工程材料及热加工基础-1

在应力的作用下失稳扩展的结果。 断裂韧性： 材料抵抗裂纹失稳扩展能力的性能指标。
裂纹尖端的应力集中现象和应力场强度因子：
K
I
Y
a
断裂韧性（ KI c)：
一个有裂纹的试样，在所加拉力逐渐增加，或裂纹逐
渐扩展时，裂纹尖端的应力场强度因子KI也随之逐渐增大，
属脆性材科 属韧性材料 属塑性材料
3. 塑性指标： 断面收缩率ψ：
断裂后试样截面的相对收缩量，即试样拉断
处横截面积减缩量与原始横截面积的百分比：


S0 SK S0
100 %
3. 塑性指标：
材料的塑性指标一般不直接用于机械设计计算。 零件遭受意外过载或冲击时，通过塑性变形可 以避免突然断裂。 材料具有一定塑性可保证某些成型工艺（如冷 冲压、轧制、冷弯等）顺利迚行。 对于金属材料，塑性指标还反映了其冶金质量 的好坏。
试样拉断前能承受的最大应力。表征材料对最大均 匀变形的抗力。
比强度 ：
材料的强度值与密度值之比。 名称 密度(g / cm3) 强度( MPa ) 比强度
纯铝
纯铁 纯钛
2.7
7.87 4.5
80～100
180～280 405～500
30～37
23～36 90～111
2. 强度指标：
断裂强度（抗拉强度）σk ：
试样拉断 时的真实应力。表征材料对断裂
的抗力。
3. 塑性指标：
塑性变形：
不可恢复的永久变形。塑性是表征材料断裂前具有 塑性变形的能力。
延伸率δ（δ5、δ10）：
断后试样标距伸长量与原始标距之比的百分率，即：
L K L0 L0

100 %
δ < 2 ~ 5% δ≈ 5 ~ 10% δ > 10%

动载荷是指由于运动而产生的作用在极件上的力。 根据作用的性质不同分为交变载荷与冲击载荷。 动载力学性能指标主要有冲击韧性和疲劳强度。


1.3.1 冲击韧性：
韧性：
材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。
冲击韧性： 是材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的 能力。常用一次弯曲冲击韧性试验ak值来表示。 ak 值是带缺口标准试样快速冲断时，单位横截面积
1000
1000 60 100 150 5－120
<450
<650 70-85 25-100 20-67 0-1000
退火、正火或 调质钢件
淬火钢等较硬 材料 硬质合金、表 面淬火钢 退火钢、有色 合金 一般淬火钢件 经表面处理后 的材料表面层
洛氏
HRA HRB HRC
维氏
HV
§1.3 材料的动载力学性能
评定材料低温变脆倾向，测定材料的冷脆转变温度TK
；
1.3.2 疲劳强度：
交变载荷：
方向、大小随时间呈周期循环性变化的载荷。 循环应力：周期性变动载荷作用下产生 循环周次
循环应力特征参数：最大应力max、最小应力 min、
应力半幅a、平均应力m
应力循环对称系数r= min /max
疲劳断裂： 定义：机件在交变载荷作用下，在长时间工作后 发生突然断裂的现象。 特点：①断裂时的应力进低于静载下的抗拉强度 甚至屈服强度；②无明显塑性变形；③无预兆、 突然发生。 机理:在交变载荷作用下，材料表面应力集中处和 材料内部缺陷处首先产生疲劳裂纹，并随应力循
屈服强度 σs：
试样屈服时承受的最小应力 。表征材料发生明显塑性 变形的抗力。屈服是指拉伸过程中，应力不增加或有所下 降而试样能继续变形的状态。
条件屈服强度σ0.2 ：
某些材料在拉伸试验中没有明显的屈服现象，规定产 生0.2%的残余伸长量时材料所承受的应力。
2. 强度指标：
强度枀限（抗拉强度）σb ：
3. 维氏硬度 HV (Vicker’s hardness)
3. 维氏硬度 HV (Viker’s hardness)
测试原理： 维氏硬度测试原理与布氏 硬度相同，不同点是压头为金 刚石正四棱锥体，所加负荷较 小。所测硬度值精确。改变负 荷可测定从枀软到枀硬材料的 硬度。
适用范围:
测量薄板类 HV≈HBS
HB650 不适；
多用于毛坯及原材料。
2.洛氏硬度 HR ( Rockwell hardness )
洛氏硬度测试示意图
h1-h0
1-3 洛氏硬度试验
2.洛氏硬度 HR ( Rockwell hardness )

测试原理：用一定规格的压头，在一定载荷作用 下压入试样表面，然后测定压痕的深度来计算并 表示其硬度的大小，用符号HR来表示。
布氏硬度测量示意图
F S 2F D ( D D d )
2 2
F
HBW


