第1章 材料的力学性能指标
材料力学性能-第一章-应力应变曲线和弹性变形
2021年10月24日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期日 纯弹性型
大多数玻璃、陶瓷、 岩石、低温下的金属
弹性－均匀塑性型
许多金属和合金、部 分陶瓷和非晶态高聚物
2021年10月24日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期日
低温和高应变 速率下的fcc金属。 其塑性变形常常是 通过孪生实现的。 当孪生速率超过夹 头运动速率时出现 此种类型曲线。
弹性－不均匀塑性型
2021年10月24日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期日
弹性－不均匀塑 性－均匀塑性型
弹性－不均匀塑 性－均匀塑性型
一些bcc的铁基合金 和若干有色合金。
一些结晶态的高聚 物和未经拉伸的非晶 态高聚物
2021年10月24日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期日 同一种材料在不同拉伸条件下其应 力－应变曲线也会不同。比如，退火低 碳钢在低温下脆性大大增加，其拉伸曲 线就只有弹性变形部分。
表1-2 几种常用材料的比弹性模量
材料
铜 钼 铁 钛 铝 铍 氧化铝 碳化硅
比弹性模量/×108cm 1.3 2.7 2.6 2.7 2.7 16.8 10.5 17.5
2021年10月24日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期日 三、弹性比功 表示金属材料吸收弹性变形功的能力。
用金属材料开始塑性 σ
2021年10月24日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期日
影响因素
弹性变形是原子间距在外力作用
下可逆变化的结果，因而弹性模量E与
原子间作用力和原子间距都有关系。原 子间作用力取决于原子本性和晶格类
型，故E也取决于原子本性与晶格类
型。
2021年10月24日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期日
工程材料的性能
布氏硬度操作
(3)表示方法 表示方法 例如： 例如： 120HBS10/1000/30 （4）特点： ）特点： (5)适用范围：铸铁、 适用范围：铸铁、 适用范围 铸钢、 铸钢、非铁金属材 料及热 处理后钢材 毛坯或半成品. 毛坯或半成品
2.洛氏硬度(HR) 2.洛氏硬度(HR) 洛氏硬度 (1)测试原理 测试原理： (1)测试原理： (2)表示方法 表示方法： (2)表示方法： 硬度标尺：HRA、 硬度标尺：HRA、 HRB、 HRB、HRC C标尺最常用 特点： （3）特点： (4)适用范围 适用范围： (4)适用范围： 在批量的成品或半 成品质量检验中广泛 使用. 使用.
KⅠ≥KⅠc时 裂纹就会扩展而导致低应力脆断， 当 KⅠ≥KⅠc时，裂纹就会扩展而导致低应力脆断，此 式称为K判据。 式称为K判据。
K 2 ac = 1C ） （ Yσ
Y a
1.3 材料在动载荷作用下的力 学性能
动载荷是指突加的、冲击性的， 动载荷是指突加的、冲击性的，大小和方向随 时间而变化的载荷。 时间而变化的载荷。 材料在动载荷作用下的力学 性能，包括冲击韧度和疲劳强度。 性能，包括冲击韧度和疲劳强度。
屈服点σ 和屈服强度σ (3) 屈服点σs和屈服强度σ0.2 抗拉强度σ (4) 抗拉强度σb
(5) 塑性 断后伸长率δ 1）断后伸长率δ 100% ［（L δ＝［（L1-L0）/L0］×100% 注意： 注意： δ和δ5的区别
2）断面收缩率ψ 断面收缩率ψ ψ＝［(S0－S1)/S0］×100% 100%
1.布氏硬度（HB） 1.布氏硬度（HB） 布氏硬度 (1)测试原理 用一直径为D 测试原理： (1)测试原理：用一直径为D的 钢球或硬质合金球， 钢球或硬质合金球，以相应的试验 力压入试样表面，保持一定时间后， 力压入试样表面，保持一定时间后， 卸除试验力， 卸除试验力，在试样表面得到一直 径为d的压痕， 径为d的压痕，用试验力除以压痕 表面积所得的值即为布氏硬度值， 表面积所得的值即为布氏硬度值， HB表示 表示。 用HB表示。 计算公式： 计算公式：
材料的性能第一章材料的性能
同的标准。称为标尺A、标尺B、标尺C。洛氏硬度实验是现
今所有使用的几种普通压痕硬度实验的一种。三种标尺的初
始压力均为98.07N（10Kgf)，最后根据压痕深度计算硬度值。
标尺A使用的是球锥菱形压头，然后加压至588.4N（60Kgf）；
标尺B使用的是直径为1.588mm（1/16英寸）的钢球作为压头，
（３）布氏硬度适合于测试成品材料的硬度，维氏硬度可测试整体材料的硬 度；
（４）塑性材料零件可用屈服强度作为设计指标，脆性材料应用抗拉强度作 为设计指标。
第一章 材料的性能
使用性能：材料在使用过程
中所表现的性能。包括力学
神 舟
性能、物理性能和化学性能。
一 号
工艺性能：材料在加工过程
飞 船
中所表现的性能。包括铸造、
锻压、焊接、热处理和切削
性能等。
材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称 为变形。
