第一章金属材料的力学性能
第一章 金属材料的力学性能
度
A、C标尺为100
B标尺为130
机 械 制
造
基
础
§1.2 硬度
第一章 金属材料的力学性能
二、洛氏硬度
标注——用符号HR表示， A标尺HRA B标尺HRB C标尺HRC
如： 42 HRA
机
械
硬度值 A标尺
制
造
基
础
§1.2 硬度
第一章 金属材料的力学性能
三、维氏硬度 测定原理——基本上和布氏硬度相同，只是所用 压头为金刚石正四棱锥体
冲击韧度高
机
•冲击能量高时， --材料的冲击韧度主要取决于材料的塑性，塑性高则
韧度高
械 制
造
基
础
第一章 金属材料的力学性能
第一章 金属材料的力学性能
§1.1 强度和塑性
§1.2 硬度
§1.3 冲击韧度
§1.4 疲劳强度
本章小结
机
械
制
造
基
础
§1.4 疲劳强度
第一章 金属材料的力学性能
疲劳强度
Sl110000%%Sl10lS0 110100%0%
Sl 二者的值越大塑性越好 00
lS0 0
机 械 制
原始原横始截标面距积
试样拉试断样后断的裂标处距截面积
造 基
础
第一章 金属材料的力学性能
第一章 金属材料的力学性能
§1.1 强度和塑性
§1.2 硬度
§1.3 冲击韧度
§1.4 疲劳强度
本章小结
第一章 金属材料的力学性能
由主金要属内材容料：制成的零、部件，在工作过
程中金都属要材承料受的外力力学性(或能称指载标荷和) 测作试用方而法产，
金属材料的力学性能
第一章金属材料的力学性能机械制造中使用的材料品种很多，为了正确使用材料，并把它加工成合格的工件，必须掌握材料的使用性能和工艺性能。
使用性能，是指为保证工件正常工作材料应具备的性能，包括力学性能、物理和化学性能等。
工艺性能，是指材料在加工过程中所表现出来的性能，包括铸造性能、锻压性能、焊接性能和切削加工性等。
所谓力学性能，是指材料在外力作用下所表现出来的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等，是设计机械零件时选材的重要依据。
这些性能指标是通过试验测定的。
第一节刚度、强度、塑性刚度、强度和塑性是根据试验测定出来的。
将材料制成标准试样(图1-1a)，然后把试样装在试验机上施加静拉力，随着拉力的增加试样逐渐变形，直到拉断为止(图1-1b)。
将试样从开始到拉断所受的力F 及所对应的伸长量ΔL绘制在F—ΔL坐标上，得出力一伸长曲线。
低碳钢的力一伸长曲线如图1—2所示。
从图1—2可知，在OE 阶段，试样的伸长量随拉力成比例增加，若去除拉力后试样恢复原状，这种变形称为弹性变形。
超过E 点后，若去除拉力试样不能完全恢复原状，尚有一部分伸长量保留下来，这部分保留下来的变形称为塑性变形。
当拉力增加到F s 时，力一伸长曲线在S 点呈现水平台阶，即表示外力不再增加而试样继续伸长，这种现象称为屈服，该水平台阶称为屈服台阶。
屈服以后，试样又随拉力增加而逐渐均匀伸长。
达到B 点，试样的某一局部开始变细，出现缩颈现象。
由于在缩颈部分试样横截面积迅速减小，因此使试样继续伸长所需的拉力也就相应减小。
当达到K 点时，试样在缩颈处断裂。
低碳钢在拉伸过程中经历了弹性变形、弹一塑性变形和断裂三个阶段。
F —ΔL 曲线与试样尺寸有关。
为了消除试样尺寸的影响，把拉力F 除以试样原始横截面积A0，得出试样横截面积上的应力，同时把伸长量ΔL 除以试样原始标距L 0，得到试样的应变LL ε∆=0F A σ=σ—ε曲线与F —ΔL 曲线形状一样，只是坐标不同。
金属材料的力学性能
第1章工程材料1.1 金属材料的力学性能金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。
使用性能是指金属材料在使用过程中应具备的性能，它包括力学性能（强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等）、物理性能（密度、熔点、导热性、导电性等）和化学性能（耐蚀性、抗氧化性等）。
