第一章 金屬的力學(xué)性能

第一章金屬的力學(xué)性能第一頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四材料的性能使用性能工藝性能物理性能化學(xué)性能

力學(xué)性能

熱處理性能鑄造性能焊接性能鍛造性能切削加工性能

(指金屬材料在使用過(guò)程中表現(xiàn)出的性能)(指金屬材料在加工過(guò)程中表現(xiàn)出的性能)第二頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四金屬材料的力學(xué)性能

-----------是指金屬材料在受外力作用時(shí)所反映出來(lái)的性能。思考如果把鐵絲和鋼絲折彎有何區(qū)別?常用的力學(xué)性能主要有：強(qiáng)度、硬度、塑性、沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度等。研究力學(xué)性能意義：是選擇和使用金屬材料的重要依據(jù)第三頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第一節(jié)剛度、強(qiáng)度、塑性一、拉伸試驗(yàn)及拉伸曲線第四頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第五頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四OE段：彈性變形階段；平臺(tái)或鋸齒（ES段）：屈服階段；SB段：均勻塑性變形階段，是強(qiáng)化階段。B點(diǎn)：形成了“縮頸”。BK段：非均勻變形階段，承載下降，到K點(diǎn)斷裂。彈性變形——去除外力后試樣恢復(fù)原狀的變形塑性變形——在外力消失后留下來(lái)的這部分不可恢復(fù)的變形

1、變形過(guò)程第六頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四2、應(yīng)力與應(yīng)變曲線應(yīng)力σ：?jiǎn)挝幻娣e上試樣承受的載荷。這里用試樣承受的載荷除以試樣的原始橫截面積S0表示:

F σ=——(Mpa) S0應(yīng)變?chǔ)牛簡(jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量。這里用試樣的伸長(zhǎng)量除以試樣的原始標(biāo)距表示:

Δl

ε=——l0應(yīng)力－應(yīng)變曲線（σ-ε曲線）形狀和拉伸曲線基本相同，單位不同思考怎樣比較不同材料抵抗外力能力的大??？第七頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四2、應(yīng)力與應(yīng)變曲線比例極限（σp）例:彈簧秤彈性極限（σe）如:彈簧屈服極限（σs）抗拉極限(σb)第八頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四二、剛度

——是表征金屬材料抵抗彈性變形的能力σ＝Eε

式中的E為與材料有關(guān)的常數(shù)，稱為彈性模量，工程上常用E作為衡量材料剛度的指標(biāo)。彈性模量主要取決于金屬材料的種類，即金屬的本性（晶格類型、晶格常數(shù)等）。一般機(jī)械零件大都在彈性狀態(tài)下工作，對(duì)剛度有一定要求，如機(jī)床主軸、起重機(jī)臂等，在使用時(shí)不允許產(chǎn)生過(guò)量的彈性變形。第九頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四三、強(qiáng)度

——金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和破壞的能力

工程上常用的金屬材料的強(qiáng)度指標(biāo)：屈服點(diǎn)（σs）或規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力（σr）抗拉強(qiáng)度(σb)第十頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四屈服點(diǎn)（σs）:指材料產(chǎn)生屈服時(shí)的應(yīng)力規(guī)定殘余伸長(zhǎng)率為0.2%時(shí)的應(yīng)力材料屈服時(shí)的拉力（N）屈服點(diǎn)（屈服極限）原標(biāo)準(zhǔn)（GB228-76）：屈服強(qiáng)度很重要，大多數(shù)零件不允許有塑性變形規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力:對(duì)有明顯屈服現(xiàn)象的材料對(duì)無(wú)明顯屈服現(xiàn)象的材料第十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四抗拉強(qiáng)度(σb)

:材料在拉伸條件下所能承受最大拉力的應(yīng)力值拉伸過(guò)程中最大的拉力（N）若零件在使用時(shí)不允許產(chǎn)生過(guò)量塑性變形，應(yīng)以材料的σs或σr0.2進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。若零件在使用時(shí)只要求不發(fā)生破壞，則以材料的σb來(lái)設(shè)計(jì)計(jì)算。因此σs和σb是機(jī)械零件設(shè)計(jì)計(jì)算的主要依據(jù)。很重要，表示零件破壞前能抗的最大應(yīng)力值第十二頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四四、塑性