外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形。 外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。
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
洛氏硬度（HR）测试当被测样品过小或者布氏硬度（HB） 大于450时，就改用洛氏硬度计量。试验方法是用一个顶角 为120度的金刚石圆锥体或直径为1.59mm/3.18mm的钢球， 在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕深度求出材料的硬 度。根据实验材料硬度的不同，可分为三种不同标度来表示：
A<Z 时，有颈缩，为塑性材料表征
材料力学性能-第1章
（1）防止失效
失效形式：过量变形、断裂、磨损、腐蚀 （2）减少经济损失 美国：1982年为1190亿（占GDP4%） 研究认为：采用新技术，可减少1/3损失 2、评价材料和相关制备工艺 3、合理使用材料
兰州理工大学材料科学与工程学院 徐建林
二、研究内容和研究方法
1、研究内容：结合材料的实际服役条件，研究 材料在外力作用下力学性能变化的情况。 2、研究方法 （1）简单到复杂——研究典型工况、典型试样 A、光滑试样：基本力学性能的测定，失效机理 与判据的研究；
（五）、材料力学性能表征
1、材料软硬程度的表征。
2、材料脆性的表征。
3、材料抵抗外力能力表征。 4、材料变形能力的表征。 5、含缺陷材料抗断裂能力的表征。 6、材料抵抗多次受力能力的表征。
7、新材料及特种材料性能的表征。
8、特殊条件下材料性能的表征。 兰州理工大学材料科学与工程学院 徐建林
（六）、意义
（1）分类： 静载荷： 如机器重量对基础的作用。 如齿轮传动。
动载荷：
交变载荷（随时间做周期变化）； 冲击载荷（物体的运动在瞬时突
变所引起的载荷）；如锻打。
兰州理工大学材料科学与工程学院 徐建林
（2）零件在静载荷下变形的基本形式
变形：构件在工作时在外力作用下其几何 形状和尺寸将发生改变的现象。 ①.拉伸和压缩：
兰州理工大学材料科学与工程学院 徐建林
材料的基本性能
1 、 使用性能：物理性能（光、电、磁……） 力学性能 （强度、塑性、硬度……）
2、 加工性能 （可制造性）
热加工：铸、锻、焊、热处理……
冷加工：车、铣、磨……
特种加工：电火花、激光、离子…… 兰州理工大学材料科学与工程学院 徐建林
材料力学性能-考前复习总结（前三章）
材料力学性能-考前复习总结（前三章）金属材料的力学性能指标是表示其在力或能量载荷作用下（环境）变形和断裂的某些力学参量的临界值或规定值。
材料的安全性指标：韧脆转变温度Tk；延伸率；断面收缩率；冲击功Ak；缺口敏感性NSR材料常规力学性能的五大指标：屈服强度；抗拉强度；延伸率；断面收缩率；冲击功Ak；硬度；断裂韧性第一章单向静拉伸力学性能应力和应变：条件应力条件应变 =真应力真应变应力应变状态：可在受力机件任一点选一六面体，有九组应力，其中六个独立分量。
其中必有一主平面，切应力为零，只有主应力，且，满足胡克定律。
应力软性系数：最大切应力与最大正应力的相对大小。
1 弹变1）弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。
ae=1/2σeεe=σe2/2E。
取决于E和弹性极限，弹簧用于减震和储能驱动，应有较高的弹性比功和良好弹性。
需通过合金强化及组织控制提高弹性极限。
2）弹性不完整性：纯弹性体的弹性变形只与载荷大小有关，而与加载方向及加载时间无关，但对实际金属而言，与这些因素均有关系。
①滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。
与材料成分、组织及试验条件有关，组织约不均匀，温度升高，切应力越大，滞弹性越明显。
金属中点缺陷的移动，长时间回火消除。
弹性滞后环：由于实际金属有滞弹性，因此在弹性区内单向快速加载、卸载时，加载线与卸载线不重合，形成一封闭回路。
吸收变形功循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力（塑性区加载，塑性滞后环），也叫内耗（弹性区加载），或消震性。
②包申格效应：定义：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
（反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象。
特别是弹性极限在反向加载时几乎下降到零，这说明在反向加载时塑性变形立即开始了）解释：与位错运动所受阻力有关，在某滑移面上运动位错遇位错林而使其弯曲，密度增大，形成位错缠结或胞状组织，相对稳定。
金属材料的力学性能
第一章金属材料的力学性能机械制造中使用的材料品种很多，为了正确使用材料，并把它加工成合格的工件，必须掌握材料的使用性能和工艺性能。
使用性能，是指为保证工件正常工作材料应具备的性能，包括力学性能、物理和化学性能等。
工艺性能，是指材料在加工过程中所表现出来的性能，包括铸造性能、锻压性能、焊接性能和切削加工性等。
所谓力学性能，是指材料在外力作用下所表现出来的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等，是设计机械零件时选材的重要依据。
这些性能指标是通过试验测定的。