工艺性能是金属材料从冶炼到成品的生产过程中，适应各种加工工艺（如：铸造、冷热压力加工、焊接、切削加工、热处理等）应具备的性能。
金属材料的力学性能是指金属材料在载荷作用时所表现的性能。
1.1.1 强度金属材料的强度、塑性一般可以通过金属拉伸试验来测定。
１．拉伸试样图1.1.1拉伸试样与拉伸曲线２．拉伸曲线拉伸曲线反映了材料在拉伸过程中的弹性变形、塑性变形和直到拉断时的力F时，拉伸曲线Ｏｐ为一直线，即试样的伸长量与载荷学特性。
当载荷不超过p成正比地增加，如果卸除载荷，试样立即恢复到原来的尺寸，即试样处于弹性变形阶段。
载荷在Ｆｐ－Ｆｅ间，试样的伸长量与载荷已不再成正比关系，但若卸除载荷，试样仍然恢复到原来的尺寸，故仍处于弹性变形阶段。
当载荷超过Ｆｅ后，试样将进一步伸长，但此时若卸除载荷，弹性变形消失，而有一部分变形当载荷增加到Ｆｓ时，试样开始明显的塑性变形，在拉伸曲线上出现了水平的或锯齿形的线段，这种现象称为屈服。
当载荷继续增加到某一最大值Ｆｂ时，试样的局部截面缩小，产生了颈缩现象。
由于试样局部截面的逐渐减少，故载荷也逐渐降低，试样就被拉断。
３．强度强度是指金属材料在载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。
（１） 弹性极限金属材料在载荷作用下产生弹性变形时所能承受的最大应力称为弹性极限，用符号σｅ 表示：（２） 屈服强度金属材料开始明显塑性变形时的最低应力称为屈服强度在拉伸试验中不出现明显的屈服现象，无法确定其屈服点。
所以国标中规定，以试样塑性变形量为试样标距长度的０．２％时，材料承受的应力称为“条件屈服强度”，并以符号σ０．２ 表示。
１.1.2 塑性金属材料在载荷作用下，产生塑性变形而不破坏的能力称为塑性。
金属材料的力学性能
第1章 金属材料的力学性能
二、洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness ) 1、测量原理
10HRC≈HBS
洛氏硬度测试示意图
第1章 金属材料的力学性能
三、维氏硬度 HV
1、测量原理:
第1章 金属材料的力学性能
2、表示方法： 符号HV。标注时，硬度值写在符号之前，如666HV
3、特点： 维氏硬度试验的测试精度较高，测试的硬度范围大，被测试样的厚度 或表面深度几乎不受限制(如能测很薄的工件、渗氮层、金属镀层等)。 但是, 维氏硬度试验操作不够简便，试样表面质量要求较高，故在生 产现场很少使用。
抗拉强度为设计机械零件和选材的主要依据。
σe σs σb
第1章 金属材料的力学性能
(二)疲劳强度
工程上规定，材料经无数次重复循环（交变）载荷作用而不发生 断裂的最大应力称为疲劳强度。表示材料经无数次交变载荷作用而 不致引起断裂的最大应力值。
钢材的循环次数一般取 N = 107 有色金属的循环次数一般取 N = 108
主要指标: 强度、塑性、冲击韧性和硬度。
第1章 金属材料的力学性能
1.1 强度
按照载荷的性质，金属材料的强度有静强度、疲劳强度和 冲击强度。一般意义上的强度是指静强度。
(一)强度 一、拉伸试验
1.拉伸试样 标准试样(按GB/T6397-1986规定) 常用圆截面拉伸试样 : 长试样：L0=10d0 短试样：L0=5d0
钢铁材料的疲劳曲线
第1章 金属材料的力学性能
疲劳的危害:
材料力学性能
断面收缩率（ψ）：
ψ ＝（S0－S1）/S0×100%
式中 L0－试样的原始长度
L1－试样拉断时的标距长度
S0－试样的原始截面积
S1－试样断裂处的横截面积
δ和ψ愈大，则塑性愈好。良好的塑性是金属 材料进行塑性加工的必要条件。
三、硬度
硬度：金属材料表面抵抗局部变形的能力
最常用的硬度指标有：布氏硬度（HB)、洛 氏硬度 (HR系列)和维氏硬度（HV）。
有些机件在工作时要受到高速作用的载荷冲击， 如锻压机的锤杆、冲床的冲头、汽车变速齿轮、 飞机的起落架等。
瞬时冲击引起的应力和应变要比静载荷引起的 应力和应变大得多，因此在选择制造该类机件 的材料时，必须考虑材料的抗冲击能力，即冲 击韧度。
TITANIC
TITANIC的沉没与船体材料脆性断裂失效有关!!!
