

11、法：200HBSn淬火鋼球壓頭HBS最大有效測量值為450HBSn硬質(zhì)合金壓頭HBW最大有效測量值為650HBW 機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 二、洛氏硬度（HR）n洛氏硬度洛氏硬度是以壓頭壓入金屬材料的壓痕深度壓痕深度來表征材料的硬度。n壓頭壓頭：1）錐頂角為120的金剛石圓錐； 2）1.588mm的淬火鋼球。 n壓痕的深度直接可用百分表測出來，不需另外的測量和計算，十分方便，效率高效率高，是實際生產(chǎn)中使用最普遍的一種硬度測量方法。機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 洛氏硬度計洛氏硬度計洛氏硬度測量原理002. 0ekHRl h h為壓痕深度為壓痕深度l

12、 金剛石壓頭金剛石壓頭k=0.2 k=0.2 l 剛球壓頭剛球壓頭k=0.26k=0.26l P P0 0為初載荷為初載荷l P P1 1為主載荷為主載荷l P= P P= P0 0 + P + P1 1圖圖 4 4 洛氏硬度原理圖洛氏硬度原理圖h機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 三種洛氏硬度試驗條件標(biāo)值標(biāo)值壓頭類型壓頭類型初載荷初載荷（kgfkgf）總載荷總載荷（kgfkgf）測試范圍測試范圍應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例HRA1200金剛石圓錐10602088硬質(zhì)合金、表面淬硬層、滲碳層HRB1.588mm淬火鋼球1010020100有色金屬、退火鋼、正火鋼HRC1200金剛石圓錐10

13、1502070淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼 總載荷總載荷=初載荷初載荷+主載荷主載荷機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 維氏硬度計維氏硬度計維氏硬度試驗原理維氏硬度試驗原理維氏硬度壓痕維氏硬度壓痕三、維氏硬度（HV）機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 維氏硬度原理（HV）1、維氏硬度：維氏硬度：以正四棱錐金剛石 為壓頭的硬度測量方法。2、維氏硬度維氏硬度定義：定義：與布氏硬度相 同，即壓痕表面上單位面積所 承受的壓力。3、硬度值計算公式： 2102. 08544. 1dFAFHV圖圖 5 5 維氏硬度原理圖維氏硬度原理圖機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 n布

14、氏硬度壓痕面積大，代表性好（準(zhǔn)確），效率低；適合測試硬度較低的材料；不適合測量薄件和成品件。n洛氏硬度壓痕面積小，代表性較差，通常要取三點平均值作為測試結(jié)果；測試極為方便，最為常用；一般用于較高硬度的測量。n維氏硬度非常準(zhǔn)確；從低硬度到高硬度均可測量；測試設(shè)備昂貴，科學(xué)研究用該方法較多。n各種硬度值可進(jìn)行粗略換算： 三種硬度測試方法優(yōu)缺點HBWHV10HRC機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 第三節(jié) 沖擊韌性n靜載荷靜載荷 是指對材料緩慢地施加載荷，使材料的相對變形速度較小時的載荷（一般是小于0.01mm/s）。n動載荷動載荷 （1）是指加載速度比較快，使材料的塑性變形速度較快

15、的沖擊載荷，鍛床、沖床等。（2）作用力大小與方向作周期性變化的交變載荷，如軸、彈簧、齒輪等。機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 一、沖擊韌性n沖擊韌性沖擊韌性：金屬材料在沖擊載荷作用下，抵抗破壞的能力。用沖擊吸收功來衡量材料的沖擊韌性。n計算公式：n沖擊韌度：0AAakkAk=mgH機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 擺錘沖擊試驗擺錘沖擊試驗機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 試樣種類尺寸： 10mm10mm55mm 無缺口V型缺口U型缺口機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 n對于一般常用鋼材來說，沖擊吸收功越大，材料的韌性越好。

16、n材料的沖擊韌度值除了取決于材料本身之外，還與環(huán)境溫度環(huán)境溫度及缺口的狀況缺口的狀況密切相關(guān)。n沖擊韌度除了用來表征材料的韌性大小外，還用來測量韌脆轉(zhuǎn)變溫度韌脆轉(zhuǎn)變溫度。n沖擊韌度反映材料的冶金質(zhì)量冶金質(zhì)量和熱加工產(chǎn)品質(zhì)熱加工產(chǎn)品質(zhì)量量。二、沖擊試驗應(yīng)用 機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 韌脆轉(zhuǎn)變溫度韌脆轉(zhuǎn)變溫度機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 Ductile and Brittle FracturesDuctile fractureBrittle Fracture39機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 1943年美國年美國T-2油輪發(fā)生斷裂

