第一章金属力学性能与工艺性能
第一章2金属材料的性能特点
四、切削加工性能 用切削后的表面粗糙度 和刀具寿命来表示。
切削加工
金属材料具有适当的硬度(170 HBS～230 HBS) 和足够的脆性时切削性良好。 改变钢的化学成分(加少量铅、磷)和进行适当 的热处理(低碳钢正火，高碳钢球化退火)可提高钢 的切削加工性能。 铜有良好的切削加工性能。
五、热处理工艺性能 钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性, 即钢接受淬火的能力。 含Mn、Cr、Ni等合金元素的合金钢淬透 性比较好, 碳钢的淬透性较差。
断后伸长率
A
A
11.3
δ5 δ10
ψ
%
%
断面收缩率
Z
三、硬度 硬度：材料抵抗另一硬物体压入其内的能力。 即材料受压时抵抗局部塑性变形的能力。 1、布氏硬度 一定直径的硬质合金球（或钢球）在一定载 荷作用下压入试样表面。测量压痕直径, 计算硬 度值。 用钢球压头时硬度 用HBS表示 用硬质合金球时硬 度用HBW表示
布氏硬度计
布氏硬度计的使用
2、洛氏硬度 采用金刚石压头(或硬质合金球压头)， 加预载荷F0 ，压入深度h0 。再加主载荷F1 。 卸去主载荷F1，测量其残余压入深度h。 用h与h0之差△h来计算洛氏硬度值。 硬度直接从硬度计表盘上读得。 根据压头的种类和 总载荷的大小洛氏硬度常 用表示方式有: HRA、HRB、HRC
金属材料的强度与其化学成分和工艺有 密切关系。 纯金属的抗拉强度较低； 合金的抗拉强度较高。 纯铜抗拉强度： 60MPa 铜合金抗拉强度：600MPa～700MPa 纯铝抗拉强度： 40MPa 铝合金抗拉强度：400MPa～600MPa
退火状态的三种铁碳合金： 碳质量分数0.2%，抗拉强度为350MPa 碳质量分数0.4%，抗拉强度为500MPa 碳质量分数0.6%，抗拉强度为700MPa
金属材料的主要性能
① HRA 硬、薄试件，如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。 ② HRB 轻金属，未淬火钢，如有色金属和退火、正火钢等 ③ HRC 较硬，淬硬钢制品；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。
②弹性：材料不产生塑性变形的情况下，所能承受的最 大应力。
弹性极限：σe=Fe/So 不产永久变形的最大抗力。
2）屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。即 在拉伸试验过程中，载荷不增加，
试样仍能继续伸长时的应力。
s = Fs/So
s
条件屈服强度0.2：高碳钢等无屈服点， 国家标准规定以残余变形量为0.2%时的 应力值作为它的条件屈服强度，以0.2 来表示。
影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹 杂物、表面状态、残余应力等。
二、塑性 金属材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。
1.延伸率
延伸率与试样尺寸有关：δ5、δ10 (L0=5d,10d)
2.断面收缩率 ψ=△S/So=(So-Sk)/So x 100%
> 时，无颈缩，为脆性材料表征； < 时，有颈缩，为塑性材料表征。
0.2
3)抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大 应力值。（材料抵抗外力而不致断裂的极 限应力值）。
b = Fb/So
（5）灰铸铁拉伸时的力学性能 灰口铸铁是典型的脆性材料,其σ-曲线是一段微弯曲 线,如图a)所示,没有明显的直线部分,没有屈服和颈 缩现象,拉断前的应变很小,延伸率也很小。强度极限 σb是其唯一的强度指标。 铸铁等脆性材料的抗拉强度 很低,所以不宜作为受拉零 件的材料。
无论是塑性材料还是脆性材料,断裂时都不产生明显的 塑性变形,而是突然发生,具有很大的危险性,有相当多 零件的破坏属于疲劳破坏,对此必须引起足够的重视。
金属工艺学各章节习题、测试题(含答案)
第一部分章节习题第一章金属的力学性能一、填空题1、金属工艺学是研究工程上常用材料性能和___________的一门综合性的技术基础课。
2、金属材料的性能可分为两大类:一类叫_____________,反映材料在使用过程中表现出来的特性,另一类叫__________,反映材料在加工过程中表现出来的特性。