冲击韧度：金属材料抵抗冲击载荷作用而不破
坏的能力。常用一次摆锤冲击试验来测定金属
材料的冲击韧度(大能量、一次冲断）。
试验表明，在冲击载荷不太大的值对组织缺陷很敏感，因此冲击试验是生 产上用来检验冶炼、热加工、热处理等工艺质 量的有效方法。
2F
N mm2
D(D D2 d 2 )
式中：F—试验力，N；D—压头 的直径,mm
2.洛氏硬度
试验时，先加初试验 力（预载荷），然后 加主试验力，压入试 样表面之后，去除主 试验力，在保留初试 验力的情况下，根据 试样残余压痕深度增 量来衡量试样的硬度 大小。
洛氏硬度试验原理图
四、冲击韧度（ak）
第一章 金属材料的力学性能
金属材料力学性能指标主要包括：强度、塑性、 硬度、韧性、疲劳强度等。
金属的力学性能
(2)抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力。 抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力。 抗拉强度
1）、它表示材料抵抗断裂的能力。 ）、它表示材料抵抗断裂的能力。 ）、它表示材料抵抗断裂的能力 2）、是零件设计的重要依据；也是评定 ）、是零件设计的重要依据； ）、是零件设计的重要依据 金属强度的重要指标之一。 金属强度的重要指标之一。
拉伸试样
第一节 强度和塑性
• 2.拉伸过程 拉伸过程
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
拉伸试验机
3.拉伸曲线 拉伸曲线
F
e p s b k
拉伸的四个阶段
1、oe段: 弹性变形阶段。(op段：比 例 弹性变形阶段；pe段：非比例弹性变 形阶段；) 2、es段：屈服阶段。平台或锯齿。 3、sb段：强化阶段。均匀塑性变形阶段。 *b点：形成了“缩颈”。 ∆l
σe σs σb
F σb = A
b
试样断裂前的最大载荷(N) 试样断裂前的最大载荷 ( M Pa )
0
试样原始横截面积( 试样原始横截面积 mm2)
三、塑性: 塑性
是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。 是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。 1、断面收缩率: 是指试样拉断处横截面积的收 、断面收缩率 与原始横截面积A 缩量∆ A与原始横截面积 0之比。 与原始横截面积 之比。 A0 - A 1 ψ = ——-—× 100% × A0 2、伸长率 是指试样拉断后的标距伸长量∆ L 、伸长率: 与原始标距L 之比。 与原始标距 0之比。 l 1 - l0 δ = ——-—× 100% × l0
e
σe 3.弹性极限 弹性极限: 弹性极限 Fe σe = A0 弹性极限载荷( 弹性极限载荷 N ) ( M pa ) 试样原始横截面积( 试样原始横截面积 mm2)
工程材料 第1章-金属材料的力学性能解读
F0 F1 100% 断面收缩率： F0
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
断裂后
第二节 硬度
材料抵抗其他更硬物质压入其表 面的能力，是表面局部变形的能力。 1、布氏硬度HB
HB 0.102 2P
D( D D 2 d 2 )
布 氏 硬 度 计
压头为钢球时，布氏硬度用符号 HBS表示，适用于布 氏硬度值在450以下的材料。 压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏 硬度在650以下的材料。
体心立方金属具有韧脆转
变温度，而大多数面心立 方金属没有。
韧脆转变温度。
建造中的Titanic 号
TITANIC
TITANIC的沉没
与船体材料的质量
直接有关
Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板 （右图）的冲击试验结果
Titanic
近代船用钢板
第四节 疲劳强度
疲劳：材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂 的现象。
式中，σ—应力，单位MPa ;
F—外力，单位N; S—横截面积，单位mm2。
材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为 变形。 外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形。 外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。
五万吨水压机
第一节 强度和塑性
强度：材料在外力作用下抵
抗变形和破坏的能力。 屈服强度s：材料发生微 量塑性变形时的应力值。 单位是Mpa。
显微维氏硬度计 小 负 荷 维 氏 硬 度 计
第三节 冲击韧性
是指材料抵抗冲击载荷作 用而不破坏的能力。
指标为冲击
韧性值Ak(通
过冲击实验
测得)。
韧脆转变温度
材料的冲击韧性随温度 下降而下降。在某一温 度范围内冲击韧性值急 剧下降的现象称韧脆转 变。发生韧脆转变的温
第一章 金属材料的力学性能
Fb σb= S0
四、塑性的衡量（塑性指标）：伸长率 δ和断面收缩率 Ψ 塑性的衡量（塑性指标）：伸长率 和断面收缩率 ）：
1）伸长率（ δ ） ）伸长率（ 伸长率是指试样拉断 后标距增长量与原始 标距的百分比，即： 标距的百分比，
lk-l0 δ=
×100%
l0
