工程材料及热处理
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P
F0
第2章 工程材料及热处理
式中： σ——应力（MPa）； P——载荷（N）； F0——试样的原始截面面积（mm2）。 常用的强度指标有弹性极限、 屈服强度和抗拉强度。
第2章 工程材料及热处理
1） 弹性极限 弹性极限是试样在弹性变形范围内承受的最大拉 应力， 用符号σe表示。 即：
e
Pe F0
第2章 工程材料及热处理
表2-1 布氏硬度试验规范
第2章 工程材料及热处理
2. 洛氏硬度 洛氏硬度试验法采用金刚石圆锥体或淬火钢球压 入金属表面， 如图2-4所示。 用一定直径（D）的淬火 钢球或硬质合金球在初载荷与初、 主载荷的先后作用 下， 将压头压入试件表面。 经规定的保持时间后卸除 主载荷， 根据压痕深度确定金属硬度值。 根据所用压头种类和所加试验力， 洛氏硬度分为 HRA、 HRB及HRC等。 表2-2所列为有关洛氏硬度指 标的规定。
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第2章 工程材料及热处理
2.1.2 硬度 硬度是材料表面抵抗局部塑性变形的能力， 是反
映材料软硬程度的力学性能指标。 硬度是材料的一个 重要指标， 其测试方法简便、 迅速， 不需要专门试样， 也不损坏试样， 设备也很简单。 而且对大多数金属材 料， 可以从硬度值估算出它的抗拉强度。 硬度值是通 过试验测得的。
第2章 工程材料及热处理
HBS P 0.102 P N / mm2
F
DH
式中： P——试验力（kgf）； F——表面积（mm2）； H——压痕深度（mm）； D——压头直径（mm）。
第2章 工程材料及热处理
由于压痕深度H的测量比较困难， 而测量压痕直 径d比较方便， 因此上式中H可换算成压痕直径d。 即：
第2章 工程材料及热处理
加 载P
卸载
D d
图2-3 布氏硬度试验原理示意图
第2章 工程材料及热处理
1. 布氏硬度 布氏硬度试验原理如图2-3所示。 用一规定直径 （D为10.5 mm和2.5 mm）的淬火钢球或硬质合金球以 一定的试验力压入所测表面， 保持一定时间后卸除试 验力， 随即在金属表面出现一个压坑（压痕）。 以压 痕单位面积上所承受试验力的大小确定被测材料的硬 度值， 用符号HBS（淬火钢球压头）或HBW（硬质合 金钢球压头）表示， 如45钢调质后其硬度为220～240 HBS。
第2章 工程材料及热处理
第2章 工程材料及热处理
2.1 金属材料的力学性能 2.2 铁碳合金相图 2.3 钢的热处理 2.4 碳钢与合金钢 2.5 铸铁 2.6 非金属及新型材料 习题2
第2章 工程材料及热处理
2.1 金属材料的力学性能
2.1.1 强度和塑性 1. 强度 材料在受载荷过程中一般会出现三个过程， 即弹
E
弹
式中： E——弹性模量（Pa）； σ ——在弹性范围内的应力（Pa）； ε弹——在弹性范围内的应变（%）。
第2章 工程材料及热处理
3. 塑性 金属材料在载荷作用下， 在断裂前产生塑性变形 的能力称为塑性。 常用的塑性指标有伸长率δ和断面收 缩率ψ两种。 1） 伸长率 伸长率是试样被拉断时的标距长度的伸长量与原 始标距长度的百分比， 用符号δ表示。 即：
第2章 工程材料及热处理
3） 抗拉强度
抗拉强度是指试样在拉断前所承受的最大拉应力。
即：
b
Pb F0
式中： σb——抗拉强度（MPa）； Pb——试样在断裂前的最大载荷（N）； F0——试样的原始截面面积（mm2）。
第2章 工程材料及热处理
2. 刚度 在外力作用下， 材料抵抗弹性变形的能力称为刚 度。 衡量刚度大小的指标是弹性模量。 弹性模量是材 料在弹性变形范围内， 应力与应变（即试样的相对伸 长量Δl/l0）的比值， 即：
HBS 0.102
2F
D(D D2 d 2 )
式中： d——压痕直径（mm）。
第2章 工程材料及热处理
由于金属材料有软有硬， 工件有薄有厚、 有大有 小， 如果仅采用一种标准的试验力P和钢球直径D， 就会出现如下现象： 如果对硬的材料适合， 对软的材 料就会发生钢球陷入金属内部； 若对厚的材料适合， 对薄的材料就会产生压透现象等等。 因此在生产中进 行布氏硬度试验时， 要求使用不同大小的试验力和不 同直径的钢球或硬质合金球。 因此在进行布氏硬度试 验时， 钢球直径D、 试验力P与力保持时间应根据所 测试金属的种类和试样厚度， 按表2-1所示布氏硬度试 验规范， 正确进行选择。