第一节刚度、强度、塑性刚度、强度和塑性是根据试验测定出来的。
将材料制成标准试样(图1-1a)，然后把试样装在试验机上施加静拉力，随着拉力的增加试样逐渐变形，直到拉断为止(图1-1b)。
将试样从开始到拉断所受的力F 及所对应的伸长量ΔL绘制在F—ΔL坐标上，得出力一伸长曲线。
低碳钢的力一伸长曲线如图1—2所示。
从图1—2可知，在OE 阶段，试样的伸长量随拉力成比例增加，若去除拉力后试样恢复原状，这种变形称为弹性变形。
超过E 点后，若去除拉力试样不能完全恢复原状，尚有一部分伸长量保留下来，这部分保留下来的变形称为塑性变形。
当拉力增加到F s 时，力一伸长曲线在S 点呈现水平台阶，即表示外力不再增加而试样继续伸长，这种现象称为屈服，该水平台阶称为屈服台阶。
屈服以后，试样又随拉力增加而逐渐均匀伸长。
达到B 点，试样的某一局部开始变细，出现缩颈现象。
由于在缩颈部分试样横截面积迅速减小，因此使试样继续伸长所需的拉力也就相应减小。
当达到K 点时，试样在缩颈处断裂。
低碳钢在拉伸过程中经历了弹性变形、弹一塑性变形和断裂三个阶段。
F —ΔL 曲线与试样尺寸有关。
为了消除试样尺寸的影响，把拉力F 除以试样原始横截面积A0，得出试样横截面积上的应力，同时把伸长量ΔL 除以试样原始标距L 0，得到试样的应变LL ε∆=0F A σ=σ—ε曲线与F —ΔL 曲线形状一样，只是坐标不同。
材料力学第一章(二) 拉伸过程中的变形及力学性能指标
（6）滞弹性（anelasticity）：在弹性范围内加快加载或卸载后，随时间
延长产生附加弹性应变的现象。
第三页，共28页。
（c）利用包申格效应，如薄板反向弯曲成型。拉拨的钢棒经过轧辊压制变直等。
第十六页，共28页。
塑性变形
塑性变形的方式及特点
➢ 材料宏观塑性变形来源于微观上大量位错运动的结果。 （原子位移总和—表现—变形）
➢ 金属（陶瓷？）材料常见的塑性变形方式为滑移和孪生（材料科学基础）。
滑移是材料在切应力作用下沿滑移面（原子最密排面）和滑移方向（原子最密排方向）
应变硬化特性：金属材料有一种阻止继续塑性变形的能力。 塑性应变是硬化的原因，硬化是塑性变形的结果。
第五页，共28页。
5
一、基本概念
（12）塑性（ plasticity ）：材料断裂前发生塑性变形（不可逆永久变形） 的能力 ，也即固体材料在外力作用下能稳定地产生永久变形而不破坏其完整性
(不断裂、不破损）的能力。 延展性（ ductility）：材料经受塑性变形而不破坏的能力。
（3）弹性模量（ elastic modulus，modulus of elasticity）：是表征材料弹 性的物理参数，是指材料在弹性变形范围内，应力和对应的应变的比值 E=σ/ε，也是材料内部原子之间结合力强弱的直接量度。
第二页，共28页。
2
一、基本概念
（4）刚度（ stiffness）：指物体（固体）在外力作用下抵抗变形的能力 ，可用使产生单位形变所需的外力值来量度。刚度越高，物体表现越硬。
第一章工程材料的力学性能
第二节 材料的硬度 一、布氏硬度HBW 补充说明： （1）硬度超过HB650的材料，不能做布氏硬度试验，这是因为
所采用的压头，会产生过大的弹性变形，甚至永久变形，影 响实验结果的准确性，这时应改用洛氏和维氏硬度试验。 （2）每个试样至少试验3次。试验时应保证两相邻压痕中心的 距离不小于压痕平均直径的4倍，对于较软的金属则不得小于 6倍。压痕中心距试样边缘的距离不得小于压痕直径的2.5倍， 对于软金属则不得小于3倍
可用硬度试验机测定，常用的硬度指标有布氏硬度 HBW、 洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度HV
第二节 材料的硬度 一、布氏硬度HBW （一）试验原理
布氏硬度试验规范
3 8
第二节 材料的硬度 一、布氏硬度HBW （二）应用范围
布氏硬度主要用于组织不均匀的锻钢和铸铁的硬度 测试，锻钢和灰铸铁的布氏硬度与拉伸试验有着较好的对 应关系。布氏硬度试验还可用于有色金属和软钢，采用小 直径球压头可以测量小尺寸和较薄材料。布氏硬度计多用 于原材料和半成品的检测，由于压痕较大，一般不用于成 品检测。
最大力伸长率（Agt)：最大 力时原始标距的伸长与原 始标距之比的百分率。
最大力非比例伸长率（Ag)
二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义
断后收缩率（Z）：断裂后试样横截面积的最大缩减量与原始横截面 各之比的百分率。
第二节 材料的硬度
材料抵抗其他硬物压入其表面的能力称为硬度，它 是衡 量材料软硬程序的力学性能指标。
洛氏硬度计
第二节 材料的硬度 二、洛氏硬度HR （一）实验原理
第二节 材料的硬度 二、洛氏硬度HR (二)应用范围（共15个标尺） 示例：60HRBW
材料力学性能
材料⼒学性能第⼀章⼀.静载拉伸实验拉伸试样⼀般为光滑圆柱试样或板状试样。
若采⽤光滑圆柱试样，试样⼯作长度（标长）l0 =5d0 或l0 =10d0，d0 为原始直径。
⼆.⼯程应⼒：载荷除以试件的原始截⾯积。
σ=F/A0⼯程应变：伸长量除以原始标距长度。
ε=ΔL/L0低碳钢的变形过程：弹性变形、不均匀屈服塑性变形(屈服)、均匀塑性变形(明显塑性变形)、不均匀集中塑性变形、断裂。
三.低碳钢拉伸⼒学性能1．弹性阶段（Ob）（1）直线段（Oa）：线弹性阶段，E=σ/ε（弹性模量，⽐例常数）σp—⽐例极限（2）⾮直线段（ab）：⾮线弹性阶段σe—弹性极限2. 屈服阶段（bc）屈服现象：当应⼒超过b点后，应⼒不再增加，但应变继续增加，此现象称为屈服。
