第一章 金属材料的力学性能讲解

第一章 金属材料的力学性能
第一节 金属材料的强度与塑性
材料的性能
1、使用性能 —材料在使用过程中所表现的性能
力学性能 物理性能 化学性能
2、工艺性能 —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。
铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压 性能、切削加工性能、热处理工艺性能 3、材料的力学性能
压头为一定直径的硬质合金球，符号HBW表示
标注方法： 硬度值+HBW+D+F+t
例如：120HBW10/1000/30
表示直径为 10mm 的硬质合金球 在1000kgf 载荷作用下保持 30s 测得的布氏硬度值为120 。
痕压度硬氏布
? 布氏硬度的优点： 测量误差小，数据稳定。 ? 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬
? 压头是对面夹角为 136°的正四棱锥体金刚石，测 出压痕的对角线长度，再计算。
F
F
HV ? 0.102 Ao ? 0.189 d 2
Kgf/mm2
式中：
F—试验力，N
Ao—压痕面积，mm2 d—压痕对角线的算术平均值，mm。
? 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。
1．强度
材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。
（1） 弹性极限（Rp）
指金属材料能保持弹性变形的最大应力。
Rp =Fp/S0 （MPa） 它表征了材料抵抗弹性变形的能力。
（2） 屈服强度（RS）
指材料在外力作用下，产生屈服现象时的最小应力。
RS =Fs/S0 （MPa） 它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。
的材料。
? 应用：适于测量退火、正火、调质钢 , 铸铁及有色金 属的硬度。
? 材料的? b与HB之间的经验关系： 对于低碳钢 : ? b(MPa)≈3.6HB 对于高碳钢： ? b(MPa)≈3.4HB 对于铸铁： ? b(MPa)≈1HB 或 ? b(MPa)≈ 0.6(HB -40)
2、洛氏硬度 洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002
? 维氏硬度常用来测试薄片材料、金属镀层及 零件表面硬化层的硬度，但试验麻烦，不宜用于 成批生产的常规检验。
2. 应变 d0
F
l0
拉伸前 dU
lU
拉伸后
F 应变：物体形状尺寸所发 生的相对改变。
物体内部某处的线段在变 形后长度的改变值同线段 原长之比值称为“线应变”
? l l0 ? ?
3.两种基本变形
（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。
当材料单位面积上所受的
应力Rp<R<Rs时，只产生
微量的塑性变形。当
R>Rs 时，材料将产生明
F
?
s0.2
F0.2
s
m
显的塑性变形。
p
对于低塑性材料或脆性材料：
条件屈服强度: R0.2=F 0.2/S0 （M0P.2a%）l0
屈服强度 — 是塑性材料选材和评定的依据。
k
?l ?
（3）抗拉强度（Rm ） 抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。
压头为锥角 120°的金刚石圆锥体或者直径为 1.5875mm 的球（淬火钢球或硬质合金球）
标注方法：符号 HR前面的数字为硬度值，后面为 使用的标尺。
例如： 50HRC
计度硬氏洛
根据压头类型和主载荷不同，分为九 个标尺，常用的标尺为A、B、C。
洛氏硬度测试示意图
h1-h0
? HRA 用于测量高硬度材料 , 如 硬质合金、表淬层和渗碳层。
钢球压头与金 刚石压头
? HRB 用于测量低硬度材料 , 如 有色金属和退火、正火钢等。
? HRC 用于测量中等硬度材料， 如调质钢、淬火钢等。
? 洛氏硬度的优点 ：操作简
便，压痕小，适用范围广。
? 缺点：测量结果分散度大。
洛氏硬度压痕
3、维氏硬度
维氏硬度试验原理
维氏硬度压痕
维氏硬度计
维氏硬度和布氏硬度的测定原理相似
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
拉伸试验
F
d0
F
l0
L 拉伸前
dU
lU
拉伸后
材料的拉伸曲线
1、op段：直线、弹性变形
F
Fm
2、ps段：曲线、弹性变形+塑性变形 ?
3、s s' 段：水平线（略有波动）
Fs
明显的塑性变形屈服现象，作用
Fp
的力基本不变，试样连续伸长。
d0
F
l0
断面收缩率: Z ? s0 ? sU ? 100% s0
L du
良好的塑性是金属材料进行
塑性加工的必要条件。
lu
第二节 金属材料的硬度
定义：材料抵抗表面局部变形的能力。特别是塑形变
形、压痕或划痕的能力。
2F
1、布氏硬度HBHBW
?
0.102
? D( D
?
D2 ? dΒιβλιοθήκη Baidu2 )
布 氏 硬 度 计
Rm =Fm/S0 （MPa） 它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。
物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力 抗拉强度 — 是脆性材料选材的依据。
2. 塑性
材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。
常用 A 和 Z 作为衡量塑性的指标。
伸长率： A ? lU ? l0 ? 100% F l0
? 维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。
显微维氏硬度计
计度硬氏维荷负小
? 维氏硬度值一般不标单位，在符号 HV前写出 硬度值。
? 维氏硬度试验因试验力小（常用 49.03N）压 痕浅，轮廓清晰，数值准确，试验力选择范围大 （49.03~980.7N ），所以可测量从很软到很硬材 料的硬度，维氏硬度值之间能直接进行比较。
指材料在外力作用下表现出来的性能，主要 有强度、塑性、硬度、冲击韧度 和疲劳强度 等。
常用术语
1.应力
作用在机件上的外力——载荷
静载荷 动载荷
F
F
F'
F
F = F'
R?
F' ?
F
（MPa ） R= F' /S
SS
外力 —— 内力——应力
应力：物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。同截 面垂直的称为“正应力”或“法向应力”，同截面相 切的称为“剪应力”或“切应力”。
4、s' m曲线：弹性变形+均匀塑性变形
5、m点出现缩颈现象，即试样局部
o
截面明显缩小试样承载能力降低，
拉伸力达到最大值，而后降低，但
变形量增大，K点时试样发生断裂。
F S0 ? ?
拉伸曲线
?
l l0
?
?
应力—应变曲线
m
s s'
p
k
?l ?
p — 弹性极限点 S — 屈服点 m — 极限载荷点 K — 断裂点