工程材料学-材料的力学性能培训课件

低碳钢的应力-应变曲线
1.2.1 拉伸试验
应力-应变曲线
将拉伸力—伸长曲线的纵、横坐标分别用 拉伸试样的原始截面积S0和原始标距长度 L0去除，则得到应力-应变曲线。因均系以 一常数相除，故曲线形状不变。这样的曲
线称为工程应力-应变曲线。
应力σ＝F / S0
应变ε＝ΔL/ L0
1. 弹性指标：
弹性:
1.2.1 拉伸试验
2．屈服阶段（曲线cd段）
当拉力超过Fe后继续增加，达到Fs（即曲线上 c点）时，试样的伸长突然增加。在拉伸曲线上 表现为一横平线段cd。它说明此时拉力虽然没 有增加，但试样好象屈服于外力而自行伸长， 这种现象称为屈服现象。cd段称为屈服阶段， 它所对应的外力称为屈服力，以Fs表示。
材料的力学性能：
材料用于结构零件时，其力学性能是工程设 计的基本依据；以其它性能如物理、化学性 能作为主要使用要求时，其力学性能同样也 是设计的重要参考依据。
不同的工作条件和环境下，对力学性能的要 求与侧重各有不同。
1.1.2 材料力学性能指标
§1－2 材料的静载力学性能
静载荷：
是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。
如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在 1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏 硬度值为120。
布氏硬度的特点
为了使同一材料用不同的P和D值测得 的HB值相同，应使P/D2=常数。
压坑面积大，误差小， 但不宜检验成品、小件、薄件； HB650 不适； 多用于毛坯及原材料。
3. 维氏硬度 HV (Viker’s hardness)
测试原理：
维氏硬度测试原理与布氏 硬度相同，不同点是压头为金 刚石四方角锥体，所加负荷较 小。所测硬度值精确。改变负 荷可测定从极软到极硬材料的 硬度。
维氏硬度值的表示方法
硬度值+HV+试验力（kgf）数字+载荷保持时间 例：640HV30/20
拉伸试验的主要力学性能指标小结
力学性 能
强度
塑性
弹性 刚性
性能指标 符号
名称
说明
σb
抗拉强度 试样在拉断前承受的最大应力值
σs
屈服强度 材料开始产生屈服现象时的应力
σ0.2
条件屈服 对于无明显屈服的材料，规定残余应变为0.2
强度
时所对应的应力值
δ（ δ5、δ10） ψ
断后伸长率 试样断后标距与原始标距之比的百分率，试 样的长度/直径比为5、10时记为δ5、δ10
1.2.1 拉伸试验
拉伸曲线分成弹性变形、屈服、均匀塑性 变形和局部塑性变形等四个阶段。
45号钢的外力-伸长曲线
1.2.1 拉伸试验
1．弹性变形阶段（曲线ob段）
在这个阶段中试样的变形是弹性的。如果在试 验过程中卸除拉力F，则试样的伸长便消失， 试样标距恢复到原长L0，不产生残余伸长。超 过b点它就会产生塑性变形。b点所对应的外力 为试样产生弹性变形的极限外力，以Fe表示。
2.洛氏硬度 HR ( Rockwell hardness )
洛氏硬度测试示意图
h1-h0
2.洛氏硬度 HR ( Rockwell hardness )
测试原理：用一定规格的压头，在一定载荷作用 下压入试样表面，然后测定压痕的深度来计算并 表示其硬度的大小，用符号HR来表示。
主要有HRA、HRB、HRC、HRF等。
1.2.1 拉伸试验
3．均匀塑形变形阶段（曲线de段）
在此阶段中，试样的一部分产生塑性变形，虽 然这一部分截面减小，使此处承受负荷能力下 降。但由于变形强化的作用而阻止塑性变形在 此处继续发展，使变形推移到试样的其它部位。 这样、变形和强化交替进行，就使试样各部位 产生了宏观上均匀的塑性变形。曲线上的d点是 屈服阶段结束点也是加工硬化开始点。
工程材料学
南京航空航天大学 梁文萍
第一章 材料的力学性能
材料的静载力学性能 ◇拉伸试验 ◇硬度
材料的动载载力学性能 ◇冲击试验 ◇疲劳试验
断裂韧性
学习目的和要求
1. 理解材料常用力学性能指标的物理意义。
2. 了解强度、塑性、硬度及冲击韧性指标的测 试方法以及使用这些指标时应注意的局限性， 重点掌握布氏硬度和洛氏硬度的优缺点、相 互关系以及应用场合。
5. 里氏硬度（Leeb’s hardness）:
测试原理：
