金屬材料的力學(xué)性能(一)

1、1.6 金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的性能分為金屬材料的性能分為使用性能使用性能和和工藝性能工藝性能。1.6 1.6 金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能使用性能：使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。包括包括力學(xué)性能力學(xué)性能、物理性能物理性能和和化學(xué)性能化學(xué)性能。工藝性能：工藝性能：材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。 包括包括鑄造鑄造、鍛壓鍛壓、焊接、焊接、熱處理熱處理和和切削切削性能性能等。等。 決定金屬材料的應(yīng)用范圍、安全可靠性和決定金屬材料的應(yīng)用范圍、安全可靠性和使用壽命。使用壽命。決定材料是否易于加工或如何加工等。決定材料是否易

2、于加工或如何加工等。 金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能又稱為又稱為機(jī)械性能機(jī)械性能，是指金屬，是指金屬在外力作用下所反映出來的性能。在外力作用下所反映出來的性能。 具體的說就是金屬材料在受到拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力時，對變形與斷裂的抵抗能力。v材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形變形。v外力去處后能夠恢復(fù)的變形稱為外力去處后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形彈性變形。v外力去處后不能恢復(fù)的變形稱為外力去處后不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形塑性變形。 練一練練一練：舉幾個日常生活中彈性變形和塑性變形的例子：舉幾個日常生活中彈性變形和塑性

3、變形的例子力學(xué)性能力學(xué)性能v材料在力的作用下，諸如不同載荷所造成材料在力的作用下，諸如不同載荷所造成的彈性變形、塑性變形、斷裂（脆性斷裂、的彈性變形、塑性變形、斷裂（脆性斷裂、韌性斷裂、疲勞斷裂等）以及金屬抵抗變韌性斷裂、疲勞斷裂等）以及金屬抵抗變形和斷裂能力的衡量指標(biāo)。形和斷裂能力的衡量指標(biāo)。v常用的力學(xué)性能有：常用的力學(xué)性能有：強(qiáng)度強(qiáng)度、塑性塑性、硬度硬度、韌性韌性及及疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度等。等。一、強(qiáng)度與塑性一、強(qiáng)度與塑性v強(qiáng)度強(qiáng)度是指金屬材料在靜載荷作用下，抵抗塑性是指金屬材料在靜載荷作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。變形和斷裂的能力。v塑性塑性是指金屬材料在靜載荷作用下產(chǎn)生塑性變是指金屬

4、材料在靜載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。形而不被破壞的能力。v金屬材料的強(qiáng)度和塑性的判據(jù)可通過拉伸試驗(yàn)金屬材料的強(qiáng)度和塑性的判據(jù)可通過拉伸試驗(yàn)測定。測定。 1 1、拉伸實(shí)驗(yàn)、拉伸實(shí)驗(yàn)在拉伸機(jī)上進(jìn)行。在拉伸機(jī)上進(jìn)行。 把標(biāo)準(zhǔn)試樣裝夾在試驗(yàn)機(jī)上，然后對把標(biāo)準(zhǔn)試樣裝夾在試驗(yàn)機(jī)上，然后對試樣緩慢施加拉力，使之不斷變形直到拉試樣緩慢施加拉力，使之不斷變形直到拉斷為止。斷為止。（1 1）. . 拉伸試樣（拉伸試樣（GB6397-86GB6397-86）長試樣：長試樣：L L0 0= =1010d d0 0短試樣：短試樣：L L0 0= =5 5d d0 0 萬能材料試驗(yàn)機(jī)萬能材料試驗(yàn)機(jī) a) WE

5、a) WE系列液壓式系列液壓式 b) WDWb) WDW系列電子式系列電子式（2 2）拉伸機(jī)）拉伸機(jī)拉伸試驗(yàn)視頻拉伸試驗(yàn)視頻1 1（3 3）拉伸試驗(yàn)）拉伸試驗(yàn) (a) (a)試樣試樣 (b)(b)伸長伸長 (c)(c)產(chǎn)生縮頸產(chǎn)生縮頸 (d)(d)斷裂斷裂拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試驗(yàn)視頻拉伸試驗(yàn)視頻1回顧回顧2 2、低碳鋼拉伸曲線、低碳鋼拉伸曲線OAOA彈性變形階段彈性變形階段A AABCABC屈服階段屈服階段CDCD強(qiáng)化階段強(qiáng)化階段DEDE縮頸階段縮頸階段LF0 0脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對比）脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對比）脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)

