第一章 材料的力学性能

HRB 20~100 100kgf 淬火钢球
HRA 20~88 60kgf 洛氏硬度值的表示： 金刚石
45HRC、65HRB、80HRA
洛氏硬度试验的特点： 优点： 测量操作简单，方便快捷，
压痕小；测量范围大，能 测较薄工件。 缺点： 测量精度较低，可比性差， 不同标尺的硬度值不能比较。
应用： 是生产中应用最广泛的硬度
常用硬度试验法：
压入法：布氏、洛氏、维氏 刻划法：里氏
回跳法：肖氏 工业上应用广泛的是静载荷 压入法硬度试验。
一、布氏硬度
1、试验方法简介
压头 试样
/2 d/2
布氏硬度试验原理
试验原理概述：
方法：用一定直径的压头（球
体），以相应试验力压 入待测表面，保持规定 时间卸载后，测量材料 表面压痕直径，以此计 算出硬度值。
布氏硬度试验规范： 压 头： 材料与直径D
试验力： F的大小N (kgf) 试验力保持时间：t (s) 详见表1-1 （P11）
1、首先根据被测材料的硬度 范围选择压头的材料：
对布氏硬度值450的材料：
选用淬火钢球压头
对布氏硬度值450的材料： 选用硬质合金球压头
讨论3：试验前怎样估计材料的
讨论5：冲击抗力与强度、塑性的关系
研究表明：材料的冲击抗力 是取决于强度和塑性的综合性能 指标。
大能量一次冲击时，冲击抗 力主要取决于塑性。 小能量多次冲击时，冲击抗 力主要取决于强度。
第四节 疲劳极限
一、疲劳现象
1、什么叫疲劳现象？
零件在循环应力的作用，即 使工作时承受的应力低于材料的 屈服点或规定残余伸长应力，在 经受一定的应力循环后也会发生 突然断裂，这种现象称为疲劳。
强度指标：s 、r0.2、 b 塑性指标： 、 、
思考题：
拉伸试验是否适用于生产现 场对零件进行质量检验？ 不适应，多用于原材料质量 检验和科研、试制过程中。
？ 因为它是破坏性试验。
？ 生产中需要其他力学性能
试验方法。
第二节 硬 度
定义：
衡量材料软硬程度的指标。
物理意义：
与试验方法有关。
三、塑性指标
塑性的定义：材料在静载 荷作用下产生塑性变形的 能力。
常用指标：
断后伸长率、断面收缩率
1、断后伸长率
=
( l1- l0)
l0
100%
问题： 的大小与试样标距长 度有关。同种材料5> 10
2、断面收缩率
=
( s1- s0)
s0
100%
的大小不受尺寸影响，比 较确切地反映了材料的塑性。但 测量精度相对较差。
讨论：设计选材时怎样防止疲劳？
需要一个能反映材料抵抗循 环应力的力学性能指标。
二、疲劳极限
1、定义 材料在循环应力作用下，经 受无限次循环而不断裂的最大应 力值称为疲劳极限。
互动讨论题2
在上述必须考虑的因素中，首先 要考虑的关键因素是什么？ A、材料的性能
B、材料的成本 C、材料对资源与环境的影响
力学性能
材 使用性能： 物理性能 料 化学性能 的 冷加工性能 性 工艺性能： 热加工性能 能
热处理性能
强度、塑性
力 学 性 能
硬度
冲击吸收功 疲劳强度 断裂韧度
第一节 强度与塑性
因测量结果受试样形状、表 面形态、内部组织的影响大， 测量数据重复性差。
3、韧脆转变温度
实践表明，同种材料的冲击 吸收功与试验温度有关。
用同种材料在一系列不同的 温度下进行冲击试验，可得到 冲击吸收功与试验温度的关系 曲线，称为冲击吸收功-温度关 系曲线。
AKV
过渡区
上平台区
下平台区
韧脆转 变温度 T
冲击吸收功的测量：
冲击试验 一、夏比冲击试验
1、试验原理简介
夏比冲击试验是将带有缺口 的标准试样安放在试验机上的 机架上，使试样的缺口位于两 支座中间并背向摆锤的冲击方 向，如下图：
mg
mg
将一定质量m的摆锤提升到h1 高度，此时摆锤具有位能mg h1； 让摆锤自由落下冲断试样后升 到h2高度，此时摆锤具有位能为 mg h2。 显然，摆锤在冲断试样后损 失的能量为：
方法：用锥顶角为120°的金刚石 圆锥或直径1.588mm的淬 火钢球，以相应试验力压 入待测表面，保持规定时 间卸载后卸除主试验力， 以测量的残余压痕深度增 量来计算出硬度值。
试验过程：
初试验力F1：1-1 压痕深度h0
主试验力F1：2-2 压痕深度h1 卸除主试验力，保留初试验力：
3-3 残余压痕深度增量h
硬度范围？
2、然后根据被测材料种类和 厚度，按表1-1选定D、F和t。 例：测量厚度为30mm的低碳 钢试样的布氏硬度。 试验规范为：淬火钢球压头、 D=10mm、F=29420N、t=10s
布氏硬度值的表示：
常用试验规范（ D=10mm、 F=29420N、t=10~15s）条件下 测得的布氏硬度值： 275HBS 525HBW 其他条件下测得的布氏硬 度值： 120HBS10/1000/30 550HBW5/75
布氏硬度试验的特点： 优点： 测量误差小（因压痕大），
数据稳定，重复性强。 缺点： 压痕面积较大，测量费时。
应用： 常用于测量灰铸铁、结构
钢、非铁金属及非金属材 料的硬度。 不适于测量成品零件或薄 件的硬度。
二、洛氏硬度
1、试验方法简介 0
0
1 3 2 h
1
1 h 3 0 2
.
