第一节 金属材料的力学性能

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。 2. 洛氏硬度HR 用金刚石圆锥或钢球作压头，在规定的预载荷 和总载荷下，压入材料，卸载后，测其深度ｈ， 由公式求出，可在洛氏硬度计上直接读出，无单 位．
120º 金刚 HRC 石圆锥
20~67 淬火钢、调质钢等
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。 但洛氏硬度由于压痕较小，硬度代表性就 差些，如果材料中有偏析或组织不均匀的情况， 则所测硬度值的重复性也差。
数显维氏硬度计
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 。
脆性材料拉伸试验的屈服点： 试样卸除载荷后，其标距部分的残余伸长率达到试样标距 长度的0.2%时的应力，用符号σ
长试样：L0=10d0 , 短试样：L0=5d0
2. 拉伸过程：
拉伸过程
拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线：
1）op/pe段：直线(弹性变性) 2）es段：曲线(弹性变形+塑性变形) 3）s s’段：水平线（略有波动）， 塑性变形, 作用的力基本不变，试样 连续伸长。 4）s’b曲线：弹性变形+塑性变形 5）b点：出现缩颈现象，即试样局 部截面明显缩小试样承载能力降低， 拉伸力达到最大值，试样即将断裂。
2、 金属材料按是否含Fe元素分为： 1）黑色金属：铁族材料，指Fe及以Fe为基的合金。 ① 钢：碳钢，合金钢，特殊性能钢等。 ②铸铁：灰铸铁，球墨铸铁，可锻铸铁，蠕墨铸铁等。 2）有色金属：非铁族材料，指黑色金属以外的所有金 属及合金。 ①铜及铜合金。 ②铝及铝合金，等等。
3）粉末金材料
• 在机械制造中应用的金属以黑色金属为主，占90%以 上。
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 筑及桥梁中，等等，——统称为工程材料。 • 其中用来制造各种机电产品的材料，——称为机械工 程材料， 主要包括： 1）金属材料：钢，铸铁，铜及铜合金，等等。 2）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 合而成的多相材料。 • 金属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： 1）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）
1.屈服强度（屈服极限、屈服点）： 当载荷增达到s点时，拉伸曲线出现了平台，即试 样所承受的载荷几乎不变，但塑性变形不断增加，这 种现象称为屈服。 屈服点是指在外力作用下开始产生明显塑性变形 的最小应力。用σs表示。
计算公式:
Fs σs= S0
应用：制作机械零件和工 程构件时的选材和设计的依据 。
e－残余压痕深度增量，0.002mm为单位
HRC 10HBS ( HBW )
洛氏硬度计
洛氏硬度的分类及应用
标度 压头 总载荷 应用范 （kg） 围
60 70~85
适用材料 硬质合金、 表面淬火的钢 软钢、退火钢、 铜合金
120º 金刚 HRA 石圆锥 HRB
Φ1.588mm
钢球
100
150
25~100
2 疲劳强度 许多零件如曲轴、齿轮、连杆、弹簧 等在交变载荷作用下工作，发生断裂时的 应力远低于该材料的屈服强度，这种现象 叫疲劳破坏。据统计，80%机件失效是由 于疲劳破坏。 疲劳强度——金属材料在无数次交变载荷 作用下而不致于引起断裂的最大应力。
材料的疲劳强度通常在旋转对称弯曲疲劳试验机上测 定疲劳曲线,即交变应力与断裂前的循环次数N之间的 关系。有色金属N》108，钢材N>107 不疲劳破坏
应力集中
三、金属材料的性能：
1、使用性能： 指材料在使用过程中所表现的性能，主要包括力学性 能、物理性能和化学性能。 物理性能：密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、 磁性。如，飞机上使用的零件要求比重轻；电机、电 器用零件要考虑导电性， 等等。 化学性能：室温或高温时抵抗各种化学作用的能力， 也称化学稳定性， 包括耐酸性、耐碱性、抗氧化性等 等。如，化工设备、医疗器械要求化学稳定性好。 同时，各种金属材料存在各不相同的使用性能。因此： 1）我们必须首先熟悉各种金属材料的主要性能。 2）才能根据不同的技术要求，选择合适的金属材料。 比如：1）医疗器械 →不锈钢。 2）飞机上使用的零件，要求比重 轻，当然强度也要高→铝合金甚至复合材料。
（1）弹性变形： 材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来 形状，这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形。
F F F
（2）塑性变形:
材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形，称 为塑性变形。
