1金属材料的力学性能

一.常用术语 1.应力与应变
强度与塑性
作用在机件上的外力——载荷
静载荷 动载荷
F
F
F’ຫໍສະໝຸດ Baidu
F
F = F’
F ' F （MPa） σ= F’ /S
SS
外力 —— 内力——应力
应力：物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。 同截面垂直的称为“正应力”或“法向应力”，同 截面相切的称为“剪应力”或“切应力”。
材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。
（1） 弹性极限（σe）
指金属材料能保持弹性变形的最大应力。
σe =Fe/S0 （MPa） 它表征了材料抵抗弹性变形的能力。
（2） 屈服强度（σS）
指材料在外力作用下，产生屈服现象时的最小应力。
σS =Fs/S0 （MPa） 它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。
2. 塑性
材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。
常用 δ 和 ψ 作为衡量塑性的指标。
伸长率： lk l0 100% F
d0
F
l0
l0
断面收缩率: s0 sk 100%
s0
L dk
良好的塑性是金属材料进行
塑性加工的必要条件。
lk
3．刚度
材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力称为刚度。
材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形，称 为塑性变形。
F F F
拉伸试验
d0
F
F
l0
L 拉伸前
dk
lk
拉伸后
材料的拉伸曲线
1、oe段：直线、弹性变形
F Fb
b
2、es段：曲线、弹性变形+塑性变形
s s’
3、s s’段：水平线（略有波动） Fs
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。
抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。
σb =Fb/S0 （MPa）
它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。
物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力 抗拉强度 — 是脆性材料选材的依据。
屈服强度与抗拉强度的比值σS / σb称为屈强比。 屈强比小，工程构件的可靠性高，说明即使外载荷或某些 意外因素使金属变形，也不至于立即断裂。但若屈强比过 小，则材料强度的有效利用率太低。
Fe
e
k
4、s’b曲线：弹性变形+均匀塑性变
形
5、b点出现缩颈现象，即试样局部
o
截面明显缩小试样承载能力降低，
拉伸力达到最大值，而后降低，但
变形量增大，K点时试样发生断裂。
F S0 拉伸曲线
l l0
应力—应变曲线
l
e — 弹性极限点 S — 屈服点 b — 极限载荷点
K — 断裂点
1．强度
d0
F
F 应变：物体形状尺寸所发生的
相对改变。
l0
拉伸前
物体内部某处的线段在变形后 长度的改变值同线段原长之比
dk
值称为“线应变”
lk
拉伸后
l l0
2.两种基本变形 （1）弹性变形：
材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来 形状，这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形。
F F
F
（2）塑性变形:
当材料单位面积上所受的
应 力 σe<σ<σs 时 ， 只 产 生 微量的塑性变形。当σ>σs
时，材料将产生明显的塑
F
s0.2
F0.2
s
b
性变形。
e
对于低塑性材料或脆性材料：
条件屈服强度: σ0.2=F 0.2/S0 （M0P.a2%）l0
屈服强度 — 是塑性材料选材和评定的依据。
k
l
（3）抗拉强度（σb ）
维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。
显微维氏硬度计
小负荷维氏硬度计
第二节 动态时材料的力学性能 1．冲击韧度（冲击韧性）
材料抵抗冲击载荷而不破坏 的能力。 AKU =mg（H1 – H2）（J）
a K = AKU/S （J/cm2）
H1
H2
标准冲击试样有两种，一种是Ｕ形缺口试样，另一种是Ｖ
第一章 工程材料的性能
第一节 静载时材料的力学性能 材料的性能
使用性能—材料在使用过程中所表现的性能 力学性能 物理性能 化学性能
工艺性能—在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、 热加工和热处理的性能。
铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、 切削加工性能、热处理工艺性能
材料的力学性能
指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有强度、塑性、 硬度、冲击韧度和疲劳强度等。
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。 应用：适于测量退火、正火、调质钢, 铸铁及有色金属的
硬度。 材料的b与HB之间的经验关系：
对于低碳钢: b(MPa)≈3.6HB 对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB 对于铸铁： b(MPa)≈1HB或 b(MPa)≈ 0.6(HB-40)
2) 洛氏硬度
洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002
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、B、C。 洛氏硬度测试示意图
h1-h0
洛氏硬度计
符号HR前面的数字为硬度值， 后面为使用的标尺。
HRA用于测量高硬度材料, 如硬 质合金、表淬层和渗碳层。
HRB用于测量低硬度材料, 如有 色金属和退火、正火钢等。
在弹性阶段： F l E
所以： E
比例系数E 称为弹性模量，它反映材料对弹性变形
的抗力，代表材料的“刚度” 。
E — 材料抵抗弹性变形的能力越大。
弹性模量的大小主要取决于材料的本性，随温度升高而 逐渐降低。
4、硬度 定义：材料抵抗表面局部弹塑性变形的能力。
1)布氏硬度HB
HB 0.102
2F
D(D D2 d 2 )
布氏硬度计
布氏硬度压痕
压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度 值在450以下的材料。
压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在 650以下的材料。
表示方法：硬度值+HBS(HBW)+D+F+t
120HBS10/1000/30 表示直径为10mm的钢球在1000kgf 载荷作用下保持30s测得的布氏硬度 值为120。
HRC用于测量中等硬度材料，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。
缺点：测量结果分散度大。
钢球压头与 金刚石压头
洛氏硬度压痕
3) 维氏硬度
维氏硬度试验原理
维氏硬度压痕
维氏硬度计
维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的 数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。
形缺口试样。它们的冲击韧度值分别以a KU和a KV。
材料的a K值愈大，韧性就愈好；材料的a K值愈小，材料