试验原理概述：
物理意义： 反映了材料在拉伸条件下塑
性变形的能力。
工程意义：
塑性好的材料不仅便于加工 （轧、锻、冲等），而且零件的 安全性较高。
讨论： 强度与塑性是一对矛盾。 在实际选用时怎样考虑？ 自行车三角架 起重机吊钩 齿轮、轴 工具（扳手、旋具）
上堂课复习 拉伸试验：方法、试样 力-伸长曲线：
拉伸过程、屈服、颈缩现象
二、多次冲击试验 实际生产中，零件经一次冲击 即断裂的情况是极少的。多数零 件是在小能量冲击条件下经受许 多次(>103)冲击后才断裂。这种 冲击称为小能量多次冲击。
要测量材料在小能量多次冲 击作用下的抗力，可采用小能量 多次冲击试验。
多冲试验方法：
试验时将多冲试样安放在试 验机支座上，用小能量进行多次 冲击，直到试样断裂，得出材料 在一定冲击能量下，开始出现裂 纹和最后断裂的冲击次数，以此 作为多冲抗力。
维氏硬度值：
计算：用压痕两对角线的平均
长度来计算。
符号：H V 计算公式：
H V=0 . 1891F/d2
a
维氏硬度值的表示：
与布氏硬度基本相同，在后 面要标注试验条件—试验力和 保持时间（10~15S不标）。 例：580HV30表示用30kgf (294.2N)试验力保持10~15S测 定的维氏硬度值为580。
第一章 材料的力学性能 了解材料的性能是正 确使用和加工材料的 基础 概述
互动讨论题1
以同学们现有的经验与知识，在 选择某种材料来制造某个机械零 件时，应该考虑哪些因素？
性能：能否满足使用要求
制成零件的难易程度 经济：材料是否容易获得
材料价格及运输等成本
资源 环境：材料是否可以再生产 材料生产及使用对环境 的影响
l
二、强度指标
强度的定义：材料抵抗塑性 变形和断裂的能力。
强度的大小：用应力表示。 什么叫应力？材料单位截面 积上的内力，用表示，单位 为MPb。
1MPb=1MN/m2 =1N/mm2
常用强度指标：屈服点、规定 残余伸长应力、抗拉强度。 1、屈服点与规定残余伸长应力
屈服点： s = Fs/S 0
？ 什么是动载荷？
大小与方向随时间发生变 明显化的载荷。 如：冲击载荷、交变载荷
？ 材料在动载荷作用下表现
的力学行为是否相同？
冲击载荷对零件的破坏性 比静载荷要大得多。
第三节 冲击吸收功 冲击韧性定义： 冲击韧性的表示：
一般用冲击吸收功来表示。
材料抵抗冲击力作用的能力。
冲击吸收功的定义：
材料在冲击力作用下折断 时所吸收的功。
讨论2：三种常用硬度值的比较
下堂课内容：
第三节 冲击吸收功
第四节 疲劳强度
请同学们认真预习！
上堂课复习 布氏硬度：HBS、HBW 洛氏硬度：
HRC、HRB、HRA
维氏硬度：HV
思考题：
前述强度、塑性、硬度等力 学性能均系材料在静载荷作用 下表现的力学行为。
？零件在实际工作中是否只
承受静载荷作用？ 否！零件在实际工作中更 多承受动载荷作用。
问题：有些材料在拉伸过程中
没有屈服现象。怎么办？
F0.2
s
o
0.2%l0
l
规定残余伸长应力：
r0.2 =Fr0.2/S 0
物理意义：
工程意义：
机械设计和选材的重要论据。
材料抵抗微量塑性变形的能力。
为什么？
机械零件在工作中不允许产生 明显的塑性变形。
2、抗拉强度
抗拉强度： b = Fb/S 0 物理意义：
AKV（AKU）= mg h1- mg h2 （J）
2、冲击吸收功
AKV（AKU）就是试样在一次 冲击试验作用下折断时所吸收 的功，称为冲击吸收功。 实际测量时，冲击试样必须 按国家标准制造，有夏比V型和 U型缺口试样两种。 AKV（AKU）可从冲击试验机 的刻度盘上直接读出。