3、金属在力作用下所显示与弹性和非弹性反应相关或涉及力—应变关系的性能,叫做金属________。
4、金属抵抗永久变形和断裂的能力称为强度,常用的强度判断依据是__________、___________等。
5、断裂前金属发生不可逆永久变形的能力成为塑性,常用的塑性判断依据是________和_________。
6、常用的硬度表示方法有__________、___________和维氏硬度。
二、单项选择题7、下列不是金属力学性能的是()A、强度B、硬度C、韧性D、压力加工性能8、根据拉伸实验过程中拉伸实验力和伸长量关系,画出的力——伸长曲线(拉伸图)可以确定出金属的()A、强度和硬度B、强度和塑性C、强度和韧性D、塑性和韧性9、试样拉断前所承受的最大标称拉应力为()A、抗压强度B、屈服强度C、疲劳强度D、抗拉强度10、拉伸实验中,试样所受的力为()A、冲击B、多次冲击C、交变载荷D、静态力11、属于材料物理性能的是()A、强度B、硬度C、热膨胀性D、耐腐蚀性12、常用的塑性判断依据是()A、断后伸长率和断面收缩率B、塑性和韧性C、断面收缩率和塑性D、断后伸长率和塑性13、工程上所用的材料,一般要求其屈强比()A、越大越好B、越小越好C、大些,但不可过大D、小些,但不可过小14、工程上一般规定,塑性材料的δ为()A、≥1%B、≥5%C、≥10%D、≥15%15、适于测试硬质合金、表面淬火刚及薄片金属的硬度的测试方法是()A、布氏硬度B、洛氏硬度C、维氏硬度D、以上方法都可以16、不宜用于成品与表面薄层硬度测试方法()A、布氏硬度B、洛氏硬度C、维氏硬度D、以上方法都不宜17、用金刚石圆锥体作为压头可以用来测试()A、布氏硬度B、洛氏硬度C、维氏硬度D、以上都可以18、金属的韧性通常随加载速度提高、温度降低、应力集中程度加剧而()A、变好B、变差C、无影响D、难以判断19、判断韧性的依据是()A、强度和塑性B、冲击韧度和塑性C、冲击韧度和多冲抗力D、冲击韧度和强度20、金属疲劳的判断依据是()A、强度B、塑性C、抗拉强度D、疲劳强度21、材料的冲击韧度越大,其韧性就()A、越好B、越差C、无影响D、难以确定三、简答题22、什么叫金属的力学性能?常用的金属力学性能有哪些?23、什么是疲劳断裂?如何提高零件的疲劳强度?四、计算题24、测定某种钢的力学性能时,已知试棒的直径是10mm,其标距长度是直径的五倍,Fb=33.81KN,Fs=20.68KN,拉断后的标距长度是65mm。
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。
金属材料的力学性能
第1章工程材料1.1 金属材料的力学性能金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。
使用性能是指金属材料在使用过程中应具备的性能，它包括力学性能（强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等）、物理性能（密度、熔点、导热性、导电性等）和化学性能（耐蚀性、抗氧化性等）。
工艺性能是金属材料从冶炼到成品的生产过程中，适应各种加工工艺（如：铸造、冷热压力加工、焊接、切削加工、热处理等）应具备的性能。
金属材料的力学性能是指金属材料在载荷作用时所表现的性能。
1.1.1 强度金属材料的强度、塑性一般可以通过金属拉伸试验来测定。
１．拉伸试样图1.1.1拉伸试样与拉伸曲线２．拉伸曲线拉伸曲线反映了材料在拉伸过程中的弹性变形、塑性变形和直到拉断时的力F时，拉伸曲线Ｏｐ为一直线，即试样的伸长量与载荷学特性。
当载荷不超过p成正比地增加，如果卸除载荷，试样立即恢复到原来的尺寸，即试样处于弹性变形阶段。
载荷在Ｆｐ－Ｆｅ间，试样的伸长量与载荷已不再成正比关系，但若卸除载荷，试样仍然恢复到原来的尺寸，故仍处于弹性变形阶段。
当载荷超过Ｆｅ后，试样将进一步伸长，但此时若卸除载荷，弹性变形消失，而有一部分变形当载荷增加到Ｆｓ时，试样开始明显的塑性变形，在拉伸曲线上出现了水平的或锯齿形的线段，这种现象称为屈服。
当载荷继续增加到某一最大值Ｆｂ时，试样的局部截面缩小，产生了颈缩现象。
由于试样局部截面的逐渐减少，故载荷也逐渐降低，试样就被拉断。
３．强度强度是指金属材料在载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。
（１） 弹性极限金属材料在载荷作用下产生弹性变形时所能承受的最大应力称为弹性极限，用符号σｅ 表示：（２） 屈服强度金属材料开始明显塑性变形时的最低应力称为屈服强度在拉伸试验中不出现明显的屈服现象，无法确定其屈服点。