6、象。脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象。 應(yīng)力應(yīng)力 = = F F/ /A A0 0應(yīng)變應(yīng)變 = ( = (l l- -l l0 0)/)/l l0 0 3.3.彈性極限彈性極限 e e 彈性極限彈性極限是指在產(chǎn)生完全彈性變形時材料所是指在產(chǎn)生完全彈性變形時材料所能承受的最大應(yīng)力，即：能承受的最大應(yīng)力，即： 式中式中F Fe e試樣完試樣完全彈性變形時所能承受全彈性變形時所能承受的最大載荷，的最大載荷，N N ； AoAo試樣原始截試樣原始截面積，面積，mmmm2 2。 e e彈性極限，彈性極限，單位是單位是MPMPa a。oeeAF 彈性極限是表示金屬材料不產(chǎn)生塑性變形時所彈性極限是表示金屬

7、材料不產(chǎn)生塑性變形時所能承受的最大應(yīng)力值，是工作中不允許有微量塑性能承受的最大應(yīng)力值，是工作中不允許有微量塑性變形的設(shè)計(jì)與選材的重要依據(jù)。變形的設(shè)計(jì)與選材的重要依據(jù)。 強(qiáng)度強(qiáng)度是指金屬材料在靜載荷作用下，抵抗塑性變是指金屬材料在靜載荷作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。形和斷裂的能力。 是工程技術(shù)上重要的力學(xué)性能指標(biāo)。是工程技術(shù)上重要的力學(xué)性能指標(biāo)。 由于載荷的作用方式有拉伸、壓縮、彎曲、剪切由于載荷的作用方式有拉伸、壓縮、彎曲、剪切等形式，相應(yīng)的強(qiáng)度也有抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎等形式，相應(yīng)的強(qiáng)度也有抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等。強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等。 工程上最常用的是工程上最常用的是屈

8、服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度和和抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度。4 4、強(qiáng)度、強(qiáng)度v材料強(qiáng)度的大小通常用材料強(qiáng)度的大小通常用單位面積上所承受單位面積上所承受的力來表示的力來表示，其單位為，其單位為N/mN/m2 2(Pa)(Pa)，但，但PaPa這個單位太小，所以實(shí)際工程中常用這個單位太小，所以實(shí)際工程中常用MPaMPa（MPa=10MPa=106 6PaPa）作為強(qiáng)度的單位。）作為強(qiáng)度的單位。v一般鋼材的屈服強(qiáng)度在一般鋼材的屈服強(qiáng)度在2002002000MPa 2000MPa 之間，如建造之間，如建造20082008年北京奧運(yùn)會主體育年北京奧運(yùn)會主體育場場“鳥巢鳥巢”外部鋼結(jié)構(gòu)的外部鋼結(jié)構(gòu)的Q460EQ460E鋼，其鋼

9、，其屈服強(qiáng)度為屈服強(qiáng)度為460MPa460MPa。屈服現(xiàn)象：屈服現(xiàn)象： 在金屬拉伸試驗(yàn)過程中，在金屬拉伸試驗(yàn)過程中，當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限后，變當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限后，變形增加較快，此時除了彈性形增加較快，此時除了彈性變形外，還產(chǎn)生部分塑性變變形外，還產(chǎn)生部分塑性變形。當(dāng)外力增加到一定數(shù)值形。當(dāng)外力增加到一定數(shù)值時，在外力不增加或上下波時，在外力不增加或上下波動情況下，試樣繼續(xù)伸長變動情況下，試樣繼續(xù)伸長變形，在力伸長曲線出現(xiàn)一形，在力伸長曲線出現(xiàn)一個波動的小平臺，這便是屈個波動的小平臺，這便是屈服現(xiàn)象。服現(xiàn)象。（1 1）屈服強(qiáng)度）屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度它是拉伸試樣產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的應(yīng)力。它是拉伸試

10、樣產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的應(yīng)力。)(MPaAFoss 式中式中F Fs s試樣產(chǎn)試樣產(chǎn)生屈服時所承受的最大生屈服時所承受的最大載荷，載荷，N N ； AoAo試樣原始截試樣原始截面積，面積，mmmm2 2。v對于高碳淬火鋼、鑄鐵等材料，在拉伸試驗(yàn)中沒有對于高碳淬火鋼、鑄鐵等材料，在拉伸試驗(yàn)中沒有明顯的屈服現(xiàn)象，無法確定其屈服強(qiáng)度。明顯的屈服現(xiàn)象，無法確定其屈服強(qiáng)度。v國標(biāo)國標(biāo)GB228-2002GB228-2002規(guī)定，一般規(guī)定以試樣產(chǎn)生規(guī)定，一般規(guī)定以試樣產(chǎn)生0.2%0.2%塑性變形時的應(yīng)力作塑性變形時的應(yīng)力作為該材料的屈服強(qiáng)度，稱為該材料的屈服強(qiáng)度，稱為為條件屈服強(qiáng)度條件屈服強(qiáng)度，用，用 r0.2