里氏硬度试验也是动载荷试验法，它是 用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定速度 冲击试样表面，用冲头(碳化钨球)的回弹速度表 征金属的硬度值。里氏硬度的符号为HL。
适用范围:
➢ 测量薄板类 ➢ HV≈HBS
维氏硬度的特点
HV值不随载荷变化，即不同载荷下的HV可 相互比较；
测量精度高，测量范围广； 特别适用于测定工件表面硬化层、金属镀 层及薄片金属的硬度。
4. 显微硬度
测试原理：
与维氏硬度完 全相同，只是所用 载荷要小得多。常 用于测定材料中某 个相的硬度。
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1.2.1 拉伸试验
2．屈服阶段（曲线cd段）
其实，试样在超过弹性极限的外力作用下，即 在bc段．就已开始产生塑性变形。不过，此时 所产生的塑性变形量甚微，不易觉察罢了。而 当达到屈服阶段时，则塑性变形突然增加。因 此，可以把这种拉力不增加而变形仍能继续增 加的现象，表观上看作是金属从弹性变形阶段 到塑性变形阶段的—个明显标志。
1.2.1 拉伸试验
3．均匀塑形变形阶段（曲线de段）
试样在屈服力Fs作用下，屈服变形直至d点，至 此，屈服阶段已告结束。此后必须进一步增加 拉力才能使试样进一步伸长。在de这一阶段中， 金属变形具有另一种特点．即随着变形量的增 加金属不断强化，这种现象称为加工硬化（或 变形强化）。表现在拉伸曲线上就是de段不断 上升。
布氏硬度计
用于测定硬度不高的 金属材料。主要有铸 铁、有色金属、低合 金结构钢、结构调质 钢等。
1. 布氏硬度( Brinell-hardness )
测定原理：
用一定大小的载荷P，把直 径为D的淬火钢球压入被测金 属的表面，保持一定的时间后 卸除载荷，用金属压痕的表面 积，除载荷所得的商值即为布 氏硬度值。
δ > 10%
属塑性材料
3. 塑性指标：
断面收缩率ψ： 断后试样横截面积的最大缩减量与原始横截
面积之比的百分率，即：
S0 SK 100% S0
3. 塑性指标：
材料的塑性指标一般不直接用于机械设计计算。 零件遭受意外过载或冲击时，通过塑性变形可 以避免突然断裂。 材料具有一定塑性可保证某些成型工艺（如冷 冲压、轧制、冷弯等）顺利进行。 对于金属材料，塑性指标还反映了其冶金质量 的好坏。
象，规定产生0.2%的残余变形时材料所承受 的应力。
强度极限（抗拉强度）σb ： 试样能承受的最大应力。表征材料对最大
均匀变形的抗力。
2. 强度指标：
比强度 ：
材料的强度值与密度值之比
名称 纯铝 纯铁 纯钛
密度(g / cm3) 2.7 7.87 4.5
强度( MPa ) 80～100 180～280 405～500
1.2.1 拉伸试验
4．局部塑形变形阶段（曲线ef段）
在这一阶段，变形将全部局限于试样的缩颈 处．使缩颈部位的横截面积急剧减小。因此外 力F不断降低，缩颈部位仍继续伸长，最后就 在缩颈处产生断裂。拉伸曲线上与e点相对应的 外力Fb．为试样断裂前所能承受的最大拉力。
1.2.1 拉伸试验
应力-应变曲线
1.2.1 拉伸试验
1．弹性变形阶段（曲线ob段）
在弹性变形阶段内的oa段，试样的伸长与外力 成正比例直线关系，即每增加一定外力，就对 应一定的伸长量，因此，oa段也称为线弹性变 形阶段。一旦外力超过曲线上的a点时，正比例 关系就破坏了。而该点对应的外力Fp称为比例 变形的极限外力。ab段为弹性变形的非线性阶 段，此阶段很短，一般不容易观察到。
1. 弹性指标：
弹性模量E（在工程上也称材料的刚度） ：
应力-应变曲线上完全弹性变形阶段,应力 与应变的比值,即:
E
E主要取决于金属的本身性质，难以通过合 金化、热处理和加工的办法使之改变。
1. 弹性指标：
弹性模量E （在工程上也称材料的刚度） ：
它表示材料在外载荷F作用下抵抗弹性变形的能力。 材料的弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间 的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大， 所以说它是一个对组织不敏感的性能指标，这是弹 性模量在性能上的主要特点。改变材料的成分和组 织会对材料的强度（如屈服强度、抗拉强度）有显 著影响，但对材料的刚度影响不大。
