金属材料的力学性能

使用性能
力学性能 强度、硬度、塑性、韧性等 物理性能 指熔点、导热性、导电性、磁性等 化学性能 抗氧化性、抗腐蚀性等 其它性能 耐磨性、热硬性、消振性等
工艺性能——加工成形的性能
1.1 金属材料的力学性能
是指金属材料在外加载荷作用下所表现出来的抵抗能 力,
静载荷
根据载荷作用性质不同 冲击载荷
疲劳载荷 静载荷是指外力的大小和方向不变或变化很缓慢的载荷； 冲击载荷是指突然增加的载荷； 疲劳载荷则是指大小和方向随时间作（ZHOU）期性变化
在一定条件下,HB与HRC可以查表互换，其心算公式可大概记 为：1HRC≈1/10HB，
3 .维氏硬度 HV
维氏硬度试验原理 维氏硬度压痕
维氏硬度计
维氏硬度 HV 测试计
小
负
荷

显微维氏硬度计
维
氏
硬
度
计
1 维氏硬度测量原理
用压头为锥面夹角为136º的金刚石四棱锥体,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，
成形工艺的应用
重要环节： 热处理
1.3 金属材料的工艺性能
金属材料的工艺性能：是指用不同的加工手段所 表现出来的难易程度,
铸造性能 流动性、收缩、偏析等
锻压性能 切削加工性 焊接性 热处理性能
小 结：
本单元了解了金属材料的类型和性能,重点学 习了金属材料的力学性能的指标：强度、塑 性、韧性、硬度以及疲劳强度，
屈强比 ReL/ Rm ： 0.6~0.85 屈强比高,材料利用率越高； 屈强比低,零件的可靠性越高
—— 综合考虑材料利用率和安全性
1. 1. 2 塑 性
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,
塑性的衡量 塑性指标 ：伸长率 A和断面收缩率 Z， A 、Z越高,材料的塑性越好
A < 2 ~ 5% 属脆性材科
A≈ 5 ~ 10% 属韧性材料
A > 10%
属塑性材料
良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件,
1.断面收缩率 Z
是指试样拉断处横截面积的 收缩量与原始横截面积之比, 用下式表示,即：
Z S0 -Su 100 % S0
2. 伸长率 A
是指试样拉断后的标距伸长量 与原始标距 之比,
1
有色金属的循环次数一般取
N = 108
钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:
R-1 = 0.45～0.55 Rm
④ 产生疲劳破坏的原因 材料有杂质、表面划伤等缺陷
微裂纹
应力集中
裂纹扩展
破坏
⑤ 提高疲劳强度措施
材料方面
保证冶炼质量,减少夹杂物和热加工产生的气孔和疏松等缺陷,
设计方面
尽量使零件避免尖角、缺口和截面突变,以避免应力集中及其所引 起的疲劳裂纹，
① 疲劳破坏
零件、工具等即使在低于材料屈服强度的交变载荷作用下, 经过一定的循环次数后也会发生突然断裂,这种现象称为疲劳断 裂, 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，
② 疲劳破坏
材料在对称载荷下的应力变化规律,
③ 疲劳强度
材料交变应力和断裂前应力循环次数之间的关系,
疲劳曲线
钢材的循环次数一般取 N = 107
教学重点、难点
教学重点
强度、硬度、塑性和韧性的概念,
教学难点
利用强度、硬度和塑性等指标综合评价材料,
金属材料的基本知识
1.金属材料的类型：
2. 金属材料的特点：
其他材料 20%
具有金属光泽, 具有较好的延展性,容易加工成型， 易导电、传热,是热和电的良导体，
金属材料 80%
3. 金属材料性能
2 表示方法 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， 例如：580HV/30/20
3 特点：维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点,
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,
与热处理
内容
单元一 金属材料的力学性能 单元二 金属材料的工艺性能
教学目的和要求
掌握金属材料的强度和塑性的概念； 掌握金属材料的疲劳强度的概念； 掌握金属材料冲击韧性的概念； 掌握材料硬度的概念和三种硬度表示方法； 了解材料性能的表示方法,
教学内容摘要
一、强度、塑性； 二、疲劳强度； 三、冲击韧性； 四、硬度
拉伸试验 应力—应变 曲线
e — 弹性极限点 S — 屈服点 b — 极限载荷点
缩颈点 K — 断裂点
拉伸过程变化的三个阶段
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
1 弹性变形阶段 2 屈服变形阶段 3 强化阶段 4 缩颈阶段
弹性与塑性
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, 弹性变形: 随着外力消失而消失的变形,叫做弹性变形， 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，
4 洛氏硬度特点：
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,
5 洛氏硬度应用：
是生产中应用最广泛的硬度试验方法, 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，
布氏硬度与洛氏硬度的比较
洛式硬度压痕很小,测量值有局部性,须测数点求平均值,适用 成品和薄片,归于无损检测一类；布式硬度压痕较大,测量值准, 不适用成品和薄片,一般不归于无损检测一类, 洛式硬度的硬度值是一无名数,没有单位， 因此习惯称洛式硬 度为多少度是不正确的， 布式硬度的硬度值有单位,且和抗拉 强度有一定的近似关系， 洛式硬度直接在表盘上显示、也可以数字显示,操作方便,快捷 直观,适用于大量生产中，布式硬度需要用显微镜测量压痕直径, 然后查表或计算,操作较繁琐，