11、r0.2表示。表示。（2 2）抗拉強(qiáng)度）抗拉強(qiáng)度 金屬材料在拉斷前所能承受的最大應(yīng)力。金屬材料在拉斷前所能承受的最大應(yīng)力。用符號用符號 b b表示。表示。計(jì)算公式計(jì)算公式)(0MPaAFbb F Fb b試樣在拉斷前所試樣在拉斷前所承受的最大載荷，承受的最大載荷，N N；A A0 0試樣的原始橫截試樣的原始橫截面積，面積，mmmm2 2。v屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度和和抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度是設(shè)計(jì)機(jī)械零件的主要依據(jù)。是設(shè)計(jì)機(jī)械零件的主要依據(jù)。v機(jī)器零件或構(gòu)件在工作時，一般不允許發(fā)生塑性變機(jī)器零件或構(gòu)件在工作時，一般不允許發(fā)生塑性變形，因此形，因此多以屈服強(qiáng)度多以屈服強(qiáng)度 s s作為強(qiáng)度設(shè)計(jì)的依據(jù)作為強(qiáng)度設(shè)計(jì)的

12、依據(jù)。v對于對于脆性材料脆性材料，因斷裂前幾乎不發(fā)生塑性變形，所，因斷裂前幾乎不發(fā)生塑性變形，所以也沒有屈服強(qiáng)度，在強(qiáng)度計(jì)算時，以也沒有屈服強(qiáng)度，在強(qiáng)度計(jì)算時，以抗拉強(qiáng)度以抗拉強(qiáng)度 b b為依據(jù)為依據(jù)。 v強(qiáng)度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，一強(qiáng)度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，一般鋼材的屈服強(qiáng)度在般鋼材的屈服強(qiáng)度在2002001000MPa 1000MPa 之間。之間。v強(qiáng)度越高，表明材料在工作時可以承受強(qiáng)度越高，表明材料在工作時可以承受越越高的載荷。高的載荷。當(dāng)載荷一定時，選用高強(qiáng)度的材料，可以減小構(gòu)件當(dāng)載荷一定時，選用高強(qiáng)度的材料，可以減小構(gòu)件或零件的尺寸，從而減小其自重?；?/p>

13、零件的尺寸，從而減小其自重。v因此，提高材料的強(qiáng)度是材料科學(xué)中的重要課題，因此，提高材料的強(qiáng)度是材料科學(xué)中的重要課題，稱之為材料的強(qiáng)化。稱之為材料的強(qiáng)化。強(qiáng)度的意義強(qiáng)度的意義衡量指標(biāo)衡量指標(biāo)金屬材料產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。金屬材料產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。斷面收縮率：斷面收縮率：伸長率：伸長率： 試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分比。試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分比。試樣拉斷處的橫截面積的縮減量與原始橫試樣拉斷處的橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比。截面積的百分比。5 5、塑性、塑性（1 1）伸長率）伸長率l1-l0l0100%=l1試樣拉斷后的試樣拉斷后的標(biāo)距標(biāo)距,

14、mm;,mm;l0 0試樣的原始標(biāo)試樣的原始標(biāo)距距,mm,mm。思考：思考： 值越大，說明材料的塑性越好還是越差？值越大，說明材料的塑性越好還是越差？v同一材料的試樣長短不同，測得的斷后伸長同一材料的試樣長短不同，測得的斷后伸長率略有不同。率略有不同。v由于大多數(shù)韌性金屬材料的集中塑性變形量由于大多數(shù)韌性金屬材料的集中塑性變形量大于均勻塑性變形量，因此，比例試樣的尺大于均勻塑性變形量，因此，比例試樣的尺寸越短，其斷后伸長率越大，用短試樣（寸越短，其斷后伸長率越大，用短試樣（L L0 05 5d d0 0）測得的斷后伸長率）測得的斷后伸長率5略大于用長試樣略大于用長試樣（L L0 01010d

15、d0 0）測得的斷后伸長率）測得的斷后伸長率10。 （2 2）斷面收縮率）斷面收縮率A0-Ak A0=100%A A0 0 試樣原始橫截面積試樣原始橫截面積,mm,mm2 2；A A k k 試樣斷裂試樣斷裂處的最小橫截面積處的最小橫截面積,mm,mm2 2 。思考：思考：值越大，說明材料的塑性越好還是越差？值越大，說明材料的塑性越好還是越差？塑性的意義塑性的意義v任何零件都要求材料具有一定的塑性。很顯任何零件都要求材料具有一定的塑性。很顯然，斷后伸長率然，斷后伸長率和斷面收縮率和斷面收縮率越大，說明越大，說明材料在斷裂前發(fā)生的塑性變形量越大，也就材料在斷裂前發(fā)生的塑性變形量越大，也就是材料的