lk——试样拉断后的标距 试样拉断后的标距,mm; 试样拉断后的标距 l0——试样的原始标距 。 试样的原始标距,mm。 试样的原始标距
第一章 金属材料及热处理基础知识
应用于各种工程领域中的材料，如在机械工业中，建筑及桥 应用于各种工程领域中的材料，如在机械工业中，建筑及桥 于各种工程领域中的材料 等等， 统称为工程材料。 梁中，等等，——统称为工程材料。 统称为工程材料 其中用来制造各种机电产品的材料 用来制造各种机电产品的材料， 称为机械工程材料 其中用来制造各种机电产品的材料，——称为机械工程材料 称为机械工程材料. 主要包括： 主要包括： 1）金属材料：钢，铸铁，铜及铜合金，等等。 铸铁，铜及铜合金，等等。 ）金属材料： 2）非金属材料：塑料，橡胶，工业陶瓷，等等。 ）非金属材料：塑料，橡胶，工业陶瓷，等等。 3）复合材料：由两种或两种以上性质不同的材料复合而成的 ）复合材料： 多相材料。 多相材料。 金属材料是制造机器的最主要材料。 金属材料是制造机器的最主要材料。 是制造机器的最主要材料 1、金属材料按含金属元素数量的多少分为： 、金属材料按含金属元素数量的多少分为： 1）纯金属 一种金属 一种金属). ）纯金属(一种金属 2）合金（以一种金属为基 其他金属或非金属） 其他金属或非金属） ）合金（以一种金属为基+其他金属或非金属
刚度、强度、 第一节 刚度、强度、塑性
刚度、强度、弹性和塑性是根据拉伸试验测定出 塑性是根据拉伸试验 刚度、强度、弹性和塑性是根据拉伸试验测定出 来的。 来的。 一、拉伸试验与拉伸曲线 1、拉伸试样 试验前在试棒上打出标距 试验前在试棒上打出标距 按国标规定标准拉伸试样可分为： 按国标规定标准拉伸试样可分为： 板形试样： １) 板形试样：原材料为板材或带材 圆形试样：长试样L 短试样L ２) 圆形试样：长试样L0＝10d0，短试样L0=5d0 其中： 为试样标距， 其中：L0为试样标距，d0为试样直径
金属材料的力学性能
钢铁材料：107次 非铁合金：108次
1
2
n
-1
N1 N2 Nn
Nc
N
Hale Waihona Puke 疲劳曲线部分工程材料的疲劳极限σ
-1（MPa）
三、提高材料疲劳极限的途径
1、设计方面 尽量使用零件避免交角、缺口和截面 突变，以避免应力集中及其所引起的疲劳裂纹。 2、材料方面 通常应使晶粒细化，减少材料内部存 在的夹杂物和由于热加工不当引起的缺陷。如疏 松、气孔和表面氧化等。 3、机械加工方面 要降低零件表面粗糙度值。 4、零件表面强化方面 可采用化学热处理、表面淬 火、喷丸处理和表面涂层等，使零件表面造成压 应力，以抵消或降低表面拉应力引起疲劳裂纹的 可能性。
二、洛氏硬度
1、洛氏硬度测量原理
洛氏硬度HR=K-h/s
式中，K为给定标尺的硬度数，S为给定标尺的单位， 通常以0.002为一个硬度单位。
洛氏硬度试验原理图
2、常用洛氏硬度标尺及适用范围
标 尺 硬度 符号 所用压 总试验力 头 F/N 适用范 围①HR 应用范围
A
HRA
金刚石 圆锥
588.4 20—88
一、布氏硬度
布氏硬度试验示意图
1、布氏硬度试验原理
HB 0.102 2P(N)
D(D - D 2 - d 2 )
式中 P—试验力（N）； d—压痕平均直径（mm）； D—硬质合金球直径（mm）
2、选择试验规范
根据被测金属材料的种类和试样厚度、选用不同大小的球 体直径D，施加的试验力F和试验力保持时间，按表1—1所 列的布氏硬变试验规范正确选择 。
3、试验优缺点
优点：与布氏、洛氏硬度试验比较，维氏硬度试验不存在 试验力与压头直径有一定比例关系的约束；也不存在压头 变形问题，压痕轮廓清晰，采用对角线长度计量，精确可 靠，硬度值误差较小。 缺点：其硬度值需要先测量对角线长度，然后经计算或查 表确定，故效率不如洛氏硬度试验高。
金属材料的力学性能
• •
ae =1/2×ζ e× ε e 弹簧是典型的弹性零件，要求有较大 的弹性比功。弹簧在实际工作中起缓冲和 存储能量作用。 • 实际设计时通过提高弹性极限ζ e ，提 高弹簧的弹性比功。
• 三、强度 • 强度是金属材料在外力的作用下，抵
抗变形和断裂的能力。根据零件的工作状 态不同分为:抗拉强度、抗压强度、抗弯强 度和抗剪强度等。 • 1、屈服强度和条件屈服强度 • 拉伸试样产生屈服现象（塑变）时的 应力。 ζ s=Fs/A0 • 对于许多没有明显屈服现象的金属材 料，工程中常以产生0.2%塑性变形时的应 力，作为该材料的条件屈服强度，用ζ 表示。
• §1—4 断裂韧度 • 机械零件的传统设计一般为强度设计、
刚度校核。强度设计标准为屈服强度。 • 零件在许用应力的条件下工作，不会发 生塑性变形和断裂。 • 实际工作情况往往不同。某些零件在远 远低于屈服强度条件下工作时会发生脆性 断裂，这种情况非常危险，称为低应力脆 断。 • 研究表明低应力脆断是由宏观裂纹扩展 引起的。
• 一、裂纹扩展的基本形式 • 裂纹扩展一般分为张开型、滑开型、撕
开性三种。其中以张开型最为危险。 • 二、应力场强度因子KI • 零件表面是凹凸不平的，在凸点和凹点 最容易引起应力集中，形成应力场。裂纹 的扩展与应力场有直接的关系。衡量应力 场的大小用应力场强度因子KI。
• 三、断裂韧度KIC及其应用 • KI随着和a的增大而增大。达到一定值
• §1—1 强度、刚度、弹性及塑性 • 金属材料的强度、刚度、弹性及塑性用
拉伸试验来测量。 • 一、拉伸曲线与 应力-应变曲线 • 1、拉伸曲线 • 拉伸过程分为 弹性变形、塑性变形和 断裂三个阶段。
• 几点说明：（书中图1-2） • 试件总伸长of，其中gf为弹性变形，og
第1章-金属材料的力学性能
