工程材料01(金属的力学性能)

机械工程材料的常用性能及分类包括两方面材料的使用性能材料的工艺性能力学性能（强度、塑性韧性等）物理性能（光、热、电、磁等）化学性能（氧化、腐蚀等）加工性能（切削、锻造等）铸造性能（适合铸造与否）焊接性能（容易焊接与否）热处理性能（可热处理强化）思考：机械工程材料的性能主要指的是上述哪个性能？•工程材料的机械性能——通常指材料的力学性能，是工程材料抵抗各种外力作用时表现出来的性能，主要取决于材料的成分和热处理工艺。

“失效现象”——机械零件失去预定的效能（功能）称为失效。

常见的失效形式有：断裂、磨损、过量弹性变形等。

从零件的服役条件和失效分析出发，可以得出零件应具备的力学性能指标，是设计零件和验收产品的重要依据。

材料的力学性能主要包括：强度、塑性、韧性、硬度等，收录在《机械手册》或《工程材料手册》中，是进行材料选用、工艺评定、设计计算等的主要参数。

第一节强度、刚度、弹性及塑性•金属材料的强度、刚度、弹性及塑性一般通过金属拉伸试验来测定，即按GB/ T228-2002之规定，将金属试样装夹到试验机上，然后对试样加载，载荷逐渐增大，直至把试样拉断。

•在拉伸过程中，根据试样承受的载荷与变形量之间的关系，可以得出该金属材料的拉伸曲线（即应力—应变曲线），并由此获得该材料的强度、刚度、弹性及塑性指标。

一、拉伸试验1、拉伸试样：长试样：L0 / d0 =10短试样：L0 / d0 = 52、拉伸过程：分为四个阶段。

（1）弹性变形阶段：材料只发生弹性变形，变形与外力成正比。

（2）屈服阶段：外力F变化很小，材料产生明显塑性变形现象。

（3）形变强化阶段：随着塑变增大，强度提高的现象。

（4）断裂阶段。

3、应力—应变曲线（σ ~ ε）：应力——试样单位截面上承受的载荷。

σ = F / A0（Mpa）（名义应力）应变——试样单位长度上的变形量。

ε = ⊿L /L 0（无量纲）（名义应变）塑性材料与脆性材料的σ—ε曲线比较：低碳钢的σ—ε曲线高碳钢的σ—ε曲线二、强度——指材料抵抗永久变形和断裂的能力。

弹性极限：σe= F e / A0（表示材料发生最大弹性变形的能力）屈服强度：σs = F s / A0（表示材料抵抗微量塑性变形的能力）抗拉强度：σb = F b / A0（表示材料断裂前能承受的最大应力）屈强比：σs /σb条件屈服极限：由于脆性材料的σ—ε曲线一般没有明显的屈服阶段，σs难以确定，这类材料的屈服强度常以产生一定微量塑性变形时的应力来表示。

常用的条件屈服极限：σ0.2 ：表示ε塑= 0.2%或σ0.05：表示ε塑= 0.05%三、刚度——指材料抵抗弹性变形的能力。

材料在弹性变形阶段，满足虎克定律：E ——弹性模量（刚度指标）绝大多数机械零件都是在弹性状态下工作，一般不允许有过量的弹性变形，因此对材料的刚度（即弹性模量E ）的大小有一定的要求。

注：E 是一个对组织不敏感的参数，主要取决于材料原子间的结合力（金属键），受热处理、加工变形、合金化等的影响小。

介绍：反复加载/ 卸载时σ~ε曲线的变化情况。

αεσtg E ==/四、塑性——指材料断裂前发生永久变形的能力。

评价材料塑性指标：1、伸长率（延伸率）δ：2、断面收缩率ψ：注：δ与试样的标距长度有关，一般δ5>δ10。

ψ与试样的标距长度无关。

材料的塑性越好，则加工成型能力越强，同时还能缓和应力集中，防止突然脆断，在一定程度上保证了零件的安全性。

因此，虽然塑性指标一般不直接用于工程设计计算，但在选用材料时应考虑具有相应的塑性储备。

%100%100000⨯-=⨯=∆l l l l l k δ%100%100000⨯-=⨯=∆A A A A A k ψ第二节硬度硬度——材料表面抵抗外物压入的性能，它是材料机械性能的综合指标。

