第一章 金属力学性能

1、材料各力学性能之间的关系； 材料各力学性能之间的关系； 各力学性能的相应指标； 2、各力学性能的相应指标； 能够对实际材料的力学性能指标进行测定。 3、能够对实际材料的力学性能指标进行测定。
二、强度与塑性
• 强度：材料在外力作用下抵抗变 强度： 形与断裂的能力。 形与断裂的能力。 屈服强度σ 屈服强度σs：材料发生微量塑性变 形时的应力值。 形时的应力值。 条件屈服强度σ 条件屈服强度σ0.2：国标中规定为 试样的塑性变形量为试样标距的 0.2%时材料所承受的的应力值。 时材料所承受的的应力值。 时材料所承受的的应力值 抗拉强度σ 抗拉强度σb：材料断裂前所承受的 最大应力值。 最大应力值。
疲劳应力示意图 疲劳曲线示意图
轴的疲劳断口
疲劳辉纹（扫描电镜照片） 疲劳辉纹（扫描电镜照片）
通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷， 通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面 改善材料的形状结构 光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。 光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。 等方法可提高材料疲劳抗力
应力：单位面积上所承受的附加力； 应力：单位面积上所承受的附加力；材料 发生变形时， 发生变形时，内部产生了大小相同但方向 相反的反作用力，用来抵抗外力， 相反的反作用力，用来抵抗外力，把分布 内力在一点上的集度称为应力。 内力在一点上的集度称为应力。 应变： 应变：当材料在外力作用下不能产生位移 时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这 它的几何形状和尺寸将发生变化， 种形变称为应变。 种形变称为应变。 应力σ = F/S
洛氏硬度
• 洛氏硬度用符号 表示 洛氏硬度用符号HR表示 • 根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺， 根据压头类型和主载荷不同， 分为九个标尺， 常用的标尺为A、 、 。 常用的标尺为 、B、C。
洛 氏 硬 度 计
• 符号 前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。 符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。 前面的数字为硬度值 HRA用于测量高硬度材料 如 用于测量高硬度材料, 用于测量高硬度材料 硬质合金、 硬质合金、表淬层和渗碳层。 HRB用于测量低硬度材料 如 用于测量低硬度材料, 用于测量低硬度材料 正火钢等。 有色金属和退火、正火钢等。 HRC用于测量中等硬度材料， 用于测量中等硬度材料， 用于测量中等硬度材料 如调质钢、淬火钢等。 如调质钢、淬火钢等。 洛氏硬度的优点：操作简便， 洛氏硬度的优点：操作简便， 压痕小，适用范围广。 压痕小，适用范围广。 缺点：测量结果分散度大。 缺点：测量结果分散度大。
洛氏硬度压痕 钢球压头与 金刚石压头
维氏硬度
维氏硬度试验原理
源自文库维氏硬度压痕
维氏硬度计
• 维氏硬度用符号 表示，符号前的数字为硬度值， 维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值， 表示 后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。 后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。 • 根据载荷范围不同，规定了三种测定方法—维氏硬度 根据载荷范围不同，规定了三种测定方法 维氏硬度 小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。 试验 、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。 • 维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。 洛氏硬度的优点。
第一章 工程材料的力学性能
材
使用性能 力学性能 物理性能 化学性能 铸造性能 锻压性能 焊接性能 热处理性能
料
工艺性能
力学性能
——材料抵抗各种外加载荷的能力。 材料抵抗各种外加载荷的能力。 材料抵抗各种外加载荷的能力 弹性 刚度 静载时 强度 塑性 硬度 韧性 动载时 动载时 疲劳
知识补充： 知识补充：
ε σ0.2
