第一章-材料力学性能
材料力学性能
材料力学性能
§1- 2 弹性变形
3、说明： ——弹性变形的力学性能指标
1) Pmax一般远大于Pp、Pe（三个数量级）；
实际金属在外力远低于Pmax时就产生了塑性变形甚至断裂。
2) P与Δr = r - rO并非正比关系; 而实际金属拉伸时其Pe、Pp均较小(远小于Pmax)，此时P与Δr近 似直线，故弹性强度指标有比例极限σp与弹性极限σe之分，且 σp <σe σp一般用于计量弹簧设计; σe一般用于工程构件中的弹簧钢设计
3)弹性变形随应力的变化速度为声速。
材料力学性能
§1- 2 弹性变形
——弹性变形的力学性能指标
二、弹性模量：
表征材料(在弹性变形阶段)对弹性变形的抗力.
1、定义:
拉：σ= Eε
E：弹性模量（杨氐）
扭：剪切应力τ= Gγ G：切变模量
E、G越大，则材料的抗力越大，或变形越小。
弹性模量是组织不敏感因素指标，仅与原子间作用力有关.
原子间作用力：吸引力、相斥力；且二者均与原子间
的相互距离（2r）有关
吸引力：原子核中质子(正离子)与其它原子的电子
云之间的作用力：P1∝1/r²
相斥力：离子之间及电子之间的作用力：P2∝-1/r4
材料力学性能
则有： P = P1+ P2 = A/r²-Ar0²/r4 其中： P1= A/r²为引力项， P2=-Ar0²/r4 为斥力项
滑移：在形变温度不低的情况下产生于滑移系多的晶系，对变
形量的贡献大(>90%)；
孪生：产生于滑移系少的晶系，且须冲击应力(来不及传递开)、
温度较低等条件下才发生，对变形量的贡献小
01第一章材料的性能
四、冲击韧性
是指材料抵抗冲击载荷
作用而不破坏的能力。
指标为冲击 韧性值ak(通 过冲击实验
测得)。
冲击实验
缺口试样在摆锤 摆动过程中弯曲 断裂，由摆锤的 高度差(h-h’)， 可以求出摆锤所 失去的能量，即 样品断裂所吸收 的能量；用上述 能量除以试样缺 口处的原始截面 积，规定为冲击 韧性k。
塑性指标与塑性加工特别是冷加工性能有关
金箔
一克黄金可以打制成约0.5平方米的纯金箔，厚度为0.12m。
说明： ① 用断面收缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。 ② 直径d0 相同时，l0， 。只有当l0/d0 为常数时，塑 性值才有可比性。 当l0=10d0 时，伸长率用 表示；
当l0=5d0 时，伸长率用5 表示，显然5>
五、导电性 与导热性类似，用电阻率或电导率表示 银，铜，铝电阻率小 玻璃和陶瓷电阻率则很大
六、磁性
根据在磁场中的行为材料有以下分类： 抗磁性材料 顺磁性材料 软磁材料 加磁场时易磁化，外磁场去 掉后，磁性基本消失---纯铁，硅钢片。 铁磁性材料
硬磁材料
加磁场时易磁化，去掉外磁场 后，长期保持较高磁性---钕铁硼。
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。
神 舟 一 号 飞 船
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
一、弹性和刚度 二、强度与塑性 三、硬度 四、冲击韧性 五、疲劳 六、断裂韧性
一般，材料熔点越高，高温下保持高 强度能力越强。
三、热膨胀性
线膨胀系数----物体在温度升高一度时 某一方向长度的变化 精密机械要求线膨胀系数小 可以利用热膨胀特性制造温控阀 热膨胀使材料在加热和冷却过程中产生 热应力
第一章 金属材料的力学性能
度
A、C标尺为100
B标尺为130
机 械 制
造
基
础
§1.2 硬度
第一章 金属材料的力学性能
二、洛氏硬度
标注——用符号HR表示， A标尺HRA B标尺HRB C标尺HRC
如： 42 HRA
机
械
硬度值 A标尺
制
造
基
础
§1.2 硬度
第一章 金属材料的力学性能