料性能达到人们需求提供 途径，
课后作业题
1.什么是金属材料力学的性能 它与什么因素有关 2.什么是强度 塑性 硬度 韧性
谢谢大家,
等于摆锤冲击试样前后的势能差,
Akumg(Hh) J
冲击韧度ak
就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸收功,
ak=
Ak Aq
J/cm²
标准冲击试样有两种,一种是Ｕ形缺口试样,另一种是Ｖ形
缺口试样,它们的冲击韧度值分别以a KU和a KV，
材料的ak值愈大,韧性就愈好； 材料的ak值愈小,材料的脆性愈大, 通常把ak值小的材料称为脆性材料 研究表明,材料的ak值随试验温度的降低而降低，
的载荷,
工件在不同载荷形式下产生的变形
根据所加载荷形式的不同,强度表现为：
抗拉强度 抗压强度 抗弯强度 抗剪强度
拉伸试验
金属的抗拉强度和塑性都是通过拉伸试验测定
GB/T228.1-2010
拉伸试样 低碳钢
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
实际测量时,硬度值一般有硬度计的刻 度盘上直接读出，
洛氏硬度计
2 洛氏硬度的分类及应用
3 洛氏硬度表示方法 HR = k-h / 0.002 不写单位
表示为：硬度值+三种不同的标尺代号, 无单位 例如：20~85HRA
20~100HRB 20~70HRC
HRA、HRB、HRC分别测得的硬度,不可直接比较大小
对具有明显屈服现象的材料
金属材料产生屈服现象的最低应力值称为屈服强度,用 ReL 表示,即
屈服强度:
R eL
FeL S0
MPa
对无明显屈服现象的金属材料
常用其产生0.2%塑性应变所对应的应力值作为名义屈服点,
称为名义 条件 屈服强度,用 Rp0.2表示,如高碳钢、铜合金、
铝合金等，
条件屈服强度: Rp0.2 =
布 氏 硬 度 计
2 压头：
淬火钢球 HBS 硬度值450的材料 硬质合金钢球 HBW 硬度值450~650的材料
3 表示方法
例如：350HBS 、 600HBW 一般,数字+布氏硬度符号或后面依次注明压头直径、实验力以 及保存时间,单位为MPa 通常不标明
4 布氏硬度特点
布氏硬度的优点：测量误差小,数据稳定,
1.强度、塑性的拉深实验测试；三种不同硬度 的测试方法,
2.强度、塑性、韧性、硬度以及疲劳强度的含 义、特点、表示方法、及衡量指标,
3.力学性能的实际应用,提高疲劳强度的措施,
材料性能总结
研究的意义：
1. 性能决定了材料的用途, 2. 性能决定了材料和零部件
生产方法， 3. 性能的变化规律为改变材
缺点：压痕大,不宜测量成品零件或薄件的硬度,以及比压头还 硬的材料，
布氏硬度适用于：常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、 退火正火钢材的硬度,调质处理钢、原材料,毛坯， 当HBS<450 时有效 HBW450-650
2 . 洛氏硬度
1 洛氏硬度测量原理
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,
工艺方面
降低零件表面粗糙度,并避免表面划痕、碰伤,防止这些地方出现 形成疲劳裂纹；采用表面强化方法,如化学热处理、表面淬火、喷丸处 理和表面涂层等,降低材料表面形成裂纹的可能性，
1.2 金属材料的物理性能和化学性能
1.金属材料的物理性能： 比重、密度、熔点、导电性、导热性、磁性、 热膨胀系数,
2.金属材料的化学性能： 耐酸性、耐碱性、抗氧化性,
F0.2 S0
MPa
屈服强度 — 是塑性材料选材和评定的依据,
脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象,
2. 抗拉强度 强度极限
是指试样在拉断前所承受的最大应力,即：
Rm
Fm S0
MPa
式中： Rm——抗拉强度
Fm——试样在拉断前所受到的最大载 N ；
So——试样原始横截面积 mm,2
抗拉强度 — 是脆性材料选材的依据,
脆性材料的拉伸曲线 与低碳钢试样相对比
灰 铸 铁 的 拉 伸 曲 线
脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象,
1.1.1 强度
强度：用于表示金属材料在外力作用下抵抗塑性变 形和破坏的能力,
工程上常用的 强度衡量指标
屈服点 屈服强度 抗拉强度
注意：一般多用抗拉强度作为判别金属强度高低 的指标,
1. 屈服点、屈服强度
用A表示,即
A Lu -L0 100 % L0
1. 1. 3 硬 度
硬度的含义
是指材料抵抗其它更硬物体压入其表面的能力,即表 示金属材料抵抗局部变形的能力，
硬度的表示方法
压入法 划痕法 回跳法
常用的表示方法
布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度
1. 布氏硬度 1 布氏硬度测量原理
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,
4 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，
1.1.4 冲击韧性
1. 冲击韧性
是指金属材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力,
冲击韧性的测定方法
摆锤式一次冲击试验 小能量多次冲击试验
摆锤式一次冲击试验 摆锤式冲击实验机
试验原理
试样被冲断过程中吸收的能量即冲击吸收功 Ak
2. 断裂韧性
低应力脆断 工程零 构 件有时在应力低于许用应力的情况下
也会发生突然断裂,称为低应力脆断,
低应力脆断的原因 由于实际应用的材料中常常存在一些裂纹和本身
缺陷,如夹杂物、气孔等或加工和使用过程中产生的 缺陷,裂纹在应力的作用下失稳而扩展,最终导致零 构 件断裂，
1.1.5 疲劳强度