17、油輪發(fā)生斷裂第四節(jié)第四節(jié) 斷裂韌度斷裂韌度 材料在屈服強度以下發(fā)生材料在屈服強度以下發(fā)生的斷裂稱為的斷裂稱為低應(yīng)力脆斷低應(yīng)力脆斷。 材料中總是存在缺陷，在應(yīng)材料中總是存在缺陷，在應(yīng)力作用下，裂紋將發(fā)生擴展，力作用下，裂紋將發(fā)生擴展，一旦擴展失穩(wěn)，就會發(fā)生低應(yīng)一旦擴展失穩(wěn)，就會發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂。力脆性斷裂。 材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴展材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴展的能力稱為的能力稱為斷裂韌度斷裂韌度。機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 一、裂紋擴展形式一、裂紋擴展形式nMode ：張開型：張開型nMode ：滑開型：滑開型nMode ：撕開型：撕開型機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)

18、院長春工程學(xué)院 n材料存在缺陷，使材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)不連續(xù)，可把缺陷看成是材料的裂紋，在裂紋尖端前沿有應(yīng)力集中產(chǎn)生，形成一個裂紋尖端應(yīng)力場。在材料承受載荷后，可能導(dǎo)致已有微裂紋的擴展，當(dāng)裂紋尺寸到達(dá)某個臨界值時突然斷裂。機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 二、應(yīng)力場強度因子與斷裂韌度二、應(yīng)力場強度因子與斷裂韌度n裂紋的尖端前沿存在應(yīng)力集中，形成裂紋尖端的應(yīng)力場，大小可用應(yīng)力強度因子K1來描述：n應(yīng)力強度因子的臨界值稱為材料的斷裂韌度，用K KIcIc表示。n它反應(yīng)材料有裂紋存在時抵抗脆性斷裂的能力，是強度和韌性的綜合體現(xiàn)。K K1 1=Ya=Ya機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院

19、長春工程學(xué)院 式中式中 c- 裂紋擴展時的臨界狀態(tài)所對應(yīng)的裂紋擴展時的臨界狀態(tài)所對應(yīng)的斷裂應(yīng)力斷裂應(yīng)力 ac- 裂紋擴展時的臨界狀態(tài)所對應(yīng)的裂紋擴展時的臨界狀態(tài)所對應(yīng)的臨界裂紋尺寸臨界裂紋尺寸1. 測定測定KIc和和ac后，可確定后，可確定c，為載荷設(shè)計提供依據(jù)。，為載荷設(shè)計提供依據(jù)。2. 已知已知KIc和臨界工作應(yīng)力和臨界工作應(yīng)力c ，可確定最大裂紋尺寸，可確定最大裂紋尺寸ac。3. 根據(jù)根據(jù)c及及ac ，可確定材料應(yīng)有的斷裂韌度，可確定材料應(yīng)有的斷裂韌度KIc 正確選材料正確選材料。ccIcaYK三、斷裂韌度及應(yīng)用三、斷裂韌度及應(yīng)用機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 第五節(jié)

20、 疲勞強度n疲勞：工程上一些機件工作時受交變應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)力作用，即使工作應(yīng)力低于材料的屈服強度，但經(jīng)過一定循環(huán)周次后仍會發(fā)生斷裂，稱之為疲勞疲勞斷裂。機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 軸的疲勞斷口軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）疲勞輝紋（掃描電鏡照片）機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 一、疲勞強度的測試n在疲勞試驗機上，用較多的試棒，在不同交變載荷下進(jìn)行試驗，作出疲勞曲線。機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 一、疲勞強度的測試疲勞極限：材料經(jīng)交變應(yīng)力無數(shù)次循環(huán)作用而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力稱

21、為材料的疲疲勞極限勞極限。應(yīng)力循 環(huán) 次 數(shù) 金屬材料的疲勞曲線（S-N曲線）示意圖鋼鐵材料鋼鐵材料有色金屬有色金屬機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 應(yīng)力循環(huán)對稱因數(shù)： =-1 疲勞強度疲勞強度-1-1 （軸類所受到的交變彎曲應(yīng)力）脈動循環(huán)交變應(yīng)力 ： =0 疲勞強度疲勞強度0 0 （齒輪齒根受到的循環(huán)彎曲應(yīng)力）工程上規(guī)定，對于鋼鐵材料N0 0為107次；有色金屬材料為108次,腐蝕性介質(zhì)作用下為106次。二、疲勞曲線與疲勞極限機械工程材料機械工程材料 長春工程學(xué)院長春工程學(xué)院 三、其他疲勞三、其他疲勞n低周疲勞低周疲勞：承受交變應(yīng)力較高，加載頻率較低，并經(jīng)受：承受交變應(yīng)力較