σs—屈服强度（下屈服点），屈服强度为重要的强度指标。
3.强化阶段（ce）材料抵抗变形的能⼒⼜继续增加，即随试件继续变形，外⼒也必须增⼤，此现象称为材料强化。
σb—抗拉强度，材料断裂前能承受的最⼤应⼒4．局部变形阶段（颈缩）（ef）试件局部范围横向尺⼨急剧缩⼩，称为颈缩。
四.主要⼒学性能指标弹性极限（σe）：弹性极限即指⾦属材料抵抗这⼀限度的外⼒的能⼒屈服强度（σs）：抵抗微量塑性变形的应⼒五.铸铁拉伸⼒学性能特点：（1）较低应⼒下被拉断（2）⽆屈服，⽆颈缩（3）延伸率低（4）σb—强度极限（5）抗压不抗拉讨论1：σs 、σr0.2、σb都是机械设计和选材的重要论据。
实际使⽤时怎么办？塑性材料：σs 、σr0.2脆性材料：σb屈强⽐：σs /σb讨论2：屈强⽐σs /σb有何意义？屈强⽐s / b值越⼤，材料强度的有效利⽤率越⾼，但零件的安全可靠性降低。
六.弹性变形及其实质定义：当外⼒去除后，能恢复到原来形状和尺⼨的变形。
特点：单调、可逆、变形量很⼩(<0.5~1.0%)2E 21a 2e e e e σεσ==七.弹性模量1、物理意义：材料对弹性变形的抗⼒。
金工(1)教学基本要求(知识点)
金工(1)教学基本要求(知识点)(2018秋季)第1章工程材料:1. 金属材料常用力学性能指标有哪些?各自概念。
强度、塑性、硬度和韧性强度:材料在外力作用下，抵抗变形和破坏的能力。
塑性:金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。
硬度:材料抵抗硬物压入的能力，也可以说是材料抵抗局部塑性变形或破裂的能力。
冲击韧性:是指材料抵抗冲击载荷的能力，通常用ak表示。
2.金属材料常见的三种晶格类型是什么? α-Fe、γ-Fe 分别是什么晶格类型? 体心立方晶格、面心立方晶格、密排立方晶格α-Fe是体心立方晶格γ-Fe是面心立方晶格3.金属结晶包括哪两个阶段?晶粒尺寸大小与其力学性能的关系。
结晶核心的形成和晶核的长大晶粒细化后，除使材料的强度、硬度提高外，还能使塑性和韧性有较大的改善。
4. 铁碳合金的基本组织有哪些?各自的概念。
合金的基本相结构是什么?铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体铁素体:碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体，称为铁素体（也称α固溶体），常用符号F或α表示。
奥氏体:碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体，称为奥氏体（也称γ固溶体），常用符号A或γ表示。
渗碳体:铁与碳形成的化合物Fe3C，称为渗碳体。
珠光体:是铁素体和渗碳体的机械混合物，通常用符号P表示莱氏体:高温下由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物（用L d表示），或在727°C 以下由珠光体和渗碳体组成的机械混合物（L d’）。
固溶体和金属化合物铁碳合金相图在p145. 钢在室温下的平衡组织分别是什么?钢的含碳量与其力学性能的关系?并从组织上加以解释。
共析钢在室温下的平衡组织为珠光体。
亚共析钢在室温下的平衡组织由铁素体和珠光体组成。
过共析钢在室温下的平衡组织由珠光体和呈网状的渗碳体组成。
当钢中的含碳量小于1.0%时，随含碳量的增加，钢的强度和硬度不断增加，而塑性不断下降；当钢中的含碳量大于1.0%，因网状渗碳体明显增多，致使钢的硬度不断升高，但强度显著下降。
材料的强度与塑性
一、静载单向静拉伸应力――应变曲线
1.拉伸试样：
长试样：L0=10d0 短试样：L0=5d0
2.拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线：
F
0
ΔLLeabharlann 低碳钢拉伸曲线脆性材料拉伸曲线
纵坐标为应力σ 单位 MPa(MN/mm )， 横坐标为应变ε 其中：σ=F/S 表示材料抵抗变形和断裂的能力 ε＝（L1-L0）/L0
3.曲线分为四阶段： 1）阶段I（ope）――弹性变形阶段 p: Fp ，e: Fe （不产生永久变形的最大抗力） op段：△L∝ P 直线阶段 pe段：极微量塑性变形（0.001--0.005%) 2）阶段II（ess’）段――屈服变形 S: 屈服点 Fs 3）阶段III（s’b）段――均匀塑性变形阶段 b: Fb 材料所能承受的最大载荷
0.2
3.塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。 延伸率
延伸率与试样尺寸有关；δ5、δ10 (L0=5d,10d) 断面收缩率 ψ=△A/Ao=(Ao-Ak)/Ao x 100%
> 时，无颈缩，为脆性材料表征； < 时，有颈缩，为塑性材料表征。
断裂后
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
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 还硬的材料。 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0.6(HB-40)