三、维氏硬度 测定原理——基本上和布氏硬度相同，只是所用 压头为金刚石正四棱锥体
冲击韧度高
机
•冲击能量高时， --材料的冲击韧度主要取决于材料的塑性，塑性高则
韧度高
械 制
造
基
础
第一章 金属材料的力学性能
第一章 金属材料的力学性能
§1.1 强度和塑性
§1.2 硬度
§1.3 冲击韧度
§1.4 疲劳强度
本章小结
机
械
制
造
基
础
§1.4 疲劳强度
第一章 金属材料的力学性能
疲劳强度
Sl110000%%Sl10lS0 110100%0%
Sl 二者的值越大塑性越好 00
lS0 0
机 械 制
原始原横始截标面距积
试样拉试断样后断的裂标处距截面积
造 基
础
第一章 金属材料的力学性能
第一章 金属材料的力学性能
§1.1 强度和塑性
§1.2 硬度
§1.3 冲击韧度
§1.4 疲劳强度
本章小结
第一章 金属材料的力学性能
由主金要属内材容料：制成的零、部件，在工作过
程中金都属要材承料受的外力力学性(或能称指载标荷和) 测作试用方而法产，
工程材料学-1材料的力学性能
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： LKL010% 0
L0
δ < 2 ~ 5% 属脆性材科
δ≈ 5 ~ 10% 属韧性材料
δ > 10%
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
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。
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。
培训目的
工程材料学-1材料的力学性能
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。
材料力学性能
材料⼒学性能第⼀章：绪论⼀、需要掌握的概念材料⼒学性能的定义、弹性变形、线弹性、滞弹性、弹性后效、弹性模量、泊松⽐、弹性⽐功、体弹性模量⼆、需要重点掌握的内容 1、弹性模量的物理本质以及影响弹性模量的因素； 2、掌握根据原⼦间势能函数推倒简单结构材料弹性模量的⽅法； 3、弹性⽐功的计算，已知材料的应⼒应变曲线能求出材料卸载前和卸载后的弹性⽐功。
材料⼒学性能的定义 是指材料（⾦属和⾮⾦属等）及由其所加⼯成的⼯件在外⼒（拉、压、弯曲、扭转、剪切、切削等）作⽤下⾬加⼯、成型、使役、实效等过程中表现出来的性能（弹塑性、强韧性、疲劳、断裂及寿命等）。
这些性能通常受到的环境（湿度、温度、压⼒、⽓氛等）的影响。
强度和塑性和结构材料永恒的主题！弹性变形 是指材料的形状和尺⼨在外⼒去除后完全恢复原样的⾏为。
线弹性 是指材料的应⼒和应变成正⽐例关系。
就是上图中弹性变形⾥前⾯的⼀段直线部分。
杨⽒模量（拉伸模量、弹性模量） 我们刚刚谈到了线弹性，在单轴拉伸的条件下，其斜率就是杨⽒模量（E）。
它是⽤来衡量材料刚度的材料系数（显然杨⽒模量越⼤，那么刚度越⼤）。
杨⽒模量的物理本质 样式模量在给定环境（如温度）和测试条件下（如应变速率）下，晶体材料的杨⽒模量通常是常数。
杨⽒模量是原⼦价键强度的直接反应。
共价键结合的材料杨⽒模量最⾼，分⼦键最低，⾦属居中。
对同⼀晶体，其杨⽒模量可能随着晶体⽅向的不同⽽不同，俗称各向异性。
模量和熔点成正⽐例关系。
影响杨⽒模量的因素内部因素 --- 原⼦半径 过渡⾦属的弹性模量较⼤，并且当d层电⼦数为6时模量最⼤。
外部因素1. 温度：温度升⾼、原⼦间距增⼤，原⼦间的结合⼒减弱。
因此，通常来说，杨⽒模量随着温度的上升⽽下降。
2. 加载速率：⼯程技术中的加载速率⼀般不会影响⾦属的弹性模量。
3. 冷变形：冷变形通常会稍稍降低⾦属的弹性模量，如钢在冷变形之后，其表观样式模量会下降4% - 6%。