L1 L0 100 %
L0
式中： L0——试样原始标距长度（mm）； L1——试样拉断时的标距长度（mm）。
第2章 工程材料及热处理
2） 断面收缩率 断面收缩率是指试样被拉断时， 缩颈处横截面积 的最大缩减量与原始横截面积的百分比， 用符号ψ表 示。 即：
F0 Fk 100 %
F0
式中： Fk——试样被拉断时缩颈处最小横截面积（mm2）； F0——原始截面面积（mm2）。
性变形、 塑性变形和断裂。 弹性变形是指材料在载荷 卸除后能恢复到原形的变形， 而塑性变形是载荷卸除 后永久保留下来的变形。 对于不同类型的载荷， 这三 个过程的发生和发展是不同的。
第2章 工程材料及热处理
使用中一般多用静拉伸试验法来测定金属材料的强度 和塑性指标。 低碳钢试棒的拉伸过程具有典型意义。 将拉伸试棒按GB 6397—86的规定， 制成如图2-1所示 的试棒， 在拉伸试验机上缓慢增加载荷， 记录载荷与 变形量的数值， 直至试样拉断为止， 便可获得如图22所示的载荷与变形量之间的关系曲线， 即拉伸曲线。
第2章 工程材料及热处理
l
0
图2-1 钢的拉伸试棒
d0
第2章 工程材料及热处理
Pb Pe s Pg e Pp p
载 荷P
b k
o 伸 长 量l
图2-2 退火低碳钢拉伸曲线
第2章 工程材料及热处理
无论何种材料， 其内部原子之间都具有平衡的原子 力相互作用， 以使其保持其固定的形状。 材料在外力 作用下， 其内部会产生相应的作用力以抵抗变形， 这 种作用力称为内力。 材料单位截面上承受的内力称为应 力， 用σ表示。 金属材料的强度是用应力来表示的。
式中： σe——应力（MPa）； Pe——载荷（N）； F0——试样的原始截面面积（mm2）。
第2章 工程材料及热处理
2） 屈服强度
试棒屈服时的应力为材料的屈服点， 称为屈服强
度， 用σS表示。 σS表示金属抵抗小量塑性变形的应力。 即：
式中：
S
PS F0
σS——屈服强度（MPa）; PS——试样屈服时载荷（N）; F0——试样的原始截面面积（mm2）。
F0
第2章 工程材料及热处理
式中： σ——应力（MPa）； P——载荷（N）； F0——试样的原始截面面积（mm2）。 常用的强度指标有弹性极限、 屈服强度和抗拉强度。
第2章 工程材料及热处理
1） 弹性极限 弹性极限是试样在弹性变形范围内承受的最大拉 应力， 用符号σe表示。 即：
e
Pe F0
第2章 工程材料及热处理
表2-1 布氏硬度试验规范
第2章 工程材料及热处理
2. 洛氏硬度 洛氏硬度试验法采用金刚石圆锥体或淬火钢球压 入金属表面， 如图2-4所示。 用一定直径（D）的淬火 钢球或硬质合金球在初载荷与初、 主载荷的先后作用 下， 将压头压入试件表面。 经规定的保持时间后卸除 主载荷， 根据压痕深度确定金属硬度值。 根据所用压头种类和所加试验力， 洛氏硬度分为 HRA、 HRB及HRC等。 表2-2所列为有关洛氏硬度指 标的规定。
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第2章 工程材料及热处理
2.1.2 硬度 硬度是材料表面抵抗局部塑性变形的能力， 是反
映材料软硬程度的力学性能指标。 硬度是材料的一个 重要指标， 其测试方法简便、 迅速， 不需要专门试样， 也不损坏试样， 设备也很简单。 而且对大多数金属材 料， 可以从硬度值估算出它的抗拉强度。 硬度值是通 过试验测得的。
第2章 工程材料及热处理
HBS P 0.102 P N / mm2
F
DH
式中： P——试验力（kgf）； F——表面积（mm2）； H——压痕深度（mm）； D——压头直径（mm）。
第2章 工程材料及热处理
由于压痕深度H的测量比较困难， 而测量压痕直 径d比较方便， 因此上式中H可换算成压痕直径d。 即：
第2章 工程材料及热处理
加 载P
卸载
D d
图2-3 布氏硬度试验原理示意图
第2章 工程材料及热处理