零件抵抗变形和断裂能力的大小，是用零件所用材料的力学性 能指标来反映的。显然，掌握材料的力学性能不仅是设计零件、 选用材料时的重要依据，而且也是按验收技术标准来鉴定材料的 依据，以及对产品的工艺进行质量控制的重要参数。
常用的力学性能有：强度、塑性、刚度、弹性、硬度、冲击韧 度、断裂韧度和疲劳等。
第一章 金属材料的力学性能
金属材料的力学性能：是指金属在不同环境因素(温度、介质)下， 承受外加载荷作用时所表现的行为。这种行为通常表现为金属的 变形和断裂。因此，金属材料的力学性能可以理解为金属抵抗外 加载荷引起的变形和断裂的能力。
在机械制造业中，大多数机械零件或构件在不同的载荷与环境 下工作。如果金属材料不具备足够的抵抗变形和断裂的能力就会 使机件失去预定的效能而损坏，即产生“失效现象”。
2)有色金属N0 取108 、不锈钢及腐蚀介质作用下N0为 106 而不断裂的最大应力，为该材料的疲劳极限。
二、疲劳曲线与疲劳极限
疲劳曲线：交变应力与疲劳寿命（循环周次N）的关系曲 线称为疲劳曲线。
1－一般钢铁材料 2－有色金属、高强度钢等
疲劳极限：材料在无限多次交变载荷作用下，而不发生疲 劳断裂的最大应力。
实际测定时，材料不可能作无数次交变载荷试验，试验时 规定：
1)钢铁材料（曲线1）取循环周次N0为107时能承受的最 大循环应力为疲劳极限。
第一节 强度、刚度、弹性及塑性
一、力．伸长曲线与应力．应变曲线 （一）力－伸长曲线
曲线分三个阶段：1.弹性变形阶段：op、pe段 2.塑性变形阶段：es、sb段 3.断裂阶段：bk段
（二）应力－应变曲线
二、刚度和弹性
（一）弹性模量 弹性模量E是指金属材料在弹性状态下的应力
工程材料第一章--金属材料的力学性能
数值越大，表明材料的断裂韧性越好！
压痕法
试样表面抛光成镜面，在显微硬度仪上，以10Kg负 载在抛光表面用硬度计的锥形金刚石压头产生一压 痕，这样在压痕的四个顶点就产生了预制裂纹。根 据压痕载荷P和压痕裂纹扩展长度C计算出断裂韧性 数值（KIC）。
第一章 金属材料的力学性能
机械零部件在使用过程中一般不允许发生塑性变形，所以 屈服强度是零件设计时的主要依据，也是评定材料强度的 重要指标之一
（三）抗拉强度
表明试样被拉断前所能承载的最大应力
σb＝ Fb / A0
Fb :试样在破断前所承受的最大载荷
➢ 表示塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力，也 表示材料抵抗断裂的强度，即断裂强度。
若F 确定，硬度值只与压痕投影的两对角线的平均长 度d有关，d越大，HV越小。
维氏硬度值一般只写数值。 硬度值+硬度符号+试验力大小（kgf）及试验力保持时 间（10-15s不标注）
提问
640HV30的具体意义？
表示在30kgf的试验载荷作用下，保持10-15s时 测得的维氏硬度值为640。
640HV30/20的具体意义？
布氏硬度值单位为N/mm2，但一般只写数值。 硬度值+硬度符号+球体直径+试验力大小及试验力保持 时间（10-15s不标注）
提问
170HBW10/1000/30的具体意义？
表示用直径10mm的硬质合金球，在9807 N(1000 kgf) 的试验载荷作用下，保持30s时测得的布氏硬度值为170。
530HBW5/750的具体意义？
➢ 抗拉强度是零件设计时的重要依据，也是评定金 属材料的强度重要指标之一。
金属材料的力学性能
(a)试样 (b)伸长 (c)产生缩颈 (d)断裂
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
（一）强度
1. 定义:强度是指金属材料抵抗塑性变形和断 裂的能力，是工程技术上重要的力学性能指 标。由于材料承受载荷的方式不同，其变形 形式也不同，分为抗拉、抗扭、抗压、抗弯、 抗剪等的强度。
最常用的强度是抗拉强度或强度极限σb。
1.变动载荷和循环应力
金属疲劳产生的原因
1.变动载荷
——引起疲劳破坏的外力，指载荷大小、甚至方
向均随时间变化的载荷，其在单位面积上的平均
值即为变动应力。
变动应力可分为规则周期变动应力(也称循环应力) 和无规则随机变动应力两种。
GB/T 228-2002新标准 名称 屈服强度① 符号 －
GB/T 228-1987旧标准 名称 屈服点 符号 σs
上屈服强度
下屈服强度 规定残余延伸 强度 抗拉强度 断后伸长率
ReH
ReL Rr Rm A或A11.3
上屈服点
下屈服点
σsU
σsL
规定残余延伸 σr 应力 抗拉强度 断后伸长率 σb δ5或δ10
第一章 金属材料的力学性能
概 述
使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、
物理性能和化学性能。
工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻 压、焊接、热处理和切削性能等。
金属材料的力学性能是指在承受各种外加载荷（拉伸、压缩、 弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时，对变形与断裂的抵抗
冲击试样
原理
冲击韧性可以通过一次摆锤冲击试验来测定，试验 时将带有U型或V型缺口的冲击试样放在试验机架 的支座上，将摆锤升至高度H1，使其具有势能 mgH1；然后使摆锤由此高度自由下落将试样冲断， 并向另一方向升高至H2，这时摆锤的势能为mgH2。 所以，摆锤用于冲断试样的能量
工程材料 第章金属材料力学性能
工程材料第章金属材料力学性能金属材料是工程领域中最常用的材料之一，其力学性能是影响其应用广泛性的主要因素之一。
本文将介绍金属材料的力学性能及其相关测试方法。