所以国标中规定，以试样塑性变形量为试样标距长度的０．２％时，材料承受的应力称为“条件屈服强度”，并以符号σ０．２ 表示。
１.1.2 塑性金属材料在载荷作用下，产生塑性变形而不破坏的能力称为塑性。
1-1第一节金属力学性能.
其中：L1—断后试样长度，将断口密合在一起，用卡尺直接量出。 Lo—试样原始长度
断后断面收缩率：断后截面处面积的最大缩减量与原始截面面积 百分比。 用符号Ψ表示， 读作[扑洒哎]
Ψ=(A0-A1)/A0 x 100%
其中：A0—试件原横截面积。 A1—断裂后颈缩处的横截面积。
材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格。
电影“泰坦尼克号”剧情介 绍
1985年，“泰坦尼克号”的沉船遗骸在北大西洋两英里半的海底被发现。美国探险家 洛
维特亲自潜入海底在船舱的墙壁上看见了一幅画，洛维持的发现立刻引起了一位老妇人 的注意。已经是102岁高龄的罗丝声称她就是画中的少女。在潜水舱里，罗丝开始叙述她 当年的故事。
说明： 布氏硬度习惯上只写出硬度值而不必注明单位，其标注方法是，符号 HBS或HBW之前为硬度值，符号后面按以下顺序用数值表示试验条件：
球 体直径、试验力，试验力保持时间（10～15s不标注）例如：
120HBS10/1000/30，表示直径10mm钢球在9.80KN（1000kgf） 的试验力作用下，保持30s测得的布氏硬度值为120。
2、HRC适用范围数值20～67；小于或大于这个范围均为标注错误！ 如17HRC；75HRC； HRC=15～19等。
3、在图纸标注时注意数值差应≯5，否则为标注错误。 4、适用于测量硬度较高的材料，如淬火钢件；测量成品件或半成
品件。因压痕较小。压头直径1.587mm。
3、优缺点 （1）试验简单、方便、迅速； （2）压痕小，可测成品，薄件——目前应用中的硬度计70%是洛 氏硬度计； （3）数据不够准确，应测三点取平均值； （4）不应测组织不均匀材料，如铸铁。
金属工艺学第一章金属材料性能ppt课件.ppt
拉伸试验
强度：材料在外力作用下抵抗永久变形和 断裂的能力。
塑性：材料在外力作用下产生永久变形而 不破坏的能力。
硬度
硬度：金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的 能力，衡量材料的软硬程度。
硬度试验方法很多，机械工业普遍采用 压入法来测定硬度，压入法又分为布氏硬度、 洛氏硬度、维氏硬度等。
布氏硬度是用单位压痕面积的力作 为布氏硬度值的计量，符号HBS、HBW
洛氏硬度是用压痕深度作为洛氏 硬度值的计量即，符号HR
维氏硬度也是以单位压痕面积的力作为 硬度值计量。试验力较小，压头是锥面夹角 为136°的金刚石正四棱锥体，维氏硬度用符 号HV表示。
冲击韧性和疲劳强度
冲击韧性：冲击载荷下材料抵抗变形和断 裂的能力。
疲劳强度：金属材料在无数次重复或交变 载荷作用下而不致引起断裂的 最大应力。
使用性能：金属材料在使用过程中所表现出来 的性能。
（物理性能、化学性能、力学性能） 工艺性能：金属材料在各种加工过程中所表现
出来的性能。 （铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削性能）
1. 金属材料的力学性能
力学性能：指金属材料在外力（载荷）作用下 所表现出的抵抗变形和破坏的能力。
强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。 外力形式：拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等。 载荷形式：静载荷、冲击载荷、交变载荷等。
2.金属材料物理性能和化学性能
物理性能：密度、熔点、导热性、导电 性金属材料的工艺性能（略）
工艺性能：铸造性能、锻造性能、 焊接性能、切削加工性能
金属材料的力学性能
第1章 金属材料的力学性能
二、洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness ) 1、测量原理
10HRC≈HBS
洛氏硬度测试示意图
第1章 金属材料的力学性能
三、维氏硬度 HV
1、测量原理:
第1章 金属材料的力学性能
2、表示方法： 符号HV。标注时，硬度值写在符号之前，如666HV