泊松⽐简单来说，泊松⽐就是单轴拉伸或压缩时材料横向应变和轴向应变⽐值的负数。
材料力学性能
断面收缩率（ψ）：
ψ ＝（S0－S1）/S0×100%
式中 L0－试样的原始长度
L1－试样拉断时的标距长度
S0－试样的原始截面积
S1－试样断裂处的横截面积
δ和ψ愈大，则塑性愈好。良好的塑性是金属 材料进行塑性加工的必要条件。
三、硬度
硬度：金属材料表面抵抗局部变形的能力
最常用的硬度指标有：布氏硬度（HB)、洛 氏硬度 (HR系列)和维氏硬度（HV）。
有些机件在工作时要受到高速作用的载荷冲击， 如锻压机的锤杆、冲床的冲头、汽车变速齿轮、 飞机的起落架等。
瞬时冲击引起的应力和应变要比静载荷引起的 应力和应变大得多，因此在选择制造该类机件 的材料时，必须考虑材料的抗冲击能力，即冲 击韧度。
TITANIC
TITANIC的沉没与船体材料脆性断裂失效有关!!!
冲击韧度：金属材料抵抗冲击载荷作用而不破
坏的能力。常用一次摆锤冲击试验来测定金属
材料的冲击韧度(大能量、一次冲断）。
试验表明，在冲击载荷不太大的值对组织缺陷很敏感，因此冲击试验是生 产上用来检验冶炼、热加工、热处理等工艺质 量的有效方法。
2F
N mm2
D(D D2 d 2 )
式中：F—试验力，N；D—压头 的直径,mm
2.洛氏硬度
试验时，先加初试验 力（预载荷），然后 加主试验力，压入试 样表面之后，去除主 试验力，在保留初试 验力的情况下，根据 试样残余压痕深度增 量来衡量试样的硬度 大小。
洛氏硬度试验原理图
四、冲击韧度（ak）
第一章 金属材料的力学性能
金属材料力学性能指标主要包括：强度、塑性、 硬度、韧性、疲劳强度等。
材料力学性能教案
材料力学性能教案第一章：材料力学性能概述教学目标：1. 理解材料力学性能的概念及其重要性。
2. 掌握材料力学性能的主要指标。
3. 了解不同材料的力学性能特点。
教学内容：1. 材料力学性能的概念：定义、重要性。
2. 材料力学性能的主要指标：弹性模量、屈服强度、抗拉强度、韧性、硬度等。
3. 不同材料的力学性能特点：金属材料、非金属材料、复合材料等。
教学活动：1. 引入讨论：为什么了解材料的力学性能很重要？2. 讲解材料力学性能的概念及其重要性。
3. 通过示例介绍不同材料的力学性能特点。
4. 练习计算材料力学性能指标。
作业：1. 复习材料力学性能的主要指标及其计算方法。
2. 选择一种材料，描述其力学性能特点，并解释其在实际应用中的作用。
第二章：弹性模量教学目标：1. 理解弹性模量的概念及其物理意义。
2. 掌握弹性模量的计算方法。
3. 了解弹性模量在不同材料中的变化规律。
教学内容：1. 弹性模量的概念：定义、物理意义。
2. 弹性模量的计算方法：胡克定律、应力-应变关系。
3. 弹性模量在不同材料中的变化规律：金属材料、非金属材料、复合材料等。
教学活动：1. 复习上一章的内容，引入弹性模量的概念。
2. 讲解弹性模量的计算方法，并通过示例进行演示。
3. 通过实验或示例观察不同材料的弹性模量变化规律。
作业：1. 复习弹性模量的概念及其计算方法。
2. 完成弹性模量的计算练习题。
第三章：屈服强度与抗拉强度教学目标：1. 理解屈服强度与抗拉强度的概念及其物理意义。
2. 掌握屈服强度与抗拉强度的计算方法。
3. 了解屈服强度与抗拉强度在不同材料中的变化规律。
教学内容：1. 屈服强度与抗拉强度的概念：定义、物理意义。
2. 屈服强度与抗拉强度的计算方法：应力-应变关系、极限状态方程。
3. 屈服强度与抗拉强度在不同材料中的变化规律：金属材料、非金属材料、复合材料等。
教学活动：1. 复习上一章的内容，引入屈服强度与抗拉强度的概念。
结构设计原理-第一章-材料的力学性能-习题及答案
