金属材料的力学性能【课堂使用】

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1、第一章第一章 工程材料的性能工程材料的性能工艺性能工艺性能在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能。热加工和热处理的性能。使用性能使用性能材料在使用过程中所表现的性能材料在使用过程中所表现的性能力学性能物理性能化学性能铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削加工性能、热处理工艺性能切削加工性能、热处理工艺性能第一节第一节 静载时材料的力学性能静载时材料的力学性能材料的力学性能材料的力学性能 指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有强度、塑性、强度、塑性

2、、硬度、冲击韧度硬度、冲击韧度和和疲劳强度疲劳强度等。等。材料的性能材料的性能强度与塑性强度与塑性 作用在机件上的外力载荷FFF=F （MPa）外力 内力应力FF静载荷动载荷=F/SSFSF一一.常用术语常用术语1.1.应力与应变应力与应变应力：应力：物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。同截面垂直的称为同截面垂直的称为“正应力正应力”或或“法向应力法向应力”，同，同截面相切的称为截面相切的称为“剪应力剪应力”或或“切应力切应力”。0lkl0dFFkd拉伸前拉伸前拉伸后拉伸后应变：应变：物体形状尺寸所发生的物体形状尺寸所发生的相对改变。相对改变。物体内

3、部某处的线段在变形后物体内部某处的线段在变形后长度的改变值同线段原长之比长度的改变值同线段原长之比值称为值称为“线应变线应变”0ll（1 1）弹性变形：）弹性变形：材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来形状，这种形状，这种随外力消失而消失的变形随外力消失而消失的变形，称为，称为弹性变形弹性变形。2.2.两种基本变形两种基本变形FFF （2 2）塑性变形）塑性变形:材料在外力作用下材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形产生永久的不可恢复的变形，称为称为塑性变形塑性变形。FFF拉伸试验拉伸试验0lkl0dFFLkd拉伸前拉伸前拉伸后拉伸后

4、kbb 极限载荷点Fee 弹性极限点sS 屈服点K 断裂点拉伸曲线l应力应变曲线0SF0llsFeFbFo材料的拉伸曲线材料的拉伸曲线1 1、oeoe段段：直线、弹性变形：直线、弹性变形2 2、eses段段：曲线、弹性变形：曲线、弹性变形+塑性变形塑性变形5 5、b b点点出现缩颈现象，即试样局部出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低，截面明显缩小试样承载能力降低，拉伸力达到最大值，而后降低，但拉伸力达到最大值，而后降低，但变形量增大，变形量增大，K K点时试样发生断裂。点时试样发生断裂。3 3、s ss s段段：水平线（略有波动）：水平线（略有波动）明显的塑性变形屈服现象，作用

5、明显的塑性变形屈服现象，作用的力基本不变，试样连续伸长。的力基本不变，试样连续伸长。4 4、s sb b曲线曲线：弹性变形：弹性变形+均匀塑性变形均匀塑性变形 s1 1强度强度材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。（1 1）弹性极限弹性极限（e e）指金属材料能保持弹性变形的最大应力。指金属材料能保持弹性变形的最大应力。e e=F=Fe e/S/S0 0 （MPaMPa）它表征了材料抵抗弹性变形的能力。（2 2）屈服强度屈服强度（S）指材料在外力作用下，产生屈服现象时的最小应力。指材料在外力作用下，产生屈服现象时的最小应力。S S=Fs/S=F

6、s/S0 0 （MPaMPa）它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。当材料单位面积上所受的应力 e es s时，材料将产生明显的塑性变形。条件屈服强度:0.2=F 0.2/S0 （MPa）屈服强度屈服强度 是塑性材料选材和评定的依据。是塑性材料选材和评定的依据。2.0s0.2%l0 2.0FbkFesl 对于低塑性材料或脆性材料：对于低塑性材料或脆性材料：b=Fb/S0 （MPa）（3 3）抗拉强度）抗拉强度（b）抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。抗拉强度抗拉强度 是脆性材料选材的依据。是脆性材料选