讨论1：冲击吸收功的工程意义 反映了材料抵抗冲击力而不破坏 的能力。是评定材料力学性能的重 要指标。是机械设计的参考指标。 讨论2：为什么AKV只是设计的参 考指标？
材料在拉伸条件下断裂前能够 随的最大应力。
工程意义：
也是机械设计和选材的重要论 据。
讨论1： s 、r0.2、 b都是机械设计和 塑性材料： s 、r0.2
选材的重要论据。实际使用时怎办？
脆性材料： b 屈强比： s / b
讨论2： 屈强比 s / b有何意义？ 屈强比 s / b值越大，材料 强度的有效利用率越高，但 零件的安全可靠性降低。 所以在实际应用时要根据 具体情况考虑。
洛氏硬度值：
计算：用残余压痕深度增量来
计算。
符号：H R
计算公式：
H R=K-（ h/0.002)
式中K=100（金刚石）或130（ 钢球)
问题：残余压痕深度增量的测量是
非常困难的，实际应用时怎
么解决？
实际测量时是从表盘上直
接读出洛氏硬度值的。
洛氏硬度值的试验规范(标尺)：
见表1-2（ P12） HRC 20~67 150kgf 金刚石
O
讨论3：韧脆转变Biblioteka Baidu度的工程意义
反映了有些材料在室温时并 不显示脆性，但低温时可能发 生脆断。韧脆转变温度是衡量 材料冷脆倾向的重要指标。
韧脆转变温度越低，材料的 低温抗冲击性越好，不容易发 生低温脆断。
讨论4：韧脆转变温度高好、低好？
讨论4：韧脆转变温度应用举例
车辆、桥梁、 输油管道、船舶 A、气温是变化的； B、机械产品的地域性。
维氏硬度试验的特点： 优点： 适用范围广，从极软到极硬
材料都可测量;测量精度高， 可比性强；能测较薄工件。 缺点： 测量操作较麻烦，测量效率 低，对试样表面质量要求高。
应用： 广泛用于科研单位和高校，
以及薄件、表面硬度检验。 不适于大批生产和测量组织 不均匀材料。
讨论1：三种常用硬度试验方法的
比较
布氏硬度值：
计算：用球面压痕单位面积上
所承受的平均压力表示。
符号：HBS（HBW）
计算公式：
2F
HBS=0.102 D(D-D2-d2)
讨论1：布氏硬度的计算很麻烦，
实际应用时怎么解决？
查表，见实验指导书
讨论2：布氏硬度值的物理意义？
布氏硬度值越高，材料 抵抗硬物压入的能力越 强，材料的硬度越高。
什么叫循环应力（载荷）？
大小或方向随时间发生周期性变 化应力（载荷），也称交变应力 。
2、疲劳断裂的破坏性 疲劳断裂都是突然发生的，断 裂前没有明显的塑性变形，具有 极大的危险性 。 机械零件的断裂中，80%因疲 劳引起，每年造成巨大损失。
3、疲劳断裂的过程
裂纹源—扩散（截面逐步减 小）—最后突然脆断
材料在外力作用下的表现行为：
变形 断裂
材料在外力作用下的行为过程： 弹性变形—塑性变形—断裂 （永久变形）
一、拉伸试验与力—伸长曲线
1、拉伸试验简介
* 拉伸试样： d0 l0 长试样：l0=10d0; 短试样：l0=5d0
拉伸试验机
液压式万能电子材料试验机
2、力—伸长曲线 F b
k
Fs
Fb
e
s
试验方法，并可用于成品检 验和薄件、表面硬度检验。 不适于测量组织不均匀材料。
三、维氏硬度
1、试验方法简介
与布氏硬度试验原理基本 相同。只是压头改用了金刚石 四棱锥体，试验力小但范围大 （49.03N~980.7N)，测量精度 高，适用范围广。
试验方法概述： 以一定的试验力将压头压入 试样表面，保持规定时间卸载 后，在试样表面留下一个四方 锥形的压痕，测量压痕两对角 线长度，以此计算出硬度值。