结构设计原理-第一章-材料的力学性能-习题及答案结构设计原理-第一章-材料的力学性能-习题及答案第一章材料的力学性能一、填空题1、钢筋混凝土及预应力混凝土中所用的钢筋可分为两类：有明显屈服点的钢筋和无明显屈服点的钢筋，通常分别称它们为____________和。
2、对无明显屈服点的钢筋，通常取相当于残余应变为时的应力作为假定的屈服点，即。
3、碳素钢可分为、和。
随着含碳量的增加，钢筋的强度、塑性。
在低碳钢中加入少量锰、硅、钛、铬等合金元素，变成为。
4、钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求主要是、、、。
5、钢筋和混凝土是不同的材料，两者能够共同工作是因为、、6、光面钢筋的粘结力由、、三个部分组成。
7、钢筋在混凝土中应有足够的锚固长度，钢筋的强度越、直径越、混凝土强度越，则钢筋的锚固长度就越长。
8、混凝土的极限压应变包括和两部分。
部分越大，表明变形能力越，越好。
9、混凝土的延性随强度等级的提高而。
同一强度等级的混凝土，随着加荷速度的减小，延性有所，最大压应力值随加荷速度的减小而。
10、钢筋混凝土轴心受压构件，混凝土收缩，则混凝土的应力，钢筋的应力。
11、混凝土轴心受拉构件，混凝土徐变，则混凝土的应力，钢筋的应力。
12、混凝土轴心受拉构件，混凝土收缩，则混凝土的应力，钢筋的应力。
二、判断题1、混凝土强度等级是由一组立方体试块抗压后的平均强度确定的。
2、采用边长为100mm的非标准立方体试块做抗压试验时，其换算系数是0.95。
3、混凝土双向受压时强度比其单向受压时强度降低。
4、线性徐变是指徐变与荷载持续时间之间为线性关系。
5、对无明显屈服点的钢筋，设计时其强度标准值取值依据是条件屈服强度。
6、强度与应力的概念完全一样。
7、含碳量越高的钢筋，屈服台阶越短、伸长率越小、塑性性能越差。
8、钢筋应力应变曲线下降段的应力是此阶段拉力除以实际颈缩的断面积。
9、有明显流幅钢筋的屈服强度是以屈服下限为依据的。
10、钢筋极限应变值与屈服点所对应的应变值之差反映了钢筋的延性。
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。
1.1材料的力学性能
洛氏硬度测试示意图
洛 氏 硬 度 计
h1-h0
（2）符号及标注 符号：HR 常用三种标度符号：HRA HRB 标注方法： 数值＋符号 如：５２ HRC ７０ HRA （3）应用
HRC
压痕小，在批量成品或半成品质量检验中广 泛应用，并可测量较薄的工件或较薄的硬化层。
HRA用于测量高硬度材料, 如
三、硬度 含义：是指材料在外力作用下抵抗局部变形， 特别是塑性变形、压痕或 划痕的能力，通俗 说材料抵抗外力压入其表面的能力。硬度是 衡量材料软硬程度的判据。 硬度判据：布氏硬度HB 洛氏硬度HR 维氏硬度ＨＶ
测量方法：硬度实验法
１、布氏硬度HB
（1）测量方法：用直径D钢球或硬质合金球， 一定载荷p ，保持一定时间卸除，由读数显微 镜测得压痕直径d，计算得到。（单位Mpa） 注：实际应用中，不需计算，根据d查布氏硬度 表即可。
2、塑性
含义：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。 指标（两个）： 伸长率： 断面收缩率：
l1 l 0 100% l0
F0 F1 100% F0
断裂后
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
说明：
① 用表示塑性比伸长率更接近真实变形。 ② 与试样尺寸 有关，d0 相同时，l0，，故5> 10。只 有l0/d0 为常数时， 才有可比性。 ③ > 时，无颈缩，为脆性材料表征
关
Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图） 的冲击试验结果
Titanic
近代船用钢板
五、疲劳强度