弹性弹性是物质受力后还原原状的能力，也可以理解为物质在接受外力作用后发生形变时，恢复到原来形态的能力。
材料的弹性大小是通过杨氏模量来描述的，即杨氏模量越大，材料的弹性越好。
塑性塑性是物质在外力作用下能够发生不可逆变形的性质。
材料的塑性大小是通过屈服强度来描述的，即材料在承受一定力量后，开始发生塑性变形的能力。
韧性韧性是物质在外力作用下发生断裂前能够吸收的能量的大小。
材料的韧性大小是通过抗拉伸强度和断裂韧性来描述的，即材料在受外力作用下能够承受多大的内部应力，以及在断裂前能够吸收多少能量。
硬度硬度是一种衡量材料抗划伤能力（耐磨性）的能力。
材料的硬度大小是通过摩擦因数或洛氏硬度来描述的。
相关测试方法拉伸测试拉伸测试是最常用的测试方法之一，用于测试材料的弹性和塑性。
测试时，将材料置于拉伸试验机中，对其施加外力，力逐渐增加，直到材料发生断裂。
通过拉伸测试得到材料的弹性模量、屈服强度和抗拉伸强度。
冲击测试冲击测试用于测试材料的韧性。
测试时，将样品夹在两个夹具之间，然后在样品中心以冲击枪或重锤进行打击，通过测试分析样品在冲击时发生的形变和断裂情况，得到材料的冲击韧性参数。
硬度测试硬度测试用于测试材料的硬度。
硬度测试可通过仪器测试或直接使用洛氏硬度试验仪。
直接测试需要使用钻石针、碳化硅或者硬质合金作为冲头，用一定力度压在待测试物的表面上，通过测试压头陷入材料的深度来得到硬度值。
金属材料的力学性能分为弹性、塑性和韧性三种。
弹性通过杨氏模量表示，塑性通过屈服强度表示，韧性通过抗拉伸强度和断裂韧性表示。
同时，硬度也是材料的重要力学性能之一。
测试中最常见和重要的方法为拉伸测试、冲击测试和硬度测试。
因此，金属材料的弹性、塑性、韧性和硬度数据，在实际工程材料的选择、设计与制造中具有重要意义。
金属材料的力学性能
金属材料的力学性能一、概述1、金属材料所受的载荷主要有：静载荷、冲击载荷、交变载荷2、金属材料的变形主要有：弹性变形（可恢复）、塑性变形（永久变形）3、弹性金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能回复其原来形状的性能，叫做弹性。
4、弹性变形随着外力消失而消失的变形，叫做弹性变形。
5、塑性金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致引起破坏的性能叫做塑性。
6、塑性变形在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形，叫做塑性变形。
7、刚性:金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力。
二、力学性能1、强度定义：材料在外力（载荷）作用下抵抗变形和断裂的能力。
材料单位面积所受的载荷成为应力。
屈服强度R el：在拉伸过程中，材料所受应力达到某一临界值时，载荷不在增加而变形却继续增加或产生大应力值。
单位N/mm²（条件屈服强度σ0.2）有些材料在拉伸图中没有明显的水平阶段。
为了衡量这些材料的屈服特性,规定产生永久残余变形等于一定值(一般为原长度的0.2%)时的应力,称为条件屈服强度或简称屈服强度σ0.2抗拉强度R m：材料在拉断前承受大最大应力值。
2、塑性定义：材料断裂前产生永久变形的能力断后伸长率A断面收缩率Z3、硬度定义：材料抵抗其他硬物压入的能力。
硬度测试方法：A、布式硬度测定法（HBW）HBS——压头为钢球，用于测量<450HBS HBW——压头为硬质合金,用于测量>450HBW（<650HBW）特点：布氏硬度因压痕面积较大，HB值的代表性较全面，而且实验数据的重复性也好。
由于淬火钢球本身的变形问题，不能试验太硬的材料，一般测HB450以下的材料；硬质合金可测HB450以上的材料。
由于压痕较大，不能进行成品检验。
通常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等材料的硬度。
B、洛氏硬度测定法(HRA、HRB HRC)特点：洛氏硬度HR可以用于硬度很高的材料，而且压痕很小，几乎不损伤工件表面，故在钢件热处理质量检查中应用最多。
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应力 = P/F0 应变 = (l-l0)/l0
拉 伸 试 验 机
拉伸试样
4
弹性变形
弹性变形、 塑性变形
非线性弹 性变形
5
材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为 变形。 外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形。
外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。
五万吨水压机
6
1 弹性极限和刚度
（1）弹性极限e：弹性的指标为e ，即材料承受 最大弹性变形时的应力。 （2）刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标 为弹性摸量E。 刚度越大，零构件发生的弹性变形越小。（在同 样的载荷下） 弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温 度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热 处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很 小.可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高 零件的刚度。