（与材料的强度、塑性、韧性，形变强化能力有关）硬度与抗拉强度σb有一定的对应关系，参见附录。

硬度实验方法简便、迅速、设备简单、不需破坏材料，因此在生产中广泛应用。

例如：在机械图纸上对零件的性能要求通常以硬度来表示。

常用的硬度测量方法有：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等试验方法。

一、布氏硬度（HB）使用规定直径的淬火钢球（HBS）或硬质合金钢球（HBW）以规定压力压入金属表面，保持一定时间，卸载后测定材料表面压痕面积A，然后进行如下计算：HB= F/A = F/πDh布氏硬度的标记方法：（参阅教材P7）布氏硬度测量方法的特点：（1）因为压痕面积较大，能反映较大范围内材料的平均硬度，测值比较准确，重复性好。

（2）也因压痕较大，对材料表面损伤较大，不适作成品检验和薄件的测量，不能测定过硬的材料。

布氏硬度测量方法主要用于退火钢、有色金属等的原材料、半成品及性能不均匀的材料（如铸铁等）。

二、洛氏硬度（HR ）用淬火钢球（HRB ）或120º的金刚石圆锥（HRA 、HRC ）压入材料表面，测量压痕深度来表示材料的硬度。

（k —常数、h —压痕深度）洛氏硬度测量方法的特点：（1）压痕小，可在成品表面进行。

（2）测量操作简便，迅速，并且测值范围大。

（3）测值较分散，精确性较差，需要多次测量，取平均值。

002.0h K HR -=三、维氏硬度（HV ）用正四棱锥金刚石压头压入金属表面，然后测量压痕对角线d ，计算压痕面积A ，作如下计算：维氏硬度测量方法的特点：（1）所用试验力小，压痕深度浅，特别适用于测量薄件、工件表面硬化层的硬度（渗C ，渗N 层）的测量。

（2）效率较低，不适于批量产品的测量。

2854.1dF A F HV ==四、肖氏硬度（HS）应用弹性回跳法将撞销从一定高度落到所试材料的表面上而发生回跳，用测得的撞销回跳的高度来表示硬度。

(撞销是具有尖端的小锥，尖端上常镶有金刚钻)。

肖氏硬度测量方法的特点：（1）结构简单，产品一般为手提式仪器，便于现场测试，适用于的大中型工件。

（2）测量结果受环境影响较大，准确度稍差。

第三节冲击韧性冲击载荷作用于工件时，加载速度快，作用时间短，应力的分布与变形不均匀。

因此，对承受冲击载荷的工件，仅具有足够的静载荷强度是不够的，还必须具有足够的抵抗冲击载荷的能力。

冲击韧性——材料冲击载荷作用下，抵抗破坏的能力。

冲击韧性是材料的本身的属性，可以通过冲击实验获得。

一般将冲击吸收功较高的材料称为韧性材料，反之为脆性材料。

韧性材料在断裂前有明显的塑性变形，断口呈纤维状，无光泽。

（左图）脆性材料在断裂前无明显的塑性变形，断口较平整，呈粗晶状，有金属光泽。

一、冲击试验及试样冲击实验通常在摆锤式冲击试验机上进行。

实验时将试样放在支座上，把摆锤放臵于H 高度，然后释放摆锤，摆锤将试样冲断后，上升到h 高度。

试样被冲击破坏时所消耗的能量，即为冲击吸收功A K 。

A K U ——U 型缺口A KA KV ——V 型缺口（注：不同缺口试样的指标不具可比性）h)mg(H A K -=二、冲击韧性的指标冲击韧性值a k ——试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。

(A k ——冲击破坏所消耗的功，A 0——标准试样断口截面积) 冲击韧性值a k 的应用：用于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。

)(J/cm /A A 20k k a三、温度对冲击韧性的影响在冲击试验中，当环境温度低于某一范围时，有些材料的冲击韧性会急剧下降（韧性→脆性）——韧/脆转变温度。