何为疲劳？材料在低于s的循环交变应力作 用下发生断裂的现象。（举例） 疲劳强度的含义：材料抵抗疲劳破坏的能力。 指标： 疲劳极限：材料在规定次数应力循环后仍不 发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用N 表示（对称循环交变应力-1 。） 钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为 108。
工程材料的力学性能
第一章工程材料的力学性能本章要点：力学性能是指材料在外力作用时表现出来的性能。
力学性能包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。
硬度值可以间接地反映材料的强度、塑性和韧性以及材料在化学成分、金相组织和热处理工艺上的差异，因而硬度试验在工程上应用十分广泛。
生产中常用的硬度试验是布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。
熟悉和掌握工程材料力学性能的重要性：在机械设备及工具的设计、制造中选用工程材料时，大多以力学性能为主要依据。
一、载荷的概念：材料在加工及使用过程中所受的外力。
载荷分类：1.根据作用性质不同分静载荷：静载荷是指大小不变或变动很慢的载荷；冲击载荷：冲击载荷是指突然增加的载荷；疲劳载荷：疲劳载荷是指所经受的周期性或非周期性的动载荷也称循环载荷。
2.根据载荷作用方式不同分为拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷等，如图1-1所示。
二、变形的概念：材料受不同载荷作用而发生的几何形状和尺寸的变化。
变形的分类：弹性变形塑性变形内力为材料受外力作用后，为保持其不变形，在材料内部作用着与外力相对抗的力。
应力为单位截面积上的内力。
材料受拉伸载荷或压缩载荷作用时，其横截面积上的应力（按下式计算：F 式中SF——外力N；S——横截面积m2；σ——应力Pa，应力单位是Pa，1Pa＝1N／m2。
当面积用mm2时，则应力可用MPa为单位。
1MPa1N／mm2＝106Pa §1.1 静载荷条件下材料的力学性能一、强度材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度，强度大小通常用应力来表示。
根据载荷作用方式不同，强度可分为抗拉强度σb、抗压强度σbc、抗弯强度σbb、抗剪强度τb和抗扭强度τt等五种。
一般情况下多以抗拉强度作为判别材料强度高低的指标。
抗拉强度是通过拉伸试验测定的。
拉伸试验的方法是用静拉力对标准试样进行轴向拉伸，同时连续测量力和相应的伸长，直至断裂。
根据测得的数据，即可求出有关的力学性能。
下面把试验作一简单介绍：1拉伸试样拉伸试样的形状一般有圆形和矩形两类。
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。
工程材料第一章--金属材料的力学性能
数值越大，表明材料的断裂韧性越好！
压痕法
试样表面抛光成镜面，在显微硬度仪上，以10Kg负 载在抛光表面用硬度计的锥形金刚石压头产生一压 痕，这样在压痕的四个顶点就产生了预制裂纹。根 据压痕载荷P和压痕裂纹扩展长度C计算出断裂韧性 数值（KIC）。
第一章 金属材料的力学性能
机械零部件在使用过程中一般不允许发生塑性变形，所以 屈服强度是零件设计时的主要依据，也是评定材料强度的 重要指标之一
（三）抗拉强度
表明试样被拉断前所能承载的最大应力
σb＝ Fb / A0
Fb :试样在破断前所承受的最大载荷
➢ 表示塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力，也 表示材料抵抗断裂的强度，即断裂强度。
若F 确定，硬度值只与压痕投影的两对角线的平均长 度d有关，d越大，HV越小。