7、材的依据。物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力屈服强度与抗拉强度的比值 S S/b称为屈强比。屈强比小，工程构件的可靠性高，说明即使外载荷或某些意外因素使金属变形，也不至于立即断裂。但若屈强比过小，则材料强度的有效利用率太低。2.2.塑性塑性常用常用 和和 作为衡量塑性的指标。作为衡量塑性的指标。伸长率：材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。断面收缩率:%10000lllk%10000ssskF0d0lklFLkd良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。3 3刚度刚度 在弹性阶段：材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力称为刚度。

8、材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力称为刚度。比例系数比例系数E 称为弹性模量，它反映材料对弹性变形称为弹性模量，它反映材料对弹性变形的抗力，代表材料的的抗力，代表材料的“刚度刚度”。lFEE所以：E 材料抵抗弹性变形的能力越大。材料抵抗弹性变形的能力越大。弹性模量的大小主要取决于材料的本性，随温度升高而弹性模量的大小主要取决于材料的本性，随温度升高而逐渐降低。逐渐降低。4 4、硬度、硬度n定义：材料抵抗表面局部弹塑性变形的能力。定义：材料抵抗表面局部弹塑性变形的能力。1)1)布氏硬度布氏硬度HBHB)(2102.022dDDDFHB布氏硬度计布氏硬度计n压头为钢球时压头为钢球时，布氏硬度用符号

9、，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度表示，适用于布氏硬度值在值在450以下的材料。以下的材料。n压头为硬质合金球时压头为硬质合金球时，用符号，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。以下的材料。l120HBS10/1000/30 表表示直径为示直径为10mm的钢球在的钢球在1000kgf载荷作用下保持载荷作用下保持30s测得的布氏硬度测得的布氏硬度值为值为120。布氏硬度压痕布氏硬度压痕表示方法：表示方法：硬度值+HBS(HBW)+D+F+tn布氏硬度的优点：布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。测量误差小，数据稳定。n缺点：缺点：压痕大，不能用于太薄件

10、、成品件及比压头还硬的材压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。料。n应用：应用：适于测量适于测量退火、正火、调质钢退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的铸铁及有色金属的硬度。硬度。n材料的材料的 b与与HB之间的经验关系：之间的经验关系：对于低碳钢对于低碳钢:b(MPa)3.6HB 对于高碳钢：对于高碳钢：b(MPa)3.4HB 对于铸铁：对于铸铁：b(MPa)1HB或或 b(MPa)0.6(HB-40)2)洛氏硬度洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度计n洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HR表示，表示，HR=k-(h1-h0)/0.002n根据压头类型

11、和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。n符号符号HR前面的数字为硬度值，前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。后面为使用的标尺。lHRA用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料,如硬如硬质合金、表淬层和渗碳层。质合金、表淬层和渗碳层。lHRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料,如有如有色金属和退火、正火钢等。色金属和退火、正火钢等。lHRC用于测量中等硬度材料，如用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。调质钢、淬火钢等。l洛氏硬度的优点：洛氏硬度的优点：操作简便，压操作简便，压痕小，适用范围广。痕小，适用范围广。l缺点：缺点：测

12、量结果分散度大。测量结果分散度大。钢球压头与钢球压头与金刚石压头金刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕3)3)维氏硬度维氏硬度维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕n维氏硬度用符号维氏硬度用符号HV表示表示，符号前的数字为硬度值，后面的符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。n维氏硬度保留了布氏硬度和维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。洛氏硬度的优点。小负荷维氏硬度计小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计显微维氏硬度计1 1冲击韧度（冲击韧性）冲击韧度（冲击韧性）A AKUKU=mg=mg（H