1. 布氏硬度 布氏硬度试验原理如图2-3所示。 用一规定直径 （D为10.5 mm和2.5 mm）的淬火钢球或硬质合金球以 一定的试验力压入所测表面， 保持一定时间后卸除试 验力， 随即在金属表面出现一个压坑（压痕）。 以压 痕单位面积上所承受试验力的大小确定被测材料的硬 度值， 用符号HBS（淬火钢球压头）或HBW（硬质合 金钢球压头）表示， 如45钢调质后其硬度为220～240 HBS。
第2章 工程材料及热处理
第2章 工程材料及热处理
2.1 金属材料的力学性能 2.2 铁碳合金相图 2.3 钢的热处理 2.4 碳钢与合金钢 2.5 铸铁 2.6 非金属及新型材料 习题2
第2章 工程材料及热处理
2.1 金属材料的力学性能
2.1.1 强度和塑性 1. 强度 材料在受载荷过程中一般会出现三个过程， 即弹
E
弹
式中： E——弹性模量（Pa）； σ ——在弹性范围内的应力（Pa）； ε弹——在弹性范围内的应变（%）。
第2章 工程材料及热处理
3. 塑性 金属材料在载荷作用下， 在断裂前产生塑性变形 的能力称为塑性。 常用的塑性指标有伸长率δ和断面收 缩率ψ两种。 1） 伸长率 伸长率是试样被拉断时的标距长度的伸长量与原 始标距长度的百分比， 用符号δ表示。 即：
第2章 工程材料及热处理
3） 抗拉强度
抗拉强度是指试样在拉断前所承受的最大拉应力。
即：
b
Pb F0
式中： σb——抗拉强度（MPa）； Pb——试样在断裂前的最大载荷（N）； F0——试样的原始截面面积（mm2）。
第2章 工程材料及热处理
2. 刚度 在外力作用下， 材料抵抗弹性变形的能力称为刚 度。 衡量刚度大小的指标是弹性模量。 弹性模量是材 料在弹性变形范围内， 应力与应变（即试样的相对伸 长量Δl/l0）的比值， 即：
HBS 0.102
2F
D(D D2 d 2 )
式中： d——压痕直径（mm）。
第2章 工程材料及热处理
由于金属材料有软有硬， 工件有薄有厚、 有大有 小， 如果仅采用一种标准的试验力P和钢球直径D， 就会出现如下现象： 如果对硬的材料适合， 对软的材 料就会发生钢球陷入金属内部； 若对厚的材料适合， 对薄的材料就会产生压透现象等等。 因此在生产中进 行布氏硬度试验时， 要求使用不同大小的试验力和不 同直径的钢球或硬质合金球。 因此在进行布氏硬度试 验时， 钢球直径D、 试验力P与力保持时间应根据所 测试金属的种类和试样厚度， 按表2-1所示布氏硬度试 验规范， 正确进行选择。
L1 L0 100 %
L0
式中： L0——试样原始标距长度（mm）； L1——试样拉断时的标距长度（mm）。
第2章 工程材料及热处理
2） 断面收缩率 断面收缩率是指试样被拉断时， 缩颈处横截面积 的最大缩减量与原始横截面积的百分比， 用符号ψ表 示。 即：
F0 Fk 100 %
F0
式中： Fk——试样被拉断时缩颈处最小横截面积（mm2）； F0——原始截面面积（mm2）。
性变形、 塑性变形和断裂。 弹性变形是指材料在载荷 卸除后能恢复到原形的变形， 而塑性变形是载荷卸除 后永久保留下来的变形。 对于不同类型的载荷， 这三 个过程的发生和发展是不同的。
第2章 工程材料及热处理
使用中一般多用静拉伸试验法来测定金属材料的强度 和塑性指标。 低碳钢试棒的拉伸过程具有典型意义。 将拉伸试棒按GB 6397—86的规定， 制成如图2-1所示 的试棒， 在拉伸试验机上缓慢增加载荷， 记录载荷与 变形量的数值， 直至试样拉断为止， 便可获得如图22所示的载荷与变形量之间的关系曲线， 即拉伸曲线。
第2章 工程材料及热处理
l
0
图2-1 钢的拉伸试棒
d0
第2章 工程材料及热处理
Pb Pe s Pg e Pp p
载 荷P
b k
o 伸 长 量l
图2-2 退火低碳钢拉伸曲线
第2章 工程材料及热处理
无论何种材料， 其内部原子之间都具有平衡的原子 力相互作用， 以使其保持其固定的形状。 材料在外力 作用下， 其内部会产生相应的作用力以抵抗变形， 这 种作用力称为内力。 材料单位截面上承受的内力称为应 力， 用σ表示。 金属材料的强度是用应力来表示的。
式中： σe——应力（MPa）； Pe——载荷（N）； F0——试样的原始截面面积（mm2）。
第2章 工程材料及热处理
2） 屈服强度
试棒屈服时的应力为材料的屈服点， 称为屈服强
度， 用σS表示。 σS表示金属抵抗小量塑性变形的应力。 即：
式中：
S
PS F0
σS——屈服强度（MPa）; PS——试样屈服时载荷（N）; F0——试样的原始截面面积（mm2）。