第一章金属力学性能与工艺性能

五、疲劳强度
疲劳断裂的概念
零件在交变载荷作用下经较长时间工作而发 生突然断裂的现象(交变载荷是指大小、方向随时 间发生周期性循环变化的载荷)
疲劳断裂的特点
(1)断裂时的应力远低于材料静载下的抗拉强度， 甚至屈服强度, 疲劳断裂属低应力脆断。 (2)断裂前无论是韧性材料还是脆性材料均无明显 的塑性变形，是一种无预兆、突然发生的断裂， 因此危险性极大。
冲击韧性
定义：冲击韧性是用来评价材料在冲击载荷作用下的脆断 倾向的，它是指材料在冲击加载下吸收塑性变形功和断裂功的能 力。 冲击韧度为其力学性能指标，表示单位面积吸收的冲击功， 用一次摆锤冲击试验法来测定。（αk=Ak /A）
G ( h1 h2 ) J / cm 2 A
aK
意义：用来反映材料对一次或少 次数大能量冲击破坏的抵抗能力 和在此工作条件下材料对缺口的 敏感性。
测量方法：静载压入法
根据压头和载荷的不同，主要有布氏硬度(HB)、 洛氏硬度(HR)和维氏硬度 (HV) 等。
布氏硬度：1900年瑞典工程师布利涅尔
（Brinell）提出
将一定直径的淬火钢球或硬质合金球，在规定载荷下压入被 测金属的表面，并保持一定时间，然后卸除载荷，以金属表面球 形压痕单位面积上所承受载荷的大小来表示被测金属材料的硬度。
二、塑性：是指材料在外力作用下产生 塑性变形而不破坏的能力。
a.材料可通过局部塑性变形来削减应力峰，缓解应力集 中，从而防止突然破坏。
b.通过发生塑性变形和因此引起的形变强化，可提高抵 抗过载的能力。
c.如果零件失效前产生塑性变形，由于塑性变形可吸收 大量能量，可使失效的破坏性降到最小。 d.好的塑性有利于压力加工成型工艺。
σ
s
：Байду номын сангаас服强度
b：最大应力点 “缩颈” σb ：抗拉强度
3.断裂点（k）
强度指标：
1.弹性极限ζe ：是指材料由弹性过 渡到弹-塑性变形的最大应力。 2.屈服强度ζs ：是指材料产生明显 塑性变形时的应力。 需要注意的是，对于高碳钢等一 些相对脆性的金属材料往往没有 明显的屈服平台，规定产生0.2% 残余应变时所对应的应力值作为 其屈服极限，称为条件屈服强度， 记作ζ0.2。 3.抗拉强度ζb ：是指材料拉伸时所 能承受的最大应力。
直线oe的斜率定义为材 料的弹性模量（刚度） E
E= ζ/ ε
弹性模量E 反映了材料 产生弹性变形的难易程 度，保证了材料不发生 过量弹性变形。 材料的弹性模量取决于材料本身，合金化、热处理及冷 热变形对其影响不大。
应力-应变关系曲线特点（σ-ε曲线）
2.塑性变形阶段（eb）
载荷基本不变的情况 下试样继续伸长的现 象称作屈服。 s ： 屈服点
§1-1金属的力学性能
一、强度：是指材料在外力作用下抵抗变 形与断裂的能力。
通常材料的强度和塑性是根据国家标准 (GB6397-86) 规定进行静拉伸试验测量得到的。
WE-2000CI型 液压式万能试验机
拉伸试样
拉伸过程中试验机 自动记录拉伸过程中拉 力与伸长量的关系曲线 （F-ΔL曲线）
σ =F/S
缺点
压痕直径测量 麻烦，不适于 成品、薄件
洛氏硬度
代表性差
维氏硬度
压痕清晰，数据准确可靠， 载荷小，压痕浅，适合薄 件、表面层，且软硬材料 均适用，范围广。
硬度值测定 麻烦
四、冲击韧度
定义：韧性是指材料在塑性变形和断裂 的全过程中吸收能量的能力，是材料强 度和塑性的综合表现。 衡量材料韧性的力学性能指标称之为韧 度。我们考察较多的是材料的冲击韧性 和断裂韧性，与之对应的力学性能指标 为冲击韧度（αk）和断裂韧度（KIC）。
维氏硬度载荷小，压痕深度浅， 适应于测量较薄的材料或表面 硬化层的硬度，所以维氏硬度 广泛用来测定金属镀层、薄片 金属以及化学热处理后的表面 2(MPa) HV=1.8544F/d 硬度。
优点
压痕面积大，能反映较大范 布氏硬度 围的组成的平均性能，数据 稳定，准确，重复性强 硬度值可直接读出，简便， 压痕小，可在关键表面进 行实验。
第一章