3、特点： 维氏硬度试验的测试精度较高，测试的硬度范围大，被测试样的厚度 或表面深度几乎不受限制(如能测很薄的工件、渗氮层、金属镀层等)。 但是, 维氏硬度试验操作不够简便，试样表面质量要求较高，故在生 产现场很少使用。
抗拉强度为设计机械零件和选材的主要依据。
σe σs σb
第1章 金属材料的力学性能
(二)疲劳强度
工程上规定，材料经无数次重复循环（交变）载荷作用而不发生 断裂的最大应力称为疲劳强度。表示材料经无数次交变载荷作用而 不致引起断裂的最大应力值。
钢材的循环次数一般取 N = 107 有色金属的循环次数一般取 N = 108
主要指标: 强度、塑性、冲击韧性和硬度。
第1章 金属材料的力学性能
1.1 强度
按照载荷的性质，金属材料的强度有静强度、疲劳强度和 冲击强度。一般意义上的强度是指静强度。
(一)强度 一、拉伸试验
1.拉伸试样 标准试样(按GB/T6397-1986规定) 常用圆截面拉伸试样 : 长试样：L0=10d0 短试样：L0=5d0
钢铁材料的疲劳曲线
第1章 金属材料的力学性能
疲劳的危害:
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
第一章 金属材料的力学性能
Fb σb= S0
四、塑性的衡量（塑性指标）：伸长率 δ和断面收缩率 Ψ 塑性的衡量（塑性指标）：伸长率 和断面收缩率 ）：
1）伸长率（ δ ） ）伸长率（ 伸长率是指试样拉断 后标距增长量与原始 标距的百分比，即： 标距的百分比，
lk-l0 δ=
×100%
l0
lk——试样拉断后的标距 试样拉断后的标距,mm; 试样拉断后的标距 l0——试样的原始标距 。 试样的原始标距,mm。 试样的原始标距
第一章 金属材料及热处理基础知识
应用于各种工程领域中的材料，如在机械工业中，建筑及桥 应用于各种工程领域中的材料，如在机械工业中，建筑及桥 于各种工程领域中的材料 等等， 统称为工程材料。 梁中，等等，——统称为工程材料。 统称为工程材料 其中用来制造各种机电产品的材料 用来制造各种机电产品的材料， 称为机械工程材料 其中用来制造各种机电产品的材料，——称为机械工程材料 称为机械工程材料. 主要包括： 主要包括： 1）金属材料：钢，铸铁，铜及铜合金，等等。 铸铁，铜及铜合金，等等。 ）金属材料： 2）非金属材料：塑料，橡胶，工业陶瓷，等等。 ）非金属材料：塑料，橡胶，工业陶瓷，等等。 3）复合材料：由两种或两种以上性质不同的材料复合而成的 ）复合材料： 多相材料。 多相材料。 金属材料是制造机器的最主要材料。 金属材料是制造机器的最主要材料。 是制造机器的最主要材料 1、金属材料按含金属元素数量的多少分为： 、金属材料按含金属元素数量的多少分为： 1）纯金属 一种金属 一种金属). ）纯金属(一种金属 2）合金（以一种金属为基 其他金属或非金属） 其他金属或非金属） ）合金（以一种金属为基+其他金属或非金属
刚度、强度、 第一节 刚度、强度、塑性
刚度、强度、弹性和塑性是根据拉伸试验测定出 塑性是根据拉伸试验 刚度、强度、弹性和塑性是根据拉伸试验测定出 来的。 来的。 一、拉伸试验与拉伸曲线 1、拉伸试样 试验前在试棒上打出标距 试验前在试棒上打出标距 按国标规定标准拉伸试样可分为： 按国标规定标准拉伸试样可分为： 板形试样： １) 板形试样：原材料为板材或带材 圆形试样：长试样L 短试样L ２) 圆形试样：长试样L0＝10d0，短试样L0=5d0 其中： 为试样标距， 其中：L0为试样标距，d0为试样直径
金属工艺学各章节习题、综合测试题(含答案)
第一章力学性能及工艺性能习题答案1．何谓金属的力学性能金属的力学性能包括那些答：力学性能又称机械性能，是指金属材料在外力（载荷）作用下所表现出的抵抗变形和破坏的能力。
常用的力学性能有强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。
2．何谓强度衡量强度的常用指标有那些各用什么符号表示答：金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力，称为强度。
工程上常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。
屈服强度σs和抗拉强度σb3．何谓塑性衡量塑性的指标有哪些各用什么符号表示答：塑性是指断裂前材料产生永久变形的能力。
常用的塑性指标是断后伸长率δ和断面收缩率Ψ。
4．某厂购进出一批40钢材，按国家标准规定，其力学性能指标应不低于下列数值：σS=340MPa,σb=540MPa，δ=19%，ψ=45%。