维氏硬度值一般只写数值。 硬度值+硬度符号+试验力大小（kgf）及试验力保持时 间（10-15s不标注）
提问
640HV30的具体意义？
表示在30kgf的试验载荷作用下，保持10-15s时 测得的维氏硬度值为640。
640HV30/20的具体意义？
布氏硬度值单位为N/mm2，但一般只写数值。 硬度值+硬度符号+球体直径+试验力大小及试验力保持 时间（10-15s不标注）
提问
170HBW10/1000/30的具体意义？
表示用直径10mm的硬质合金球，在9807 N(1000 kgf) 的试验载荷作用下，保持30s时测得的布氏硬度值为170。
530HBW5/750的具体意义？
➢ 抗拉强度是零件设计时的重要依据，也是评定金 属材料的强度重要指标之一。
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2.硫（S）：钢材中的有害元素，具有热脆性（温度达到 800-1000℃时，硫化铁会熔化使钢材变脆，从而引 发热裂纹）。规范规定结构用钢中硫的含量不得超过 0.05%。
3. 氧（O）：有害杂质，与S相似。
4.磷（P）：磷在一定程度上可提高钢的强度和抗锈蚀的 能力。钢材中的有害元素，具有冷脆性（温度较低时 促使钢材变脆）。因此，磷的含量也要严格控制，规 范中规定不得超过0.045%。
1.碳（C）：形成钢材强度的主要成分，随其含量 增加，强度增加，塑性和韧性降低，可焊性和 抗腐蚀性降低。
碳素钢按碳含量区分，小于0.25％的为低 碳钢，介于0.25％和0.6％之间的为中碳钢， 大于0.6％的为高碳钢。钢结构用钢中，碳含 量一般控制在0.22%以下，当其含量在0.2％ 以下时，可焊性良好。
应力集中对σ-ε曲线关系的影响
(6)温度的影响
(N / mm 2 )
(%)
fu
正温范围：
（1）温度在150℃以内，钢材材
质变化很小，钢结构可用于温度 不高于150℃的场合。 （2）温度在250℃左右的区间内
δ fy
出现蓝脆现象，fu 有局向。
（3）当温度达到600℃时，钢材
（4）不同牌号和等级的钢材具有不同的转变温度区和转变温度，均应通过试验来确定。 在钢结构设计中，为了防止脆性破坏，选用钢材时应使其工作温度大于T1,接近T0。
(8) 钢材的疲劳
疲劳破坏的特征
定义：钢材在循环荷载作用下，应力虽然低于极限强度，甚至低于屈服强度，
但仍然会发生断裂破坏，这种破坏形式就称为疲劳破坏。
冲击断裂功
脆性破坏
两种破 坏均有
转变温 度区
塑性破坏
（2）钢材由塑性破坏转变为 脆性破坏是在温度区间T1 ～ T2内完成的，此温度区间称为 钢材的脆性转变温度区。
（3）在脆性转变温度以下，钢材表现为 完全的脆性破坏；而在全塑性转变温度以
T1 T0 T2 冲击韧性和温度关系示意图
试验温度
上，钢材则表现为完全的塑性破坏。
℃
进入热塑性状态，强度下降严重， 将丧失承载能力。
温度对钢材力学性能的影响
负温范围：随着温度的降低，钢材的强度提高，而塑性和韧性降低， 逐渐变脆，称为钢材的低温冷脆。钢材的冲击韧性对温度的降低十 分敏感。
（1）冲击功曲线的反弯点
T0称为转变温度。界限温度 T1和T2分别为脆性转变温度 和全塑性转变温度。
钢结构施工
学习情境1 钢结构平台施工
(1)化学成份的影响
钢材的化学成分直接影响钢的组织构造，从而影响 钢材的力学性能。铁（Fe）是钢材的基本元素，普通 碳素钢中占99%，此外还有碳（C）、硅（Si）、锰 （Mn）等有益元素，及硫（S）、磷（P）、氧（O）、 氮（N）等有害元素，这些总含量不大，约1%，但对 钢材力学性能却有很大影响。低合金钢中有＜5%的合 金元素，如铜(Cu)、钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)、铬 (Cr)等。
应力集中现象