——在外力作用下金屬材料在斷裂前產(chǎn)生不可逆永久變形的能力常用的塑性判據(jù)：拉伸時(shí)的斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率第十三頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四由于同一材料用不同長(zhǎng)度的試樣測(cè)得的斷后伸長(zhǎng)率δ數(shù)值不同，因此應(yīng)注明試樣尺寸比例。如:δ10——試樣L0=10d0δ5——試樣L0=5d0試樣拉斷后的標(biāo)距（mm）試樣原始標(biāo)距（mm）第十四頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四2、斷面收縮率試樣斷裂后縮頸處的最小橫截面積（mm2）試樣原始截面積（mm2）δ和ψ是用來(lái)判斷材料在斷裂前所能產(chǎn)生的最大塑性變形量大小。一般認(rèn)為ψ＞5％的材料為塑性材料，如低碳鋼；ψ＜5％的為脆性材料，如灰鑄鐵

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第十五頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四塑性對(duì)材料的意義:1.是金屬材料進(jìn)行壓力加工的必要條件;2.提高安全性:因?yàn)榱慵诠ぷ鲿r(shí)萬(wàn)一超載，也會(huì)由于塑性變形使材料強(qiáng)化而避免突然斷裂

第十六頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第二節(jié)沖擊韌性在設(shè)計(jì)和制造受沖擊載荷的零件和工具（如鍛錘、沖床、鉚釘槍等）時(shí)，必須考慮所用材料的沖擊吸收功或沖擊韌度。一、擺錘式一次沖擊試驗(yàn)第十七頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四

把試樣放在試驗(yàn)機(jī)的支承面上，試樣的缺口背向擺錘沖擊方向。將質(zhì)量為m的擺錘安放到規(guī)定的高度H，然后下落，將試樣打斷，并擺過(guò)支點(diǎn)升到某一高度h，試樣在沖擊試驗(yàn)力一次作用下，折斷時(shí)所吸收的功為沖擊吸收功為Ak。第十八頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四1、試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功Ak為:

Ak=mgH–mgh(J)2、沖擊韌度ak

AK

ak=(J/cm2)Sk二、沖擊吸收功和沖擊韌度就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。沖擊吸收功Ak

作為材料韌性判據(jù)，與溫度、試樣形狀、尺寸、表面粗糙度、內(nèi)部組織和缺陷有關(guān)。第十九頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四1.沖擊韌度對(duì)材料內(nèi)部缺陷反映很敏感能夠靈敏地顯示材料的宏觀缺陷和組織微小變化，因此在生產(chǎn)中可用來(lái)檢驗(yàn)材料的冶金質(zhì)量,熱加工質(zhì)量沖擊韌度對(duì)材料的意義:2.沖擊韌度隨溫度下降越來(lái)越低→冷脆現(xiàn)象在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以下，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，說(shuō)明低溫沖擊性能越好

第二十頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第四節(jié)疲勞強(qiáng)度材料的疲勞：材料在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下，在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累計(jì)損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過(guò)程。在多次交變應(yīng)力作用，金屬會(huì)在遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度σb，甚至小于屈服點(diǎn)σs的應(yīng)力下失效（出現(xiàn)裂紋或完全斷裂）

疲勞破壞的原因：應(yīng)力集中——微裂紋——擴(kuò)展——斷裂破壞。疲勞強(qiáng)度（σ-1）：金屬材料經(jīng)無(wú)窮多次（鋼材107）應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力值。第二十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第四節(jié)硬度硬度：硬度試驗(yàn)方法:壓入法

它是材料性能的一個(gè)綜合的物理量。(表示金屬材料在一個(gè)小的體積范圍內(nèi)金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力）布氏硬度（HB）洛氏硬度（HR）維氏硬度（HV）第二十二頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四一、布氏硬度1、測(cè)定原理布氏硬度計(jì)