塑性：材料在外力作用下， 塑性：材料在外力作用下，产生永久变形而不破坏 的性能。 的性能。 指标为： 指标为：
l1 − l0 伸长率： 伸长率： δ = × 100% l0
S 0 − S1 ψ= ×100% S0
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
断裂后
断面收缩率： 断面收缩率：
说明： 说明： ① 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变 形。 直径d 相同时， 只有当l ② 直径 0 相同时，l0↑，δ↓。只有当 0/d0 为 常数时，塑性值才有可比性。 常数时，塑性值才有可比性。 表示； 当l0=10d0 时，伸长率用δ10 表示； 表示。 当l0=5d0 时，伸长率用δ5 表示。 显然δ5> δ10 ③ δ < 5%时，无颈缩，为脆性材料表征 时 无颈缩，
五、冲击韧性
• 是指材料抵抗冲击载荷 作用而不破坏的能力。 作用而不破坏的能力。
指标为冲击 韧性值a 通 韧性值 k(通 过冲击实验 测得)。 测得 。
g
• 材料的冲击韧性随温 度下降而下降。 度下降而下降。在某 一温度范围内冲击韧 性值急剧下降的现象 称韧脆转变。发生韧 韧脆转变。 脆转变的温度范围称 韧脆转变温度。 韧脆转变温度。材料 温度 的使用温度应高于韧 脆转变温度。 脆转变温度。
应变ε = (l-l0)/l0
0
长试样： 长试样：L0=10d0 短试样： 短试样：L0=5d0 拉
伸 试 验 机
低碳钢的应力低碳钢的应力-应变曲线
拉伸试样
F
缩颈 塑 性 变 形 屈服
b k
断裂
s Fs Fb
弹 性 变 形
O
e
L
一、弹性和刚度
• 弹性：指标为弹性极限σe，即材料承受最大弹性变 弹性：指标为弹性极限σ 形时的应力。 形时的应力。 • 刚度：材料保持原有形状与尺寸的能力。指标为弹 刚度：材料保持原有形状与尺寸的能力。指标为弹 性模量E 性模量E。
δ >5% 时，有颈缩，为塑性材料表征 有颈缩，
三、硬度
• 材料抵抗另一硬物体压入其内而产生局 部塑性变形的能力。 部塑性变形的能力。 • 布氏硬度HB 布氏硬度HB
HB = 0.102 2F
πD( D − D 2 − d 2 )
布 氏 硬 度 计
压 头
淬火钢球
用符号HBS表示，适用于布氏硬度值 用符号 表示， 表示 以下的材料。 在450以下的材料。 以下的材料
韧
韧脆转变温度曲线
体心立方金属具有韧脆转 变温度， 变温度，而大多数面心立 方金属没有。 方金属没有。
建造中的Titanic 号 建造中的
TITANIC
TITANIC的沉没 的沉没 与船体材料的质量 直接有关
Titanic 号钢板和近代船用钢板的冲击试验结果 号钢板和近代船用钢板的冲击试验结果
本章小结： 本章小结：
用符号HBW表示，适用于布氏硬 表示， 用符号 表示 硬质合金球 度在650以下的材料。 以下的材料。 度在 以下的材料
• 优点：测量误差小，数据稳定。 优点：测量误差小，数据稳定。 • 缺点：压痕大，不能用于太薄件及比压头还硬的 缺点：压痕大， 材料。 材料。 • 适于测量退火、正火、调质钢 铸铁及有色金属 适于测量退火 正火、调质钢, 退火、 的硬度。 的硬度。
显微维氏硬度计 小 负 荷 维 氏 硬 度 计
四、疲劳
• 材料在低于σs的重复交变应力作用下发生断裂的现象。 材料在低于σ 的重复交变应力作用下发生断裂的现象。 • 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。 表示。 称为疲劳极限。用σr表示。 • 钢铁材料规定次数为 7，有色金属合金为 8。 钢铁材料规定次数为10 有色金属合金为10
σ E = tgα = （MPa） ε
弹性模量的大小主要取决于材料的本性， 弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升 高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、 高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷 热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过 热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。 增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。 增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。