44
2 无裂纹零构件设计中常用的疲劳抗力指标是疲劳极 限、过载持久值（和疲劳缺口敏感度）。 工作应力s<疲劳极限，构件不发生疲劳断裂。 工作应力s>疲劳极限，构件在一定的周次下断 裂，该周次称为过载持久值。工作应力越大，过载持 久值越低。 3 疲劳断口上可清楚显示疲劳裂纹源、疲劳裂纹扩 展区和最后断裂区。所以，根据断口就可判断是否发 生疲劳断裂。
KI ＝KIC
构件发生低应力脆性断裂的临界条件
3 应用场合：主要用于高强度钢制造的飞机、导弹
和火箭的零件，或者是用中低强度钢制造气轮机转
子、大型发电机转子等。
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三 影响脆性断裂的因素 加载方式 材料本质 温度和加载：韧性断裂和脆性断裂 材料的韧性指标：冲击吸收功、冲击韧度、材料韧 脆转变温度和断裂韧度，前三个用于评价材料韧性的 好坏，也可用于一般零件的抗断裂设计；断裂韧度可 用于材料抵抗低应力脆性断裂的设计。 材料的以上韧性指标均可用合金化和热处理等方法 改变。
• 适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的 硬度。
• 材料的b与HB之间的经验关系： 低碳钢:b(MPa)≈3.6HB 高碳钢：b(MPa)≈3.4HB 铸铁： b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈ 0.6(HB-40)
14
钢
黄铜
球墨铸铁
HB
15
2 洛氏硬度
洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002 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。 符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。
2
※ 一 静载荷条件下材料的力学性能 问 题
材料的静载性能指标有哪些? 发生过量弹性变形的原因是什么?设计时应选择什么 性能指标? 发生过量塑性变形的原因是什么?抗力指标有哪些?
材料的静载性能指标
刚度和强度指标 弹性和塑性指标 硬度指标 韧性指标（放在断裂中讲）
3
（一）静拉伸试验及材料 的强度与塑性
裂功的能力。是材料强度和塑性的综合表现。
冲击韧度：指材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力 2 衡量指标：冲击吸收功Ak
冲击韧度ak(ak＝ Ak/Fk )
3 应用：评价材料韧性的好坏，与屈服强度结合用于
一般零件抗断裂设计。
4 低温冲击试验：(材料的韧脆转变温度TK)
24
25
26
韧脆转变温度
材料的冲击韧性随 温度下降而下降。
l1 l 0 100% （1）伸长率： l0
F0 F1 （2）断面收缩率： 100% F0
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
断裂后
10
说明：
用表示塑性比更接近真实变形。
直径d0 相同时，l0，。只有当
l0/d0 为常数时，塑性值才有可比性。
当l0=10d0 时，伸长率用 表示； 当l0=5d0 时，伸长率用5 表示。显然 5> > 时，无颈缩，为脆性材料表征 < 时，有颈缩，为塑性材料表征
HRA用于测量高硬度材料, 如硬质合金、表淬层和渗
碳层。
HRB用于测量低硬度材料, 如有色金属和退火、正火
钢等。
16
洛氏硬度测试示意图
洛 氏 硬 度 计
h1-h0
17
HRC用于测量中等硬度
材料，如调质钢、淬火
钢球压头与金刚石 压头
钢等。
洛氏硬度的优点：操作
简便，压痕小，适用范
围广。 缺点：测量结果分散度 大。
在某一温度范围内
冲击韧性值急剧下
降的现象称韧脆转
变。发生韧脆转变 的温度范围称韧脆 转变温度。材料的 使用温度应高于韧 脆转变温度。
韧
体心立方金属具有韧脆转变温度， 而大多数面心立方金属没有
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材料韧脆转变温度TK的确定和应用
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建造中的Titanic 号
TITANIC
TITANIC的沉没与船体 材料的质量直接有关
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※ 二 非静载荷时材料的力学性能 问 题
1 什么是材料的韧性？评价材料韧性的力学性能指标有 哪些？ 2 材料韧性指标的含义及应用？
基本概念
1 静载荷和冲击载荷 2 韧性：表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的 能力。
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（一）冲击韧性及衡量指标 1 冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断
疲劳曲线
39
疲劳强度
条件疲劳强度
图 两种类型的疲劳曲线 a)钢铁材料 b)部分有色金属（如铝合金）
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过载持久值：材料在 高于疲劳强度的应力 作用下发生疲劳断裂 的循环周次。