验收时，用该材料制成d0=1×10－2m的短试样（原始标距为5×10－2m）作拉伸试验：当载荷达到28260N时，试样产生屈服现象；载荷加至45530N时，试样发生缩颈现象，然后被拉断。
拉断后标距长为×10－2m，断裂处直径为×10－3m。
试计算这批钢材是否合格。
答; 实际σs = 360MPa >国家标准规定σS=340MPa实际σb = 580MPa>国家标准规定σb=540MPa实际δ＝21％ >国家标准规定δ=19%实际ψ = ％ >国家标准规定ψ=45%因此，这批40钢材合格5．何谓硬度常用的硬度指标有哪三种各用什么符号表示HB与HRB有什么区别答：硬度是指材料表面上抵抗局部变形或破坏的能力。
常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。
布氏硬度HB，洛氏硬度HR，维氏硬度HV。
HB是布氏硬度指标HRB洛氏硬度。
6．何谓疲劳破坏其产生的原因是什么答：材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为疲劳破坏。
金属材料的力学性能
3、FL 段：水平线（略有波动）明显的 塑性变形屈服现象，作用的力基本不变， 试样连续伸长。
4、FL-FM曲线：弹性变形+均匀塑性变形
5、M点：出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低， 拉伸力达到最大值，试样即将断裂。 6、K点：试件在缩颈处拉断
19
§1-4 冲击韧度
一般来说，强度、塑性均好的材料，韧度值也高。在实 际工作中常见的是承受多次小能量冲击。对多次冲击 问题： •
•
1） 如果冲击能量低，冲击周次较多时，α KV主 要取决于材料的强度，强度高则冲击韧度较好；
2） 如果冲击能量高，则主要取决于材料的塑性， 材料塑性越高则冲击韧度较好。
1、洛氏硬度试验（洛氏硬度计）
原理: 用金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试样表面， 经规定时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一 种压痕硬度试验。
12
§1-3 硬度
2、洛氏硬度表示方法
洛氏硬度直接在符号前面写出硬度值。可从表盘上直接读出。
如：50HRC 3、优缺点
（1）试验简单、方便、迅速（2）压痕小，可测成品、薄件（3）数据 不够准确，应测三点取平均值（4）不能测组织不均匀材料，如铸铁。
20
§1-5 疲劳强度
1.5 一、概念
疲劳强度
什么是金属的疲劳？ 疲劳强度：在指定寿命下使试样失效的应力水平。
交变应力：大小和方向随时间作周期性变化的应力。 通常规定钢铁材料的循环基数取107，有色金属取108。
21
§1-5 疲劳强度
金属的疲劳强度曲线
22
S0:试件原横截面积。 S1:断裂后颈缩处的横截面积，用卡尺直接量出。
金属材料的力学性能
金属材料的力学性能(总6页) -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除复习旧课1、材料的发展历史2、工程材料的分类讲授新课第一章金属材料的力学性能材料的性能有使用性能和工艺性能两类使用性能是保证工件的正常工作应具备的性能，主要包括力学性能、物理性能、化学性能等。
工艺性能是材料在被加工过程中适应各种冷热加工的性能，包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、热处理性能、切削加工性能等。
力学性能是指金属在外力作用下所显示的性能能。
金属力学性能指标有：强度、刚度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。
第一节刚度、强度与塑性一、拉伸试验及力—伸长曲线L 0——原始标距长度；L1——拉断后试样标距长度d 0——原始直径。
d1——拉断后试样断口直径国际上常用的是L0=5 d0（短试样），L0=10 d0（长试样）[拉伸曲线]：拉伸试验中记录的拉伸力F与伸长量ΔL（某一拉伸力时试样的长度与原始长度的差ΔL=Lu-L0）的F—ΔL曲线称为拉伸曲线图。
Oe段：为纯弹性变形阶段，卸去载荷时，试样能恢复原状Es段：屈服阶段Sb段：强化阶段，试样产生均匀的塑性变形，并出现了强化Bk段：局部塑性变形阶段二、刚度刚度:金属材料抵抗弹变的能力指标：弹性模量 E E= σ / ε (Gpa )弹性范围内. 应力与应变的比值（或线形关系，正比）E↑刚度↑一定应力作用下弹性变形↓三、强度指标σ= F/S o强度：强度是指材料抵抗塑性变形和断裂的能力。