第二十三頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四2、計(jì)算公式HBS：淬火鋼球作壓頭；適用于＜450HBSHBW：硬質(zhì)合金作壓頭；適用于＜650HBW第二十四頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測(cè)的材料不同，球直徑、試驗(yàn)力及試驗(yàn)力保持時(shí)間按表1-1選擇材料種類布氏硬度范圍HBS（HBW）試樣厚度/mm0.102球的直徑/mm試驗(yàn)力F/KN（kgf)試驗(yàn)力保持時(shí)間/s鋼、鑄鐵140-4506～34～2<23010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)12<140>66～31010.05.09.807(1000)2.452(250)12非鐵金屬>1306～34～2<23010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)3036～1309～36～31010.05.09.807(1000)2.452(250)308～35>62.510.02.452(250)60表1-1布氏硬度試驗(yàn)規(guī)范第二十五頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四3、表示方法XXXHBS(W)XX/XXX/XX硬度值壓頭直徑（mm）試驗(yàn)力保持時(shí)間（s）試驗(yàn)力（0.102N）500HBW5/750例：表示用直徑5mm硬質(zhì)合金球在7355N試驗(yàn)力作用下保持10~15s測(cè)得的布氏硬度值為500120HBS10/1000/30表示用直徑10mm鋼球壓頭在9807N試驗(yàn)力作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為120習(xí)慣上布氏硬度值不標(biāo)出試驗(yàn)規(guī)范，如170HBS。第二十六頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四4、適用范圍

常用于測(cè)小于450HBS的原材料或零件毛坯的硬度，不能測(cè)淬火鋼件的硬度。優(yōu)點(diǎn)：試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定缺點(diǎn)：測(cè)試較麻煩;壓痕大，不適合成品檢驗(yàn)第二十七頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四二、洛氏硬度測(cè)定原理第二十八頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四硬度符號(hào)壓頭類型總實(shí)驗(yàn)力F/N硬度值有效范圍應(yīng)用范圍HRA金剛石圓錐體58870～85適用于測(cè)量硬質(zhì)合金、表面淬硬層或滲碳層HRB直徑為1.588mm鋼球98025～100適用于測(cè)量非鐵金屬,退火、正火鋼等HRC金剛石圓錐體147020～67適用于調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測(cè)的材料不同，壓頭的類型、試驗(yàn)力及按表1-2選擇，對(duì)應(yīng)的洛氏硬度標(biāo)尺為HRA、HRB、HRC三種表1-2常用的三種洛氏硬度的試驗(yàn)條件及應(yīng)用范圍2、符號(hào)第二十九頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四3、表示方法硬度值+HR例：52HRC70HRA4、適用范圍洛氏硬度HRC可以用于硬度很高的材料，在鋼件熱處理質(zhì)量檢查中應(yīng)用最多。優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量迅速簡(jiǎn)便，壓痕小，可在成品零件上檢測(cè)。缺點(diǎn):準(zhǔn)確性不夠。第三十頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四三、維氏硬度1、測(cè)定原理用一定的試驗(yàn)力F，將頂角為1360的金剛石四棱錐壓入金屬表面，保持一定時(shí)間后卸去試驗(yàn)力，然后測(cè)出壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度d1、d2（mm），并求出壓痕對(duì)角線的平均值d。第三十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四2、計(jì)算公式3、表示方法硬度值+HV+試驗(yàn)力/保持時(shí)間如：640HV30/204、適用范圍適用于測(cè)量零件薄的表面硬化層的硬度。第三十二頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四一、判斷題1.有些沒(méi)有明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料其屈服點(diǎn)可用符號(hào)σr0.2表示2.一般來(lái)說(shuō)硬度高的金屬材料耐磨性也好。3.壓痕直徑越大，材料硬度越高。4.甲零件的硬度為250HBS，乙零件的硬度為52HRC，則甲比乙的硬度高。5.材料在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力稱為剛度。6.材料在多次交變載荷作用下的破壞現(xiàn)象稱為疲勞。7.強(qiáng)度高的材料，韌性都低。8.沖擊吸收功是機(jī)械零件設(shè)計(jì)選材的主要依據(jù)。9.某些機(jī)械零件工作時(shí)承受應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服點(diǎn)，也能發(fā)生突然性斷裂。10.拉伸試驗(yàn)時(shí)，試樣的伸長(zhǎng)量與拉伸力總成正比。11.屈服點(diǎn)代表試樣在試驗(yàn)過(guò)程中力不增加，而仍能繼續(xù)伸長(zhǎng)（變形）時(shí)的應(yīng)力。12.金屬材料的硬度越高，其抵抗局部彈性變形能力越強(qiáng)。第三十三頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四二、選擇題1、拉伸試驗(yàn)可測(cè)定材料的（）。A.強(qiáng)度B.硬度C.塑性D.韌性2、材料在動(dòng)載荷作用下表現(xiàn)的力學(xué)性能是（）。A.σb