4）阶段IV(bK) 段――局部集中塑性变形－－颈缩 铸铁、陶瓷：只有第I阶段 中、高碳钢：没有第II阶段
工程材料学-材料的力学性能培训课件
1. 布氏硬度( Brinell-hardness )
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。
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
1.2.1 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。
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：
工程材料的力学性能
练习题二
某工厂买回一批材料（要求： бs≥230MPa；бb≥410MPa；δ5≥23%； ψ≥50%）．做短试样（ｌ0=5ｄ0；ｄ 0=10mm）拉伸试验，结果如下： Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm； d1=6.3mm;问买回的材料合格吗？
时间。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 还硬的材料。
适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。
2．洛氏硬度：
延伸率 延伸率与试样尺寸有关；δ5、δ10 (L0=5d,10d)
思考:同一材料δ5 ＞ δ10？
断面收缩率
> 时，无颈缩，为脆性材料表征；
拉
< 时，有颈缩，为塑性材料表征。
伸 试
样
的
颈
缩
现
象
断裂后
练习题一
拉力试样的原标距长度为50mm，直径为10mm，经拉力试 验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为 71mm，颈缩区的最小直径为4.9mm，试求该材料的伸长率 和断面收缩率的值？
介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、 弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出 的力学特征。
指标 : 弹性 、刚度、强度、塑性 、 硬度、冲击韧
性 、断裂韧度和疲劳强度等。
工程材料基础知识 课后习题答案
第一章工程材料根底知识参考答案1．金属材料的力学性能指标有哪些？各用什么符号表示？它们的物理意义是什么？答：常用的力学性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等。
强度是指金属材料在静荷作用下抵抗破坏〔过量塑性变形或断裂〕的性能。
强度常用材料单位面积所能承受载荷的最大能力〔即应力σ，单位为Mpa〕表示。
塑性是指金属材料在载荷作用下，产生塑性变形〔永久变形〕而不被破坏的能力。
金属塑性常用伸长率δ和断面收缩率ψ来表示：硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，是衡量材料软硬程度的指标，是一个综合的物理量。
常用的硬度指标有布氏硬度〔HBS、HBW〕、洛氏硬度〔HRA、HRB、HRC等〕和维氏硬度〔HV〕。
以很大速度作用于机件上的载荷称为冲击载荷，金属在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫做冲击韧性。
冲击韧性的常用指标为冲击韧度，用符号αk表示。
疲劳强度是指金属材料在无限屡次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。
疲劳强度用σ–1表示，单位为MPa。
2．对某零件有力学性能要求时，一般可在其设计图上提出硬度技术要求而不是强度或塑性要求，这是为什么？答：这是由它们的定义、性质和测量方法决定的。
硬度是一个表征材料性能的综合性指标，表示材料外表局部区域内抵抗变形和破坏的能力，同时硬度的测量操作简单，不破坏零件，而强度和塑性的测量操作复杂且破坏零件，所以实际生产中，在零件设计图或工艺卡上一般提出硬度技术要求而不提强度或塑性值。
3．比拟布氏、洛氏、维氏硬度的测量原理及应用范围。
答：〔1〕布氏硬度测量原理：采用直径为D的球形压头，以相应的试验力F压入材料的外表，经规定保持时间后卸除试验力，用读数显微镜测量剩余压痕平均直径d，用球冠形压痕单位外表积上所受的压力表示硬度值。
实际测量可通过测出d值后查表获得硬度值。
布氏硬度测量范围：用于原材料与半成品硬度测量，可用于测量铸铁；非铁金属〔有色金属〕、硬度较低的钢〔如退火、正火、调质处理的钢〕〔2〕洛氏硬度测量原理：用金刚石圆锥或淬火钢球压头，在试验压力F 的作用下，将压头压入材料外表，保持规定时间后，去除主试验力，保持初始试验力，用剩余压痕深度增量计算硬度值，实际测量时，可通过试验机的表盘直接读出洛氏硬度的数值。
《材料的力学性能》西北工业大学出版社--复习资料
《材料的力学性能》第一章 材料的拉伸性能名词解释：比例极限P σ，弹性极限e σ，屈服极限s σ，屈服强度0.2σ，抗拉强度b σ，延伸率k δ，断面收缩率k ψ（P7-8），断裂强度f σ（k σ），韧度（P10）1、拉伸试验可以测定那些力学性能？对拉伸试件有什么基本要求？ 答：拉伸试验可以测定的力学性能为：弹性模量E ，屈服强度σs ，抗拉强度σb ，延伸率δ，断面收缩率ψ。