2. 强度指标：
强度： 表征材料对变形和断裂的抗力的指标，单位
为MPa或N/mm2。
屈服强度 σs： 试样屈服时承受的最小应力 。表征材料对明显
塑性变形的抗力。屈服是指拉伸过程中，应力不增 加或有所下降而试样能继续变形的状态。
2. 强度指标：
条件屈服强度σ0.2 ： 某些材料在拉伸试验中没有明显的屈服现
金属材料受外力作用时产生变形，当外力 去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。
弹性变形:
随完全卸载而消失的变形。
刚性:
材料抵抗弹性变形的能力。
1. 弹性指标：
弹性极限σe ：
完全卸载后不出现任何明显残余应变的最大应力,
即:
e
Fe So
比例极限σp ：
金属拉伸曲线的初始阶段，力与变形成直线比例 关系，而这个阶段的最大应力称为比例极限。
布氏硬度测量示意图
HBW F
2F
S D(D D2 d 2 )
适用范围:
❖ ＜450HBS ❖ ＜650HBW
布氏硬度测试规范：
根据材料的软硬和试样的不同选择合适的载荷P与钢球 直径D。d/D应在0.24~0.6之间。
布氏硬度值的表示方法
符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号 后面的数字按顺序分别表示球体直径（mm）、载荷 及（N）载荷保持时间（s） 。
材料的静载力学性能指标：
主要有强度、塑性、硬度等。
1.2.1 拉伸试验
1.2.1 拉伸试验
GB/T228-2002
标准拉伸试样
1.2.1 拉伸试验
拉伸曲线
应力-应变曲线
应力σ＝F / S0
应变ε＝Δl / l0
1.2.1 拉伸试验
试样在拉伸时的伸长和断裂过程 a）试样 b）伸长 c）产生缩颈 d）断裂
比强度 30～37 23～36 90～111
3. 塑性指标：
塑性变形： 不可恢复的永久变形。塑性是表征材料断
裂前具有塑性变形的能力。
断后伸长率δ（δ5、δ10）：
断后试样标距伸长量与原始标距之比的百分率，
即： LK L0 100%
L0
δ < 2 ~ 5% 属脆性材科
δ≈ 5 ~ 10% 属韧性材料
§1－1 材料的力学性能
1.1.1 概念与定义
材料的性能：材料在外界因素作用下所表现 出来的行为。
力学性能 物理性能 化学性能 工艺性能
1.1.1 概念与定义
材料的力学性能： 材料在一定环境因素下承受外加
载荷所表现出来的行为，通常表现 为变形（几何形状和尺寸的变化） 与断裂。
1.1.1 概念与定义
工程中常用的硬度指标有： 布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度
硬度的种类及测试方法
布氏硬度 HB=F/S
材料表明局部 地区抵抗变形
的能力
压入法
加载 速率
硬度 试验 方法
静载 试验法
动载 试验法
划痕法
莫氏硬度
洛氏硬度 维氏硬度 显微硬度 肖氏硬度
锤击布氏 硬度
压痕深度
材料变形 功的大小
材料抵抗破断的能力
1. 布氏硬度( Brinell-hardness )
洛氏硬度值的表示方法
硬度值可从洛氏硬度计的百分度盘上直接读 出，标记时将硬度值置于HR前。 例：60HRC、75HRA
洛氏硬度的特点
迅速方便，可直接读数； 压坑小，适于薄材或成品的检测； 误差稍大，宜不同部位多点测量取 平均值。
2.洛氏硬度 HR ( Rockwell hardness )
3. 维氏硬度 HV (Viker’s hardness)
1.2.1 拉伸试验
4．局部塑形变形阶段（曲线ef段）
在de里，随着变形量的增加，变形强化能力逐 渐减小，终于发生变形强化跟不上变形的发展， 从而塑性变形集中在试样的某一部位进行，致 使该处截面不断减小，而形成“缩颈”现象。 这样，试样从产生缩颈开始就结束了均匀塑性 变形阶段而进入局部塑性变形阶段，其分界处 就是拉伸曲线上最高的e点。
断面收缩率 试样拉断处横截面积减缩量与原始横截面积 的百分比
σe
弹性极限 产生完全弹性变形时所能承受的最大应力
σp
比例极限 产生弹性变形并完全符合虎克定律时所能承
受的最大应力
E
弹性模量 完全弹性变形时应力与应变的比值，表征材
料对弹性变形的抗力
1.2.2 硬度
硬度是材料表面抵抗局部压入变形或 刻划破裂等的能力。