强度表示：强度一般用拉伸曲线上所对应某点的应力来表示。
单位采用N/mm2(或MPa 兆帕）σ= F/Aoσ——应力（MPa）；F——拉力（N）；S o——截面积（mm2）。
常用的强度判据主要有屈服点、条件屈服强度（也称为规定残余伸长应力）和抗拉强度等。
1、屈服点与条件屈服强度[屈服强度]σs 产生屈服时的应力（屈服点），亦表示材料发生明显塑性变形时的最低应力值。
第1章-金属材料的力学性能
龙芯
联想计算机
没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航空工业和宇航
工业。
飞机发动机叶片
在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片
波音客机
没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。
二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列， 称作现代文明的三大支柱之一。
前苏联在1957年把第一颗人造卫星送入
太空，令美国人震惊不已，认识到在导
短试样 ( l0 = 5d0)
（3）试样材料
2020年4月29日星期三
➢退火低碳钢 ➢铸铁
1.1.1 拉伸试验 ——（4）拉伸曲线
图1-4 低碳钢的F-ΔL曲线 2020年4月29日星期三 韧性断口
图1-5 铸铁拉伸曲线 脆性断口
1.1.1 拉伸试验
➢低碳钢拉伸过程中的变形阶段
弹性变形阶段——（op、pe段） 屈服阶段—— （es段） 强化阶段——（sb段） 缩颈阶段——（bk段）
压痕直径 d/㎜
3.96 3.98 4.00 4.02 4.04 4.06 4.08 4.10 4.12 4.14 4.16 4.18 4.20 4.22 4.24 4.26 4.28 4.30 4.32 4.34 4.36 4.38 4.40 4.42 4.44 4.46 4.48 4.50 4.52 4.54 4.56 4.58 4.60 4.62 4.64 4.66 4.68 4.70 4.72
2.58
564
2.60
555
2.62
547
2.64
538
2.66
530
2.68
522
2.70
514
2.72
507
2.74
499
金属材料的力学性能
(a)试样 (b)伸长 (c)产生缩颈 (d)断裂
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
（一）强度
1. 定义:强度是指金属材料抵抗塑性变形和断 裂的能力，是工程技术上重要的力学性能指 标。由于材料承受载荷的方式不同，其变形 形式也不同，分为抗拉、抗扭、抗压、抗弯、 抗剪等的强度。
最常用的强度是抗拉强度或强度极限σb。
1.变动载荷和循环应力
金属疲劳产生的原因
1.变动载荷
——引起疲劳破坏的外力，指载荷大小、甚至方
向均随时间变化的载荷，其在单位面积上的平均
值即为变动应力。
变动应力可分为规则周期变动应力(也称循环应力) 和无规则随机变动应力两种。
GB/T 228-2002新标准 名称 屈服强度① 符号 －
GB/T 228-1987旧标准 名称 屈服点 符号 σs
上屈服强度
下屈服强度 规定残余延伸 强度 抗拉强度 断后伸长率
ReH
ReL Rr Rm A或A11.3
上屈服点
下屈服点
σsU
σsL
规定残余延伸 σr 应力 抗拉强度 断后伸长率 σb δ5或δ10
第一章 金属材料的力学性能
概 述
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。
金属材料的力学性能是指在承受各种外加载荷（拉伸、压缩、 弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时，对变形与断裂的抵抗
冲击试样
原理
冲击韧性可以通过一次摆锤冲击试验来测定，试验 时将带有U型或V型缺口的冲击试样放在试验机架 的支座上，将摆锤升至高度H1，使其具有势能 mgH1；然后使摆锤由此高度自由下落将试样冲断， 并向另一方向升高至H2，这时摆锤的势能为mgH2。 所以，摆锤用于冲断试样的能量
金属材料及热处理
