工程材料及热加工-第一章

洛氏硬度HRC
洛氏硬度是在洛氏硬度计上测定的。其原理 与布氏硬度一样，如图1-4所示。
洛氏硬度三种规范
标度 压 头 预载荷 总载荷 HRA 120 º 金刚 98.07N 60×9.807N 石圆锥 HRB Φ1.588m 98.07N m钢球 HRC 120 º 金刚 98.07N 石圆锥 应用 适用的材料 范围 70~85 硬 质 合 金 、 表面淬火钢
是设计和选材力-应变曲线
中碳调质钢应力-应变曲线
淬火钢及铸铁应力-应变曲线
低、中碳回火钢应力-应变曲线
塑性及衡量指标


材料在外力作用下，发生不能恢复原状的变形称 为塑性变形，产生塑性变形而不断裂的性能称为 塑性。 金属的塑性常用伸长率δ和断面收缩率ψ来表示。 伸长率δ表示拉伸试样被拉断时的相对塑性变形量 L1 - L 0 100 % L0


断面收缩率ψ表示拉伸试样被拉断时的截面积相 对减缩量 A 0 A1

A0 100%
塑性材料与脆性材料

δ、ψ愈大，表示材料的塑性愈好。

通常以伸长率δ的大小来衡量金属材料塑性 的好坏，δ＞2%～5%的材料为塑性材料，δ ＜2%～5%的材料为脆性材料。
二、疲劳强度




金属材料承受周期性交变载荷时抵抗断裂的能 力称为疲劳强度。 疲劳强度常比σS小得多，工程上规定：钢铁材 料循环107、有色金属循环108次不发生断裂的 最大应力，作为该材料的疲劳强度，用σ-1表示。 产生疲劳破坏的原因：材料内部夹杂物，表面 划痕及能引起应力集中的缺陷，而导致微裂纹 的产生。 避免疲劳破坏的方法：改善其结构形状、避免 应力集中、降低零件的表面粗糙度等。
第一章 工程材料的力学性能
教学目标: 1. 理解重要的术语和基本概念：弹性模量 （刚性）、屈服强度、抗拉强度、伸长率、 疲劳强度、布氏、洛氏、维氏硬度、冲击 韧性等。 2. 了解力学性能与物理概念在工程技术上的 意义。 3. 熟悉布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度的测 试与表示方法。
教学重点和难点
１．刚度、强度、塑性的测试计算方法、表 达式和指标的实际意义； ２．不同工程材料的几种不同的硬度测试方 法及相互间的关系；
100×9.807 25~100 软 钢 、 退 火 N 钢、铜合金 150×9.807 20~67 淬 火 钢 、 调 N 质钢等
特点：测试压痕小，直接读数，操作方便；可测低硬度、高
硬度材料，应用广泛，用于测试各种钢铁原材料、非铁合金、
经淬火后工件、表面热处理工件及硬质合金等。
维氏硬度HV

在维氏硬度计上测定。在一定载荷F作用下， 将顶角为136° 的金刚石四棱锥压头压入材 料表面，保持一定时间后卸载，在材料表 面得到一个四方形压痕，测量压痕两条对 角线的平均长度d（mm）。根据d计算出压 痕面积A（mm2），以F/A的值来表示材料 的硬度。

布氏硬度（HBS）

布氏硬度是在布氏硬度计上测定的。
HBS适用范围




布氏硬度常用于测定铸铁、非铁合金及退 火钢的硬度。 HBS只能测定硬度值小于450HBS以下的金 属材料，否则钢球会变形，测得的结果不 准确； 不能测定厚度小于1～2mm的薄板材料，否 则钢球就会压穿试样。 布氏硬度计也可采用硬质合金球作为压头， 用HBW表示，用于测量硬度较高的材料。

弹性模量（刚度）的计算
A0 d E （MPa） L L1 L0
2 0
F
F
L0
L0
式中：σ（MPa）（单位截面上的拉力）； ε （单位长度上的伸长量）。 钢的E值：190～220GPa。

屈服强度

屈服强度是静拉伸过程中开始产生塑性变 形时的应力，即为拉伸曲线上S点的载荷大 小与试棒原始截面积之比，用σb表示： Fs b （MPa） A0
应力强度因子的临界值称为材料的断裂韧性， 用KIC表示。当KI＜KIC时，零件可安全工作。

HV F
F 0.1891 2 A d
冲击韧性是金属材料抵抗冲击载荷的能力
四、冲击韧性
五、断裂韧性

断裂韧性是指带微裂纹的材料或零件阻止裂纹 扩展的能力。当零件承受载荷而在其内部产生 应力集中时，裂纹尖端处呈现应力集中，其大 小与裂纹长度和裂纹尖端曲率半径有关，在裂 纹尖端附近的微小区域内，存在一个很复杂的 应力场，其大小用应力强度因子KI表示： K1 Y a N / mm 3 2） （
屈服强度Yield strength、 抗拉强度Tensile strength

当应力达到σS时，增加很小的载荷就会产生 较大的变形。当卸载后，试样则存在一定的 残余应力，即塑性变形，这种不完全回复现 象称为屈服。σS是试样开始产生屈服时的应 力，称为屈服点应力，即材料的屈服强度。
随后继续增加载荷，试样继续伸长，至B点 时试样开始产生缩颈，变形速度超过加载速 度，曲线开始下弯。在K点试样断裂。σb为 试样断裂前的最大应力，称为抗拉强度。
三、硬度
硬度是金属材料抵抗硬物压入的能力，也 是材料局部塑性变形的抗力,故硬度与强度 存在着一定的关系。 低碳钢：HBS=0.36σb； 高碳钢：HBS=0.34σb； 调质合金钢：HBS=0.325σb； 灰铸铁：HBS=0.1σb； 黄铜：HBS=0.48σb。 生产上硬度常作为设计零件的技术指标之 一，常用的有布氏、洛氏和维氏硬度等。
拉伸应力——应变曲线
弹性极限Elastic limit 弹性模量Elastic modulus


当载荷未达到E 点前，试样只产生弹性变形， 故σe为材料所承受的不产生永久变形的最大 应力，称为弹性极限（或称为弹性变形 Elastic deformation ）。 图中OP是直线，表示应力与应变成正比，P 点是保持这种关系的最高点，σP称为比例极 限。σe与σP很接近，实际使用时，两者常取 同一数值（OP的斜率为试样材料的弹性模 量，即刚度Stiffness）。
对于有些零件在工作中不允许发生塑性变 形，所以σS 是设计中材料强度的主要参数， 是材料的重要力学性能指标之一。

抗拉强度

抗拉强度是静拉伸过程中试样被拉断前的 最大应力，即材料拉伸曲线上B点时的载荷 大小与原始截面之比，用σb表示： Fb b （MPa） A0
b 表示材料在拉力作用下抵抗断裂的能力，
３．冲击韧性的测试计算方法和工程使用意 义。
力学性能

即在外力作用下，金属材料所表现出来的 性能，亦称机械性能。 是评定材料好坏的主要指标，是设计和选 材的重要依据。
包括弹性、塑性、刚度、强度、硬度、韧 性、疲劳强度、蠕变强度等。


一、刚度、强度、塑性

刚度、强度和塑性是材料承受静载荷的性 能，通过静拉伸试验测定。