第一章 金屬材料的力學性能

第一章金屬材料的力學性能第一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四金屬材料的性能(P3)1）使用性能：在使用過程中表現(xiàn)出的性能——力學性能、物理性能、化學性能等。

力學性能（又稱機械性能）——是指材料抵抗外力（載荷）作用的能力。設計零件時是由力學性能作為主要設計依據(jù)的。2）工藝性能：在各種加工過程中表現(xiàn)出來的性能。如：鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削性能等。第二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)靜載荷條件下

材料的力學性能（P3）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）。動載荷——（1）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。（2）作用力大小與方向作周期性變化的交變載荷。第三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四一、靜拉伸試驗及材料的

強度與塑性（P3）標準拉伸試樣（GB228—87）L0——試樣原始標距長度（mm）d0——試樣的原始直徑（mm）

長試樣L0=10d0

短試樣L0=5d0第四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四靜拉伸試驗機原理第五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四一、靜拉伸試驗及材料的

強度與塑性（P3）ε=ΔL/L0ΔL=Lk－L0σ=F/A0

圖1—2低碳鋼拉伸曲線第六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四低碳鋼應力——應變曲線第七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四彈性變形——是指當外力解除后變形能夠全部消除恢復原狀的變形。彈性極限

σe=Fe/A0物理意義——材料保持完全彈性變形所承受的最大應力。表征材料對（極）微量塑性變形的抗力。（一）彈性極限和剛度

1、彈性極限（P4）第八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四材料剛度（彈性模量）E=σ/ε=tgα物理意義——材料產(chǎn)生單位彈性的相對變形所需的應力。它是表征材料抵抗彈性變形能力的力學性能指標。（一）彈性極限和剛度

2、材料剛度E（P4）第九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四材料強度——是指在外力作用下，材料抵抗變形和斷裂的能力。屈服點（屈服強度）：σs=Fs/A0物理意義——是指材料在外力作用下開始產(chǎn)生明顯塑性變形的最小應力。表征材料抵抗微量塑性變形的能力。（二）材料強度

1、屈服點σs

（P4）第十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四（二）材料強度

2、抗拉強度（P4）抗拉強度

σb=Fb/A0物理意義——材料斷裂前所承受的最大應力。屈強比

σs/σb

材料的屈強比愈小，構件的可靠性愈高。第十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四（三）材料的塑性

1、伸長率δ（P5）材料塑性：是指材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不發(fā)生斷裂的能力。伸長率δ：是指試樣拉斷后其標距長度的相對伸長值。定義為：

短試樣的伸長率記為δ5（L0=5d0）長試樣的伸長率記為δ10或δ（L0=10d0）對于同一種塑性材料δ5>δ10

第十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四（三）材料的塑性

2、斷面收縮率ψ（P5）斷面收縮率ψ：是指試樣拉斷后斷口處橫截面積的相對收縮值。定義為：斷面收縮率與試樣尺寸無關；金屬材料只有具備足夠的塑性才能承受各種變形加工。第十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四二、硬度（P6）硬度是衡量材料軟硬程度的一種力學性能指標。是材料抵抗局部塑性變形的能力，或者說抵抗其它硬物壓入的能力。硬度計種類：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、維氏硬度（HV）重要零件或零件的重要部位大多規(guī)定材料的硬度值。因為：（1）硬度測量簡便迅速，不需做試樣，也不需破壞試件；（2）多數(shù)金屬材料的抗拉強度可以根據(jù)其硬度值進行估算。所以硬度是一個很重要的力學性能指標。第十四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四（一）布氏硬度（HB）（P6）設備：布氏硬度計方法：用規(guī)定直徑的淬火剛球或硬質(zhì)合金球以一定的試驗力壓入所測材料的表面，保持規(guī)定時間后，卸除試驗力，測量表面壓痕直徑，然后根據(jù)布氏硬度的定義公式計算出布氏硬度值。其物理意義是壓痕表面上單位面積所承受的壓力。第十五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四布氏硬度測量原理及計算（P6）圖1—3布氏硬度原理圖工件壓頭第十六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四布氏硬度的表示方法（P7）標準寫法：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：200HBS2.5/187.5/30簡單寫法：200HBS淬火剛球作壓頭HBS——最大有效測量值為450HBS硬質(zhì)合金壓頭HBW——最大有效測量值為650HBW