2、拉伸图和工程应力-应变曲线有什么区别？试验机上记录的是拉伸图还是工程应力-应变曲线？答：拉伸图和工程应力—应变曲线具有相似的形状，但坐标物理含义不同，单位也不同。
拉伸图横坐标为伸长量（单位mm ），纵坐标为载荷（单位N ）；工程应力-应变曲线横坐标为工程应力（单位MPa ），纵坐标为工程应变（单位无）。
试验机记录的是拉伸图。
3、脆性材料与塑性材料的应力-应变曲线有什么区别？脆性材料的力学性能可以用哪两个指标表征？答：如下图所示，左图近似为一直线，只有弹性变形阶段，没有塑性变形阶段，在弹性变形阶段断裂，说明是脆性材料。
右图为弯钩形曲线，既有弹性变形阶段，又有塑性变形阶段，在塑性变形阶段断裂，说明是塑性材料。
脆性材料力学性能用“弹性模量“和”脆性断裂强度”来描述。
4、塑性材料的应力-应变曲线有哪两种基本形式？如何根据应力-应变曲线确定拉伸性能？答：分为低塑性和高塑性两种，如下图所示。
左图曲线有弹性变形阶段与均匀塑性变形阶段，没有颈缩现象，曲线在最高点处中断，即在均匀塑性变形阶段断裂，且塑性变形量小，说明是低塑性材料。
右图曲线有弹性变形阶段，均匀塑性变形阶段，颈缩后的局集塑性变形阶段，曲线在经过最高点后向下延伸一段再中断，即在颈缩后的局集塑性变形阶段断裂，且塑性变形量大，说明是高塑性材料。
5、何谓工程应力和工程应变？何谓真应力和真应变？两者之间有什么定量关系？答：6、如何测定板材的断面收缩率？答：断面收缩率是材料本身的性质，与试件的几何形状无关，其测试方法见P8。
工程材料的性能
工程材料的性能
材料的性能：用来表征材料在给定外界 条件下的行为参量，包括使用性能和工艺 性能。 使用性能：材料在使用过程中所表现的 性能。包括力学性能、物理性能和化学性 能。 工艺性能：材料在加工过程中所表现的 性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和 切削性能等。
第一节 材料的力学性能
=P
A y e p
E
1
b s k
ys e p
o
k' =L/L L
弹性极限e：弹性，pe段为非线性。 e与p数值相近。
强度(strength): 材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。 屈服极限或屈服强度(yield strength) ys： 材料是否出现塑性变形的重要强度指标。 极限强度(ultimate strength) b： 反映材料是否破坏的重要强度指标。
(2)洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness )
10HRC≈HBS
洛氏硬度测试示意图 洛 氏 硬 度 计
h1-h0
(3)维氏硬度 HV ( diamond penetrator hardness )
适用范围: 测量薄板类 ; HV≈HBS ;
(4)肖氏硬度 HS (drop hardness )
拉伸试验机
四.低碳钢拉伸应力—应变曲线
常用拉伸试样(圆截面): 标距长度： L =10d 或5d 施加拉伸载荷P，记录P—L曲线; 或(=P/A)—(=L/L)曲线。 低碳钢拉伸应力—应变曲线:
= P A
弹性 屈服 强化 颈缩
P
d
l
P
四个阶段：
弹性阶段：卸载后变形可恢复。
k
颈缩
b
e p
第一章 材料的力学性能
第一章材料的力学性能一、名词解释1、力学性能：材料抵抗各种外加载荷的能力，称为材料的力学性能。
2、弹性极限：试样产生弹性变形所承受的最大外力，与试样原始横截面积的比值，称为弹性极限，用符号σe表示。
3、弹性变形：材料受到外加载荷作用产生变形，当载荷去除，变形消失，试样恢复原状，这种变形称为弹性变形。
4、刚度：材料在弹性变形范围内，应力与应变的比值，称为刚度，用符号E表示。
5、塑性：材料在外加载荷作用下，产生永久变形而不破坏的性能，称为塑性。
6、塑性变形：材料受到外力作用产生变形，当外力去除，一部分变形消失，一部分变形没有消失，这部分没有消失的变形称为塑性变形。
7、强度：材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力，称为强度。
8、抗拉强度：材料在断裂前所承受的最大外加拉力与试样原始横截面积的比值，称为抗拉强度，用符号σb表示。
9、屈服：材料受到外加载荷作用产生变形，当外力不增加而试样继续发生变形的现象，称为屈服。
10、屈服强度：表示材料在外力作用下开始产生塑性变形的最低应力，即材料抵抗微量塑性变形的能力，用符号σs表示。
11、σ0.2：表示条件屈服强度，规定试样残留变形量为0.2％时所承受的应力值。
用于测定没有明显屈服现象的材料的屈服强度。
12、硬度：金属表面抵抗其它更硬物体压入的能力，即材料抵抗局部塑性变形的能力，称为硬度。
13、冲击韧度：材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力，称为冲击韧度，用符号αk表示。
14、疲劳：在交变载荷作用下，材料所受的应力值虽然远远低于其屈服强度，但在较长时间的作用下，材料会产生裂纹或突然的断裂，这种现象称为疲劳。
15、疲劳强度：材料经无数次应力循环而不发生断裂，这一应力值称为疲劳强度或疲劳极限，用符号σ-1表示。
16、蠕变：材料在高温长时间应力作用下，即使所加应力值小于该温度下的屈服极限，也会逐渐产生明显的塑性变形直至断裂，这种现象称为蠕变。