材料是在不同的外界条件下使用的，如在载 荷、温度、介质、电场等作用下将表现出不同的 行为，即材料的使用性能。使用性能主要包括： 力学性能、物理性能和化学性能。
力学性能是指材料在载荷(外力)作用 下所表现出的特性。
载荷——金属材料在加工及使用过程中所受 的外力
根据载荷作用性质的不同分： （1）静载荷——大小不变或变化过程缓慢 的载荷。 （2）冲击载荷——在短时间内以较高速度 作用于零件上的载荷。 （3）交变载荷——大小、方向或大小和方 向随时间发生周期性变化的载荷。
F 2F HBS( HBW ) 0.102 A D( D D 2 d 2 )
几点说明：
1.布氏硬度的单位为MPa，一般不标出；
2.淬火钢球为压头测出的硬度值以HBS表示，适用于硬 度值在450以下的材料；硬质合金球为压头测出的硬度 值以HBW表示，适用于硬度值在450-650的材料；
3.布氏硬度值要注明钢球直径、载荷大小、加载时间。 如10mm淬火球在9.81kN（ 1000kgf）载荷下，保持30s 测得的布氏硬度值为150时，应标注为 150HBS10/1000/30 又如:500HBW5/750表示用5mm的硬质合金球在7.335kN （ 750kgf ）载荷作用下保持10-15s测得的布氏硬度值 为500。
疲劳断裂的基本过程 裂纹的产生 裂纹扩展断裂
断裂
疲劳抗力指标
疲劳强度 （疲劳极限）—
材料在“无数”次重复交变载荷的作用下而
不破坏的最大应力。
零 件 表 面 状 况
材 料 本 质
载 荷 类
型
工 作 温 度
腐 蚀 介 质
影 响 因 素
§1-2金属的工艺性能
工艺性能：是指制造各种机械零件或工 具的过程中，对各种不同加工方法的适 应能力。 一、铸造性能： 包括流动性、收缩性、偏析。
二、锻造性能（压力加工性能）
金属材料在压力加工中承受压力发生变 形而不被破坏的能力。
主要取决于：塑性和变形抗力。
三、焊接性能：指金属对焊接加工的 适应能力。
焊接：将两部分金属材料通过加热加压使 其牢固结合为一体的工艺方法。
焊接性能主要 与其化学成分有 关（其中碳的影 响最大）。
四、切削加工性能：指金属在切削加工时 的难易程度。 影响因素：金属的化学成分、组织状态、 硬度、冷变形强化。 其中硬度影响最大。 常对金属进行热处理，改善切削加工性能。
总载荷 /N :
应用 ：
588.37
高硬度 材料，如 硬质合金 60-88HRA
980.67
较软材料， 如退火钢， 铜铝等 20-100HRB
1471.07
淬火钢 等硬材料
范围：
20-70HRC
维氏硬度：英国的维克斯Vickers公司
维氏硬度的试验原理与布氏 硬度相同，但维氏硬度试验 是用两面夹角为136°的金刚 石四棱锥体作为压头。试验 时测出压痕对角线长度以计 算压痕的表面积，以F/A的数 值表示维氏硬度值。
塑性指标：一般用伸长率(δ)或断面收缩率(Ψ)来反
映材料塑性的好坏。
1.伸长率： δ =(L1-L0)/L0
2.断面收缩率： Ψ=(S0-S1)/S0
三、硬度：
定义：硬度反映了材料表面抵抗其他硬物 压入的能力。 意义：硬度能较敏感地反映材料的成分与 组织结构的变化，与强度、耐磨性以及工艺 性能往往存在一定对应关系，故可用来检验 原材料和控制冷热加工质量。
σ-应力；F-轴向拉力； S-试样原始横截面积
ε =ΔL/L0=(L1-L0)/L0
ε-应变； L0-试样标距； L1-试样拉伸 后长度
应力-应变关系曲线特点（σ-ε曲线）
1.弹性变形阶段（oe） 2.塑性变形阶段（eb） 3.断裂点（k）
应力-应变关系曲线特点（σ-ε曲线）
1.弹性变形阶段（oe）
洛氏硬度：1919年美国洛克威尔提出。
用锥顶角120°的金刚石圆锥体或淬火钢球作为压头， 在一定试验力的作用下，将压头压入试样表面，经规定的 保持时间后，卸除主试验力，根据残余压痕深度计算被测 材料的硬度。洛氏硬度值可直接从硬度计读取。
洛氏硬度的分类
HRA 压头 : 金刚石 圆锥体 HRB 直径 1.5875钢球 HRC 金刚石 圆锥体