注：机械设计过程中，在为工件选用材料时，应根据工件的具体使用条件来确定性能参数，不能简单地套用《手册》上的数据。

第四节断裂韧度实际的构件材料在冶炼、制造过程中不可避免地存在微裂纹（包括裂纹、夹渣等缺陷）。

这些裂纹在外力作用下，由于产生尖端应力集中，当裂纹扩展到临界尺寸，零件就在远低于σs的情况下发生脆性断裂（低应力脆断），尤其对高强度材料和大型构件，此类现象更严重。

1943年美国T-2油轮发生断裂在断裂力学基础上建立起来的材料抵抗裂纹扩展的性能，称为断裂韧度。

断裂韧度计算中，不仅考虑了作用工件上的外加应力大小，也考虑了实际材料内部存在的微裂纹情况，因此在安全设计中具有重大意义。

一、裂纹扩展的基本形式根据应力与裂纹扩展面的取向不同，可以将裂纹扩展分为张开型(Ⅰ型)、滑开型(Ⅱ型)和撕滑开型(Ⅲ型)三种基本形式。

其中，以张开型(Ⅰ型)裂纹最为危险，容易引起脆性断裂，因此将其作为主要研究对象。

二、应力场强度因子K Ⅰ当材料中存在裂纹时，在裂纹尖端产生应力集中，从而形成应力场，应力场的大小用应力场强度因子K Ⅰ来描述。

其中：Y —裂纹尖端的形状系数；σ—外加应力；a —裂纹半长度三、临界应力场强度因子K ⅠC临界应力场强度因子K ⅠC ——指裂纹扩展时材料能抵抗的应力场强度。

注：临界应力场强度因子K ⅠC 是材料的本身的力学性能，由材料的成分、内部组织结构等决定。

aY K I σ=断裂韧度的判据：在此条件下，材料内部裂纹不会扩展，工件可以安全工作。

否则材料的裂纹在外力作用下会失稳扩展，导致工件断裂。

该判据在生产中的具体应用：1、可根据材料内部裂纹情况，由K IC 计算构件能承受的最大应力σC 。

2、即使在外力σ较小时，如果裂纹长度a 较大，也可能导致产生断裂，运用断裂韧性判据，可防止此类破坏的发生。

3、如果零件的工作情况满足断裂韧性判据，即使零件内部存在裂纹，也不会产生破坏，则原有零件可继续使用，节省材料。

ICI K a Y K ≤=σ第五节疲劳一、疲劳——构件在交变应力的长期作用下，无明显塑性变形就突然断裂的现象。

在实际生产中，有许多零件（如曲轴、弹簧、轴承等）都是在交变应力作用下工作的，这些零件容易发生疲劳断裂。

疲劳断裂是一种低应力脆断，具有很大的危害性。

二、疲劳的形成过程和断口特征疲劳的形成过程一般分为三个阶段：①在工件表面的缺陷或应力集中部位，会产生微裂纹（疲劳源）；②在交变应力的长期作用下，疲劳裂纹逐渐扩展，而工件的有效截面积不断减小；③裂纹扩展积累到一定程度后，工件将发生突然断裂。

相应地，疲劳断口一般也分为三个区域：①裂纹形成区（疲劳源）；②裂纹扩展区（贝纹线）；③瞬时断裂区。

疲劳裂纹的扩展机理（介绍）：三、疲劳强度及其表示方法：从疲劳曲线图上可以看出，当循环应力低于某一数值时，循环周次N可以达到很大，而试样仍然不会发生断裂，该应力值称为疲劳极限（疲劳强度）。

一般，钢铁材料的循环周次N=107次，而有色金属的循环周次N=108次。

疲劳强度表示为：σγ（循环系数γ =σmin/σmax）对于对称交变应力，一般记作：σ-1四、提高材料疲劳强度的方法：在实际零件的失效形式中，约有80%是由于疲劳断裂所造成的，具有较大的危害性。

为了防止疲劳断裂的产生，必须设法提高零件的疲劳极限。

提高材料疲劳极限，常采用以下方法：①、选用具有优良强韧性的材料，使疲劳裂纹不易产生并扩展。