一般是指在自然界中含量较少、分布稀散及研究应用较少的有 色金属。稀有金属包括稀土金属、放射性稀有金属、稀有贵金属、 稀有轻金属、难溶稀有金属及稀有分散金属等。
第一章 金属的性能
三、 特种金属
特种金属包括不同用途的结构金属和功能金属，其中有通 过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、 纳米晶金属材料等;还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、 减振阻尼等特殊功能合金，以及金属基复合材料等。
常用金属的物理性能
第一章 金属的性能
二、有色金属
有色金属是指除了铁、铬、铬以外的所有金属及其合金，通 常又将其分为轻金属、重金属、贵金属、稀有金属等。有色 金属中除了金为黄色，铜为赤红色以外，多数呈银白色。有 色金属合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电 阻温度系数小。
(1)重金属 一般是指ρ>4.5 g/cm3的有色金属，包括元
素周期表中的大多数过渡元素，如铜(Cu)、锌( Zn)、镍(Ni)、 钴(Co)、钨( W)、钼(Mo)、镉( Cd)及汞(Hg)等，此外，锑 ( Sb)、铋( Bi)、铅(Pb)及锡( Sn)等也属于重金属。重金属主 要用作各种用途的镀层及多元合金。
第一章 金属的性能
(2)轻金属
ρ<4.5 g/cm3的有色金属称为轻金属，如铝( Al)、镁( Mg)、 钙( Ca)、钾(K)、钠( Na)、铯( Cs)等。工业上常采用电化学或化 学方法对Al、Mg及其合金进行加工处理，以获得各种优异的性 能。
疲劳曲线示意图
第一章 金属的性能
3．产生疲劳的原因
许多机械零件在工作中往往受到冲击载荷 的作用，如内燃机的活塞销、冲床的冲头、锻 锰的锰杆和锻模等。制造这类零件所采用的材 料，其性能指标不能单纯用强度、塑性、硬度 来衡量，而必须考虑材料抵抗冲击载荷的能力 ， 即韧性的大小。目前，工程上常用一次摆锰 冲击缺口试样来测定材料的韧性。材料韧性的 好坏是用冲击韧度来衡量的。
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σ
s
：屈服强度
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。
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）
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。
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。
§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
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。
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。
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。
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；
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
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。
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， 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）。
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。
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。
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。
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
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。