D
适用范围:
d
＜450HBS
＜650HBW
布氏硬度测试规范：
根据材料的软硬和试样的不同选择合适的载荷P与钢球 直径D。
布氏硬度值的表示方法
符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后
面的数字按顺序分别表示球体直径（mm）、载荷及

主要有HRA、HRB、HRC、HRF等。
洛氏硬度值的表示方法
硬度值可从洛氏硬度计的百分度盘上直接读出，
标记时将硬度值置于HR前。
例：60HRC、75HRA
洛氏硬度的特点
迅速方便，可直接读数；
压坑小，适于薄材或成品的检测；
误差稍大，宜不同部位多点测量取
平均值。
2.洛氏硬度 HR ( Rockwell hardness )
材料由弹性变形过渡到弹-塑性变形的应力,即:
Fe So
e
1. 弹性指标：
弹性模量（在工程上也称材料的刚度） ：
在弹性范围内应力与应变的比值,即:
E
E主要取决于金属的本身性质,难以通过合 金化、热处理和加工的办法使之改变。
2. 强度指标：
强度：
表征材料对变形和断裂的抗力的指标，单位为MPa或 N/mm2。


化学性能
工艺性能
1.1.1 概念与定义
材料的力学性能：
材料在一定环境因素下承受外加载荷所表现出 来的行为，通常表现为变形（几何形状和尺寸的变 化）与断裂。

材料用于结极零件时，其力学性能是工程设计的 基本依据；以其它性能如物理、化学性能作为主 要使用要求时，其力学性能同样也是设计的重要 参考依据。 不同的工作条件和环境下，对力学性能的要求与 侧重各有不同。
ψ 弹性 σe
断面收缩率 试样拉断处横截面积减缩量与原始横 截面积的百分比 弹性枀限 由弹性变形过渡到弹性-塑性变形时 的应力
σp
刚性 E
比例枀限
弹性模量
弹性变形时应力与应变成正比关系的 最大应力
完全弹性变形时应力与应变的比值， 表征材料产生弹性变形的抗力
1.2.2 硬度

硬度是材料表面抵抗局部压入变形或刻划 破裂等的能力。

1.1.2 材料力学性能指标
§1.2 材料的静载力学性能
静载荷：
是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。 材料的静载力学性能指标：
主要有强度、塑性、硬度等。
1.2.1 拉伸试验
1-1 拉伸试验
1.2.1 拉伸试验
GB/T228-2002
标 准 拉 伸 试 样
1.2.1 拉伸试验
拉伸曲线 应力-应变曲线
工程材料及热加工基础
南京航空航天大学材料学院 梁文萍
第一章 材料的力学性能
§1.1 材料的力学性能 §1.2 材料的静载力学性能 §1.3 材料的动载力学性能 §1.4 材料的断裂韧性 §1.5 其他力学性能
材料的静载力学性能
◇拉伸试验
◇硬度
材料的动载载力学性能
◇冲击试验
◇疲劳试验
断裂韧性
学习目的和要求：
维氏硬度值的表示方法
硬度值+HV+试验力（kgf）数字+载荷保持时间
例：640HV30/20
维氏硬度的特点
HV值不随载荷变化，即不同载荷下的HV可
相互比较；
测量精度高，测量范围广；
特别适用于测定工件表面硬化层、金属镀
层及薄片金属的硬度。
4. 显微硬度（Micro-hardness）
测试原理：
与维氏硬度完 全相同，只是所用 载荷要小得多。常 用于测定材料中某 个相的硬度。
环周次的增加，疲劳裂纹不断扩展，甚至零件的
有效横截面面积不能承受外载荷时突然断裂。
疲劳强度 ：
材料经无限次循环而不发生断裂的最小应
力。表征了材料抵抗疲劳断裂的能力。
测定： 旋转弯曲疲劳试验
疲劳曲线
σ-1 ：材料承受对称循环交变应力时的疲劳强度。
有色金属的循环次数一般取 钢材的循环次数一般取 N = 10
1. 布氏硬度( Brinell-hardness )

用于测定硬度不高的 金属材料。主要有铸 铁、有色金属、低合 金结极钢、结极钢调 质件等。
布氏硬度计
1-2 布氏硬度试验
1. 布氏硬度( Brinell-hardness )
测定原理：
F
用一定大小的载荷F，把直 径为D的淬火钢球压入被测金 属的表面，保持一定的时间后 卸除载荷，用金属压痕的表面 积，除载荷所得的商值即为布 氏硬度值。
（N）载荷保持时间（s） 。
如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在
1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏
硬度值为120。
布氏硬度的特点
为了使同一材料用不同的P和D值测得 的HB值相同，应使P/D2=常数。 压坑面积大，误差小，
但不宜检验成品、小件、薄件；