17、磨损：由两种材料因摩擦而引起的表面材料的损伤现象称为磨损。
《金属加工与实训》第1章 第1节 材料的力学性能
疲劳曲线示意图
23
韧脆转变温度曲线示意图
21
1.4 材料的疲劳强度
交变载荷：载荷大小和方向随时间发生周期变化的载荷。 疲劳断裂：零件在交变载荷下经过长时间工作而发生断裂 的现象成为疲劳断裂。 疲劳断裂过程：裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、断裂。
一个疲 劳源
两个疲 劳源
断口示意图
22
1.4 材料的疲劳强度
疲劳极限σ-1：材料可经受无数次 应力循环而不失效的应力值。单 位为MPa。通常规定钢铁材料的 循环基数N=107；非铁金属的循环 基数N=108；腐蚀介质作用下的循 环基数N=106。
金属加工与实训
第1章 金属材料及热处理基础
1
第1节 金属材料的力学性能
1、学习目的 通过本次课的学习，了解金属材料的主要
力学性能。 2、主要内容
（1）强度 （2）塑性 （3）硬度 （4）冲击韧性 （5）疲劳强度
2
第1节 金属材料的力学性能
1.1 强度 1.2 塑性 1.3 硬度 1.4 冲击韧性 1.5 疲劳强度
F (σ)
es p
b k
sb段：均匀塑性变形阶段，是强化
阶段
b点：形成了“缩颈”
o
ΔL（ε）
bk段：非均匀变形阶段，承载下降， 低碳钢的拉伸曲线
到k点断裂
9
1.1 强度
二、强度指标
强度：金属抵抗永久变形和断裂的能力。 弹性极限：是材料产生完全弹性变形时所能承受的最大应力值， 用σe表示，单位为MPa。 屈服强度：是材料开始产生明显塑性变形时的最低应力值。常以 下屈服强度ReL（σs）作为屈服强度的值，单位为MPa。对于高碳 钢、铸铁等材料，以试样拉伸时产生0.2% 残余延伸率所对应的应 力为规定残余延伸强度，记为Rr0.2（σ0.2），即所谓的“条件屈服 强度”。 抗拉强度：是试样拉断前所能承受的最大应力值，用Rm （σb）表 示，单位为MPa。
第一章工程材料的分类与性能指标
如果材料的屈服强度很低而断裂韧度很高，即
使材料中存在裂纹，则在外载荷作用下，材料先发
ห้องสมุดไป่ตู้
生塑性变形，使进一步的破坏为韧性断裂，例如：
中、小截面的中、低强度材料就属于这种情况。这
时断裂韧度就不适合作为材料断裂抗力的主要指标。
当模具的截面尺寸很大或模具材料的强度很高
时，发生裂纹失稳扩展快速断裂的倾向性增加。截 面尺寸大，可能包含的裂纹缺陷就多，而且易造成 硬性的平面应变状态，材料的韧性不能发挥作用， 裂纹前端的应力场强度大，材料的强度高，其塑性 和韧性往往较低，较小的裂纹尺寸即可导致快速断 裂。因此，在这种情况下，为防止低应力脆性断裂， 应该对材料的断裂韧度值提出一定的要求。
（3）疲劳抗力指标 疲劳曲线和疲劳极限：
疲劳曲线
疲劳曲线是疲劳应力与 疲劳寿命（-N）的关系 曲线，也称维勒曲线。
疲劳曲线与疲劳极限 （－1）的测定参阅 国家标准GB4337-84。 （旋转弯曲疲劳实验， 正弦波对称循环条件 下）
对于σb ≤1300MPa的中低强度钢和铸铁材料-N曲线出现水平部分。
疲劳断裂的特点：
· 失效抗力低，应力水平低于材料的抗拉强度， 甚至低于屈服强度。
不论是脆性材料还是韧性材料，均表现为突然 脆性断裂，断口处无明显的宏观塑性变形。
对材料表面及内部缺陷高度敏感。（零件表面 应力集中部位、加工和使用过程中造成的表面损伤、 材料本身的冶金缺陷等均易成为疲劳源。尤其是表 面存在较大拉应力时，疲劳裂纹多萌生于表面应力 集中处。）
无裂纹材料的断裂抗力
一般中、小截面尺寸的中、低强度材料，可
以认为是均匀连续的，没有宏观裂纹存在（即使有
微小裂纹，对断裂过程也不产生重要影响）。
材料力学性能第一章1-2
材料与化工学院
主讲：张振国
材料的力学性能
先修课程：
大学物理、材料力学、理论力学、工程力学以及材
料科学基பைடு நூலகம்等；
涉及课程：
弹性力学、断裂力学、塑性力学、计算力学等。
后续课程：
所有与力学应用相关的课程。
材料的力学性能
金属材料力学性能
陶瓷(非金属)材料力学性能
聚合物(高分子)材料力学性能
复合材料力学性能
二、虎克定律
(一)简单应力状态的虎克定律： 拉伸、剪切、扭转等
(二)广义虎克定律：
§1.2
弹性变形
三、弹性模量(材料的刚度，表征弹性变形的性能指标) 1、杨氏模数E： σ=Eε 2、切变模数G： τ=Gγ 3、实质： 产生100％弹性变形所需的应力。 4、比弹性模数（比模数、比刚度，一般适用于航空业） 指材料的弹性模数与其单位体积质量的比值。 5、影响弹性模数的因素 键合方式和原子结构、晶体结构化学成分、微观组织、 温度、加载条件和负荷持续时间
§1.2 弹性变形
五、滞弹性（补充） 1、弹性分类： 根据应力和应变响应特点: 分为理想弹性(完全弹性); 非理想弹性(弹性不完整性)两类。 2、理想弹性材料： σ= Mε， 并满足3个条件： 应变对于应力的响应是线性的； 应力和应变同相位； 应变是应力的单值函数。 3、非理想弹性材料： 滞弹性、粘弹性、伪弹性及内耗等。
3、其它力—伸长曲线 （非典型力—伸长曲线）
§1.1
拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线
二、应力—应变曲线： 1、工程应力σ—应变ε曲线： σ=F/A0, ε=ΔL/L0 比例极限σp， 弹性极限σe， 屈服点σs， 抗拉强度σb等。
§1.1