不同槽口试件静力拉伸试验的应力——应变曲线
σ (N/mm2)
0.4
700 ①
600
②
500
400
③
①
可以看出截面槽
φ10
②
口改变愈急剧，应 力集中现象愈厉害，
25
其抗拉强度愈高，
φ10
③
④ 但塑性愈差，破坏
300
100
的脆性倾向愈大。
200
φ10 ④
100
测距100
ε
0
10
20
30
%
d）《钢结构设计规范》将Q235牌号的钢材选为承重结构用钢。其化学成分和 脱氧方法、拉伸和冲击试验以及冷弯试验结果均应符合规范GB/T700的要 求。
第二章 钢结构的材料
（2）低合金高强度结构钢(GB/T 1591-1994)
a)含碳量均不大于0.20％，强度的提高主要依靠添加少量几种合 金元素来达到，但合金元素的总量低于5％。
9.铜（Cu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有一定 影响。
（3） 钢材的硬化
1.冷作硬化 在冷加工或一次加载使钢材产生较大 的塑性变形的情况下，卸载后再重新加载，钢 材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象 。
2.时效硬化 随着时间的增加，纯铁体中有一些数 量极少的碳和氮的固熔物质析出，使钢材的屈 服点和抗拉强度提高，塑性和韧性下降的现象 。 在交变荷载、重复荷载和温度变化等情况下， 会加速时效硬化的发展。
3.应变时效硬化 钢材产生一定数量的塑性变形后， 铁素体晶体中的固溶碳和氮更容易析出，从而 使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化现象。
在高温作用下会快速发展（人工时效）
a)时效硬化及冷作硬化
b) 应变时效硬化
硬化对钢材性能的影响
(5)应力集中的影响
在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽 口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化和内部 缺陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀， 而是在一些区域产生局部高峰应力，形成所谓 应力集中现象。
破坏过程：裂纹的形成----裂纹的扩展----最后的迅速断裂而破坏 破坏特点：
（1）疲劳破坏时的应力小于钢材的屈服强度，钢材的塑性还没有展开，属 于脆性破坏。 （2）疲劳破坏的断口与一般脆性破坏的断口不同。一般脆性破坏后的断口 平直，呈有光泽的晶粒状或人字纹。而疲劳破坏的主要断口特征是放射和年 轮状花纹。 （3）疲劳对缺陷十分敏感。
6 建筑用钢种类、规格和选用
6.1 建筑用钢的种类
（1）碳素结构钢（GB/T 700-1988）
a）碳素结构钢的表达方式由（屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号和 脱氧方法符号）四个部分组成。
b)质量等级符号是根据钢材的化学成分和冲击韧性不同化分为A、B、C、D共4 个质量等级。
c)脱氧方法符号也有四种，其中F代表沸腾钢，b代表半镇静钢，Z代表镇静钢， TZ代表特种镇静钢，在具体标注时Z和TZ可以省略。
5.氮（N）：有害杂质，与P相似。
6.锰（Mn）：有益元素。在普通碳素钢中，是一种弱脱 氧剂，可提高钢材强度，与S形成MnS，熔点1600℃， 可以消除硫对钢材的热脆影响。
7.硅（Si）：有益元素。在普通碳素钢中，是一种强脱氧 剂，常与锰共同除氧，生成镇静钢。
8.钒（V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳化物 具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。