13、H1 1 H H2 2）（）（J J）=A AKUKU/S /S （J/cmJ/cm2 2）材料抵抗冲击载荷而不破坏材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力。的能力。1H2H第二节第二节 动态时材料的力学性能动态时材料的力学性能n材料的材料的值愈值愈大大，韧性就愈好韧性就愈好；材料的；材料的值愈值愈小小，材料材料的脆性愈大的脆性愈大n通常把通常把值值小小的材料称为的材料称为脆性材料脆性材料n研究表明，材料的研究表明，材料的值随试验值随试验温度的降低而降低温度的降低而降低。加载速度越快，温度越低，表面及冶金质量越差，加载速度越快，温度越低，表面及冶金质量越差，在值在值越低。越低。TITANIC建造中的建造

14、中的Titanic 号号TITANIC的沉没的沉没与船体材料的质量与船体材料的质量直接有关直接有关Titanic 号钢板号钢板（左图）（左图）和和近代船用钢板近代船用钢板（右图）（右图）的冲击试验结果的冲击试验结果Titanic近代船用钢板近代船用钢板2 2疲劳强度疲劳强度n工程上一些机件工作时受交变应力或循环应力作用，即使工作工程上一些机件工作时受交变应力或循环应力作用，即使工作应力低于材料的应力低于材料的 s ，但经过一定循环周次后仍会发生断裂，这，但经过一定循环周次后仍会发生断裂，这样的断裂现象称之为样的断裂现象称之为疲劳。疲劳。n据统计，约据统计，约80%80%的机件失效为疲劳破坏。的

15、机件失效为疲劳破坏。n当零件所受的应力低于某一值时，即使循环周次无穷多也不发当零件所受的应力低于某一值时，即使循环周次无穷多也不发生断裂，称此应力值为生断裂，称此应力值为疲劳强度疲劳强度或或疲劳极限疲劳极限1N0N钢：有色金属：N0 循环基数影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素:内部缺陷、表面划痕、残留应力等内部缺陷、表面划痕、残留应力等 有的大型转动零件、高压容器、桥梁等，常在其工件应力远低于 S S的情况下突然发生断裂低应力脆性断裂。1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂北极星导弹北极星导弹第三节第三节 断裂韧度（断裂韧性）断裂韧度（断裂韧性）n产生这种现象的原因与机件内部存在

16、着微裂纹和其它缺陷以及它们的扩展。裂纹扩展的基本形式裂纹扩展的基本形式2/1)(cca n材料中存在裂纹时，在裂纹尖端就会产生应力集中，从而形成裂纹尖端应力场。应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。aYKI Y为与裂纹形状、加载方式和试样几何尺寸有关的无量纲系数CCICaYK C为断裂应力，aC为临界裂纹半长nK KIC，材料必发生裂纹失稳扩展而脆断。nK KIC，材料中裂纹不扩展或扩展缓慢。KIC可通过试验来测定，它与材料成分、热处理及加工工艺等有关n随应力的增大，KI不断增大，当KI增大到某一定值时，这可使裂纹前沿的内应力大到足以使材料分离，从而导致裂纹突然扩展，材料快速发生断裂

17、。n这个应力强度因子的临界值，称为材料的断裂韧度，用KIC表示。n断裂韧性：材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。力学性能力学性能bs强度塑性刚度硬度韧性疲劳强度三、力学性能与失效形式的关系三、力学性能与失效形式的关系失效形式失效形式断裂塑性变形过量弹变磨损材料性能总结材料性能总结决定材料性能实质：决定材料性能实质：构成材料原子的类型：构成材料原子的类型：材料的成分描述了组成材料的元素材料的成分描述了组成材料的元素种类以及各自占有的比例。种类以及各自占有的比例。材料中原子的排列方式：材料中原子的排列方式：原子的排列方式除了和元素自身原子的排列方式除了和元素自身的性质有关以外，还和材料经历的生产加工过程有密切的性质有关以外，还和材料经历的生产加工过程有密切的关系。的关系。研究的意义：研究的意义：1.性能决定了材料的用途。性能决定了材料的用途。2.性能决定了材料和零部件生产方法。性能决定了材料和零部件生产方法。3.性能的变化规律为改变材料性能达到人们需求提供途径。性能的变化规律为改变材料性能达到人们需求提供途径。