16、塑性越好。是材料的塑性越好。v意義：意義： a a）安全，防止產(chǎn)生突然破壞；）安全，防止產(chǎn)生突然破壞； b b）緩和應(yīng)力集中；）緩和應(yīng)力集中； c c）軋制、擠壓等冷熱加工變形。）軋制、擠壓等冷熱加工變形。v強(qiáng)度與塑性是一對相互矛盾的性能指標(biāo)。在金屬強(qiáng)度與塑性是一對相互矛盾的性能指標(biāo)。在金屬材料的工程應(yīng)用中，要提高強(qiáng)度，就要犧牲一部材料的工程應(yīng)用中，要提高強(qiáng)度，就要犧牲一部分塑性。反之，要改善塑性，就必須犧牲一部分分塑性。反之，要改善塑性，就必須犧牲一部分強(qiáng)度。強(qiáng)度。v正所謂正所謂“魚和熊掌二者不能兼得魚和熊掌二者不能兼得”。但通過細(xì)化。但通過細(xì)化金屬材料的顯微組織，可以同時提高材料的強(qiáng)度金屬

17、材料的顯微組織，可以同時提高材料的強(qiáng)度和塑性。和塑性。低碳鋼拉伸試驗(yàn)視頻低碳鋼拉伸試驗(yàn)視頻2 2復(fù)習(xí)鞏固復(fù)習(xí)鞏固1 1、金屬的力學(xué)性能包括哪些指標(biāo)？、金屬的力學(xué)性能包括哪些指標(biāo)？強(qiáng)度強(qiáng)度 塑性塑性 硬度硬度 韌性韌性 疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度復(fù)習(xí)鞏固復(fù)習(xí)鞏固1 1、金屬的力學(xué)性能包括哪些指標(biāo)？、金屬的力學(xué)性能包括哪些指標(biāo)？2 2、什么是強(qiáng)度？衡量材料強(qiáng)度的指標(biāo)是什么？、什么是強(qiáng)度？衡量材料強(qiáng)度的指標(biāo)是什么？ 強(qiáng)度是金屬材料在靜載荷作用下，抵抗塑性強(qiáng)度是金屬材料在靜載荷作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。變形和斷裂的能力。 強(qiáng)度指標(biāo)主要有屈服極限和強(qiáng)度極限。強(qiáng)度指標(biāo)主要有屈服極限和強(qiáng)度極限。復(fù)習(xí)鞏固復(fù)習(xí)鞏

18、固1 1、金屬的力學(xué)性能包括哪些指標(biāo)？、金屬的力學(xué)性能包括哪些指標(biāo)？2 2、什么是強(qiáng)度？衡量材料強(qiáng)度的指標(biāo)是什么？、什么是強(qiáng)度？衡量材料強(qiáng)度的指標(biāo)是什么？3 3、設(shè)計(jì)零件主要依據(jù)哪種強(qiáng)度指標(biāo)？、設(shè)計(jì)零件主要依據(jù)哪種強(qiáng)度指標(biāo)？ 一般零件以屈服強(qiáng)度一般零件以屈服強(qiáng)度 s s作為強(qiáng)度設(shè)計(jì)的依據(jù)作為強(qiáng)度設(shè)計(jì)的依據(jù)；但對于脆性材料，則以抗拉強(qiáng)度但對于脆性材料，則以抗拉強(qiáng)度 b b為依據(jù)為依據(jù)。復(fù)習(xí)鞏固復(fù)習(xí)鞏固1 1、金屬的力學(xué)性能包括哪些指標(biāo)？、金屬的力學(xué)性能包括哪些指標(biāo)？2 2、什么是強(qiáng)度？衡量材料強(qiáng)度的指標(biāo)是什么？、什么是強(qiáng)度？衡量材料強(qiáng)度的指標(biāo)是什么？3 3、設(shè)計(jì)零件主要依據(jù)哪種強(qiáng)度指標(biāo)？、設(shè)計(jì)零件主要依據(jù)哪種強(qiáng)度指標(biāo)？4 4、什么是塑性？材料的塑性指標(biāo)有哪些？什么是塑性？材料的塑性指標(biāo)有哪些？ 塑性是指材料在載荷作用下，產(chǎn)生塑性變形而塑性是指材料在載荷作用下，產(chǎn)生塑性變形