N1,N2,N3,N4都是过载 持久值
疲劳曲线
高周疲劳：Nf>105
低周疲劳: Nf<105
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4 影响疲劳抗力的因素
（1） （2） （3） （4） （5） 载荷类型 材料本质 零件表面状态 工作温度 腐蚀介质
洛氏硬度压痕
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3 维氏硬度
维氏硬度试验原理
维氏硬度压痕
19 维氏硬度计
维氏硬度用符号HV表示，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 根据载荷范围不同，规定了三种测定方法—维氏硬 度试验 、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试 验。
维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。
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（一）材料在高温下的力学行为
1 材料的强度随温度的升高而降抵。 2 高温下材料的强度随时间的延长而降抵。 3 高温下材料的变形量随时间的延长而增加。
（二）蠕变和蠕变曲线
1 蠕变：材料在长时间的恒温恒应力作用下即使应力 小于该温度下的屈服点也会缓慢地产生塑性变形的现 象称为蠕变。
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2 蠕变曲线 I II 减速蠕变阶段 恒速蠕变阶段
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（二）疲劳断裂
1 疲劳断口的特点
示意图
32
疲劳源区和疲劳裂纹扩展区的微观形貌
一个疲 劳源
疲劳 条纹
疲 劳 裂 纹 扩 展 区
疲 劳 源 区
两个疲 劳源
微裂纹
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疲劳断口
轴的疲劳断口
疲劳辉纹（扫描电镜照片）
通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提 高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲 劳抗力。
第一章
概述
金属材料的力学性能
神 舟 一 号 飞 船
使用性能：材料在使用
过程中所表现的性能。
决定了材料的使用范围
和寿命，包括力学性能 和物理化学性能。 工艺性能：材料在加工 过程中所表现的性能， 决定了材料在加工中对
1
对成形的适应能力．包括铸造、锻压、焊接、热处理 和切削性能等。 铸造性能：流动性、收缩性、偏析 锻造性能：塑性、变形抗力 焊接性能：焊接性、碳当量 切削性能：表面粗糙度、刀具寿命 热处理性能：淬透性
42
43
总
结
1 疲劳断裂是零构件常见的一种失效形式，它是一种 脆性断裂，危害很大。 疲劳断裂与静载荷或一次冲击加载断裂相比，具有以 下特点： （1）疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命地断 裂。其断裂应力往往<疲劳极限s，甚至b。 （2）疲劳是脆性断裂，由于一般疲劳应力水平< b 不论韧性材料还是脆性材料在疲劳断裂前均不会产生 塑性变形及有形变预兆 （3）疲劳对缺陷（缺口裂纹及组织缺陷）十分敏感
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※ 三 金属材料的断裂韧度
油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与材料中
存在缺陷有关
1943年美国T-2油轮发生断裂 北 极 星 导 弹
46
（一）裂纹扩展的基本形式
裂纹扩展的基本形式
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（二）断裂韧性及衡量指标 1 应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的 1 / 2 指标。 c (ac )
规律性、非稳定
σ
t
非稳定变应力 随机
t
36
（3）变应力的参数 ① 非对称循环变应力 最大应力：σmax 最小应力：σmin
σ
σ
σa σmax σm
t (-1≤ r ≤+1)
σmin
平均应力：σm=(σmax+σmin)/2 应力幅：σa=(σmax-σmin)/2 应力循环特性：r= σmin /σmax
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Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图） 的冲击试验结果
Titanic 近代船用钢板
30
问 题
1 什么是疲劳断裂？ 2 疲劳断口由哪几个部分组成？ 3 疲劳抗力指标有哪些？在设计中如何使用这些指标
基本概念
1 交变载荷：载荷大小和方向随时间发生周期变化的 载荷。 2 疲劳断裂：零件在交变载荷下经过长时间工作而发 生断裂的现象成为疲劳断裂。 3 疲劳断裂过程：裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、最后断 裂
K I Y
a
2 断裂韧度：是评定材料
抵抗脆性断裂的力学性能指
标，指的是材料抵抗内部裂
纹失稳扩展的能力。