第十七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四（二）洛氏硬度（HR）（P7）洛氏硬度是以壓頭壓入金屬材料的壓痕深度來表征材料的硬度。壓頭：1）錐角為120°的圓錐金剛石；2）Ф1.588mm的淬火剛球壓痕的深度直接可用百分表測出來，還需另外的測量和計算，十分方便，效率高，是實際生產(chǎn)中使用最普遍的一種硬度測量方法。第十八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四洛氏硬度測量原理（P7）h為壓痕深度金剛石壓頭k=0.2剛球壓頭k=0.26P0為初載荷P1為主載荷P=P0+P1圖1—4洛氏硬度原理圖h第十九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四三種洛氏硬度試驗條件標值壓頭類型初載荷（kg）總載荷（kg）測試范圍應用舉例HRA1200金剛石圓錐106070~85硬質(zhì)合金、表面淬硬層、滲碳層HRBφ1.588mm淬火鋼球1010025~100有色金屬、退火鋼、正火鋼HRC1200金剛石圓錐1015020~67淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼☆總載荷=初載荷+主載荷第二十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四（三）維氏硬度（HV）（P7）1、維氏硬度是一種以正四棱錐金剛石為壓頭的硬度測量方法。2、硬度值的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。所不同的是壓痕形狀為正四棱錐形。3、硬度值計算公式：圖1—5維氏硬度原理圖第二十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四布氏硬度——壓痕面積大，代表性好（準確），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。洛氏硬度——壓痕面積小，代表性較差，所以通常要取三點平均值作為測試結果；測試極為方便，是實際生產(chǎn)中最為常用的一種測試方法；一般用于較高硬度的測量。維氏硬度——非常準確；從低硬度到高硬度均可測量；測試設備昂貴，科學研究用該方法較多。各種硬度值可進行粗略換算，換算公式如下：

三種硬度測試方法優(yōu)缺點HB≈HV≈10HRC第二十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)非靜載荷時

材料的力學性能（P8）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）。非靜載荷（動載荷）——（1）是指加載速度比較快，使材料的塑性變形速度也較快的沖擊載荷，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。第二十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四一、沖擊韌度（P8）沖擊韌度：是指材料抵抗沖擊載荷的能力。以單位面積承受的沖擊吸收功來衡量。計算公式：試樣種類：尺寸：

10mm×10mm×55mm

無缺口V型缺口U型缺口Ak=mgΔH第二十四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四對于一般常用鋼材來說，沖擊吸收功越大，材料的韌性越好。考慮到試樣被沖斷所需的沖擊吸收功，并非均勻地消耗于斷口處。所以，往往直接用沖擊吸收功來表征材料的沖擊韌度。材料的沖擊韌度值除了取決于材料本身之外，還與環(huán)境溫度及缺口的狀況密切相關。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。材料的沖擊韌度一般只作為設計的參考值。一、沖擊韌度（P9）第二十五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四二、疲勞強度（P9）疲勞強度：是指材料抵抗交變應力的能力。應力循環(huán)對稱因數(shù)：

γ=-1疲勞強度σ-1

（軸類所受到的交變彎曲應力）脈動循環(huán)交變應力

γ=0疲勞強度σ0

（齒輪齒跟受到的循環(huán)彎曲應力）第二十六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四疲勞強度的測試在疲勞試驗機上，用較多的試棒，在不同交變載荷下進行試驗，作出疲勞曲線。第二十七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四疲勞強度的測試(P10)材料經(jīng)交變應力無數(shù)次循環(huán)作用而不發(fā)生斷裂的最大應力稱為材料的疲勞強度。應力循環(huán)次數(shù)圖1—8金屬材料的疲勞曲線示意圖第二十八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四疲勞強度的定義（P10）疲勞強度定義為：材料經(jīng)交變應力無數(shù)次循環(huán)作用而不發(fā)生斷裂的最大應力。工程上規(guī)定，對于鋼鐵材料為107次；對于有色金屬材料為108次。材料的疲勞強度σ-1與抗拉強度σb密切相關。對鋼來說，其關系為σ-1=0.45∽0.55σb。可見，材料的疲勞強度隨其抗拉強度增高而增高。金屬材料的疲勞強度通常都小于屈服點，這說明材料抵抗交變應力比抵抗靜應力的能力低。第二十九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四疲勞強度的影響因素（P10）疲勞強度的影響因素：1）材料本身的組織結構狀態(tài)；2）表面粗糙度和應力狀態(tài)。提高零件疲勞強度的措施：

1、改善內(nèi)部組織；

2、設計上減小應力集中，轉(zhuǎn)接處避免銳角連接；

3、降低零件表面粗糙度；

4、強化表面，如表面淬火、表面滾壓、滲碳等。第三十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四早在上世紀20年代,Griffth就提出了著名的裂紋體的脆斷強度理論。第二次世界大戰(zhàn)后，廣泛使用高強度材料，引起了一系列的脆斷事故。而且斷裂應力遠低于σs，即低應力脆斷。為防止低應力脆斷，不得不對其強度—斷裂抗力進行研究，從而形成斷裂力學這門新學科。根據(jù)斷裂力學的分析，裂紋的尖端前沿存在應力集中，形成裂紋尖端的應力場，其大小可用應力強度因子K1來描述：第三節(jié)金屬材料的斷裂韌度(P10)K1=Yσ√a第三十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四第四節(jié)高溫下材料的

力學性能（P11）高壓蒸氣鍋爐、內(nèi)燃機、航空航天發(fā)動機等機器設備中的一些構件是長期在較高溫度下運行的。所謂高溫是指機件的服役溫度超過金屬的再結晶溫度。如何評價材料的高溫力學性能，并運用這些力學性能評估高溫構件的安全性和壽命，是一個十分復雜和問題。第三十二頁