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⑵屈服强度：表征材料产生明显塑性变形时的抗力
产生明显塑性变形的应力
⑶抗拉强度：表征材料对最大均匀变形的抗力
拉伸时材料所能承受的最大应力
§1.2 静载下材料的力学性能指标
3. 塑性指标：伸长率和断面收缩率
塑性：材料产生永久变形的能力 用金属断裂时的最大相对塑性变形来表示 ⑴伸长率： δ＝（lk-l0）/l0 断裂后试样标距长度的相对伸长值 ⑵断面收缩率： ψ=(Fk-F0)/F0 断裂前后截面的相对收缩值 伸长率和断面收缩率反应了材料在外力作用下产生永久 变形而不发生破坏的能力
材料是脆断还是韧断与材料本身及其所处状态有关： 应力 变状态及其变化速度、温度
§1.3 动载下的力学性能指标
§1.3.2冲击载荷下力学性能指标:冲击韧性 １.冲击载荷下材料变形及断裂特点：
⑴材料塑性及韧性随相对变形速度增大而降低。 ⑵零件在冲击载荷下失效类型与静载相同。 ⑶冲击韧性随温度变化非常敏感。 ２.冲击韧性测定： 测试原理： ⑴ 冲击试样: ⑵ 方法:一次摆锤冲 击试验法
⑵影响因素
材料种类、纯净度和组织状态 合金钢：普通电炉冶炼：为630MPa 真空冶炼：抗拉强度为789MPa 40Cr钢：退火态，抗拉强度为650MPa， 疲劳极限为314MPa 淬火态：抗拉强度为2080MPa，疲劳极限为775MPa 载荷类型： 40Cr钢：弯曲：退火态疲劳极限为：650MPa 拉压：退火态疲劳极限为：552MPa 零件表面状态：冷热加工形成的表面缺陷降低疲劳极限 正火态45钢：表面光滑：抗拉强度656MPa，疲劳极限为280MPa； 表面有刀痕：抗拉强度654MPa，疲劳极限145MPa 淬火态45钢：表面光滑：抗拉强度1947MPa，疲劳极限780MPa； 表面有刀痕：抗拉强度1922MPa，疲劳极限300MPa 工作温度：高温使疲劳裂纹易形成和扩展，故降低了疲劳极限。 腐蚀介质：零件在腐蚀介质（如酸、碱、盐的水溶液、海水、潮湿 空气等）中工作时，其表面的腐蚀坑成为疲劳裂纹源， 使疲劳极限降低。
§1.2 静载下材料的力学性能指标
§1.2.2 硬度指标
硬度:材料表面抵抗其它硬物压入的能力 材料局部塑性变形抗力大小 1. 布氏硬度：用布氏硬度计测定 注意： ①硬度≤450,压头用淬火钢球:硬度值HBSd/p/t ； 硬度＞450,压头用硬质合金钢球:硬度值HBWd/p/t ②测量退火、正火、调质钢件,铸铁及有色金属零件硬度 ③不同材料的布氏硬度与强度有一定的关系
可铸性 可焊性 可锻性 热处理性能 可切削性
§1.2 静载下材料的力学性能指标
§1.2.1 强度与塑性指标
1. 测定方法:拉伸试验法 ⑴拉伸试样：5倍试样、10倍样 ⑵拉伸试验机：拉伸曲线图 ⑶拉伸曲线图→应力应变图
2. 强度指标： ⑴弹性极限：表征材料开始塑性变形时的抗力
弹性变形过渡到弹－塑性变形的最大应力
§1.3 动载下的力学性能指标
§1.3.1 材料的损坏(失效)方式 1. 过量塑性变形 2. 磨损: 形状与尺寸发生变化 3. 断裂 分类： ⑴韧性断裂：断裂前发生明显塑性变形。 特征：①断裂前有明显塑性变形 ②断口呈暗灰色，纤维状、凹凸不平。 ⑵脆性断裂：断裂前无明显塑性变形，为突然断裂。 特征：①脆断时工作应力很低（小于屈服强度） ②脆断的断口齐平、光亮。
第一章 工程材料的力学性能指标
§1.1 概述 §1.2 静载下材料的力学性能指标业：Ｐ１：１、 （3）
§1.1 概述
零件选材过程
性能要求分析→性能指标→材料性能指标→材料
材料性能
使用性能：材料在使用过程中表现出的性能 物理性能：密度、熔点、导热性、导电性等 化学性能：耐蚀性、抗氧化性等 力学性能：强度、塑韧性、硬度、疲劳强度 工艺性能：材料在成形加工过程中表现出的性能
低碳钢：σ＝0.36HBS； 高碳钢：σ＝0.34HBS； 调质合金钢：σ＝0.325HBS； 灰铸铁：σ＝0.1HBS
2. 洛氏硬度：洛氏硬度计测定 压头：①顶角为120°金刚石圆锥体； ②直径为1.588mm钢球 加载方式：两次加载 硬度值：HR＝Ｋ－h/0.02(h:压痕深度) 种类、表示方法及适用范围：
§1.3 动载下的力学性能指标
3. 冲击韧性的意义及应用 ⑴Ａk的物理意义：表征材料抵抗冲击的能力 冲击韧性值等于试样断裂前所吸收的能量。 即：Ak=mg(h1-h2) ⑵冲击韧性的应用： ①评定原材料的冶金质量及热加工后的产品质量： ②评定材料在不同温度下的脆性转化趋势； ③确定材料的应变时效敏感性
§1.3.3交变载荷下力学性能指标:疲劳强度
1. 疲劳: 零件在交变载荷长时间作用下发生断裂的现象 特点：断裂前无明显塑变，断裂突然发生。 疲劳断裂应力低于静载下的屈服强度。 2. 疲劳抗力指标及其影响因素： ⑴疲劳抗力指标：疲劳极限（材料抵抗交变应力的能力） 测定方法：疲劳试验法→交变应力与循环周次曲线 材料经受无限次应力循环后不断裂的最大循环应力即 为疲劳极限
类 型 HRA HRB HRC 压 头
120°金刚石圆锥
1.588mm钢球
120°金刚石圆锥
总负荷 测量值有效范围 应用范围 588Ｎ 60～85HRA 硬质合金、表面 980Ｎ 25～100HRB 有色金属 1470Ｎ 20～67HRC 调质、淬火钢
3. 维氏硬度：用维氏硬度计测量
压头：维氏硬度用锥面夹角为136 °的金刚石四棱锥体。 主要用于测量表面硬度。 表示方法：硬度值ＨＶp