F F F
很显然，金属材料具有不同的弹性和塑性，那么，金属材 料的弹性和塑性如何衡量？ 1、弹性的衡量：弹性模量E
1）伸长率（ δ ）
δ=
l1-l0 l0
×100%
l1——试样拉断后的标距,mm; l0——试样的原始标距,mm。
2）断面收缩率（ Ψ ）
Ψ=
S0-S1 S0
×100%
S0——试样原始横截面积,mm2； S1——颈缩处的横截面积,mm2 。 δ、ψ越大，材料塑性越好。
(三) 强 度
• 金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力——强 度。按作用力性质不同，可分为屈服强度（屈服点） 及抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。在 工程上常用来表示金属材料强度的指标有屈服强度和 抗拉强度。
数显显微硬度计
二、 动载时材料的力学性能
1、冲击韧性:金属材料抵抗冲击载荷作用而不 破坏的能力叫做冲击韧度。常用一次摆锤冲击 试验来测定金属材料的冲击韧度。
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 ） 等于摆锤冲击试样前后 的势能差。 试验过程如图所示。 计算公式 Ak=GH1 - GH2 =G（H1 - H2） 冲击韧度（a k）：冲击吸收功除以试样缺口处截面积。
ak = AK/S （J·cm-2）
Ak—冲断试样所消耗的冲击功（J） S—试样断口处的原始截面积（cm2）
材料韧性判据为冲击韧性ak ，低值为脆性材料， 高值为韧性材料。
在冲击载荷下工作的零件，很少是受大能量一次冲击 而破坏的；往往是受小能量多次重复冲击而破坏的。
试验表明：在冲击能量不太大的情况下，其承受反复 冲击的能力主要取决于强度，而不是很高的冲击韧性ak 。
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
低碳钢拉伸过程变化的三个阶段： 弹性变形阶段 塑性变形阶 颈 段缩现象至断裂
另， 脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）
F
0
ΔL
脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。
（二）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 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。 • 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。
2、工艺性能： 指在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加 工和热处理的性能。 包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切 削加工性能和热处理工艺性能等。
那么，为什么金属材料或者黑色金属材料是用来制造机器的最 主要材料？这是因为：
其具有优良的机械性能（力学性能）、工艺性能，并具较好的 物理性能及化学稳定性。 那么，什么是金属材料的机械性能（力学性能）？什么是金属 材料的工艺性能？什么是金属材料的物理性能及化学性能？
第1节 金属材料的力学性能 力学性能：材料在外力（静载荷、动载荷、交变载荷）作用下， 所表现出的性能。包括强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强 度等,是选择、使用金属材料的重要依据。 一、 静载时材料的力学性能 （一） 静载拉伸试验 1. 拉伸试样（GB6397-86）
0.2表示。
计算公式:
F
σs=
Fs S0 F0.2 S0
F0.2
脆性材料的屈服点
σ0.2=
0
0.2%L0
ΔL
应用：σs和σ0.2常作为零件选材和设计的依据。
2. 抗拉强度（强度极限）:材料承受最大载荷时的应力。 用σb表示。
计算公式:
Fb σb= S0
应用：制作机械零件和工 程构件时的选材和设计的依据
布氏硬度试验原理图
布氏硬度计
计算公式：
HB
压入载荷（N） 压痕的表面积（mm2） 2F 0.102 D( D D2 d 2 )
压头是直径为D的钢球或硬质合金球。 • 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）
断 裂 断 裂 点 不 断 裂
疲劳曲线
疲劳破坏原因: 材料有杂质,表面划痕,能引起应力集中 （指受力构件由于几何形状、外形尺寸发生突变而引起局部范 围内应力显著增大的现象 ）,导致微裂纹,裂纹扩展致使零 件不能承受所加载荷突然破坏.
产生疲劳破坏的原因
材料有杂质、表面划伤等Biblioteka 陷微裂纹 裂纹扩展 破 坏
洛氏硬度计用金刚石圆 锥或钢球为压头，实 验时是根据测量到的 压入深度，转变成刻 度盘上的数据。
洛氏硬度一般用于HB>450
洛 氏 硬 度 试 验
1－试样表面 2－基准线 F0－初始试验力 F1－主试验力 F－总试验力