第一章 金属材料的力学性能
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金属材料的力学性能
2、布氏硬度值 用球面压痕单位面积上所承受有平均压力 表达。 如：120HBS 500HBW 600HBS1/30/20 3、优缺陷
（1）测量值较精确，反复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）（2） 可测旳硬度值不高（3）不测试成品与薄件（4）测量费时，效率低
4、测量范围
用于测量调质钢、铸铁、非金属材料及有色金属材料等.
6
第一章 金属旳力学性能
引言：
第二节 硬度
1、定义：指材料局部体积内抵抗弹性、塑性变形、压 痕和划痕旳能力。它是衡量材料软硬程度旳指标，其物 理含义与试验措施有关。
2、硬度旳测试措施 （1）布氏硬度 （2）洛氏硬度 （3）维氏硬度
7
§1-2 硬度
一、布氏硬度
1、布氏硬度试验（布氏硬度计）
原理:用一定直径旳球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应旳试验力 压入待测材料表面，保持要求时间并到达稳定状态后卸除试验力，测量 材料表面压痕直径，以计算硬度旳一种压痕硬度试验措施。
布氏硬度计
返回
16
洛氏硬度计
返回
17
维氏硬度计
返回
18
布洛维氏硬度计
19
8
§1-2 硬度
二、洛氏硬度
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，在试验力旳作用下压入试样表面， 经要求时间后卸除试验力，用测量旳残余压痕深度增量来计算硬度旳一
种压痕硬度试验。
2、洛氏硬度值 出。如：50HRC 3、优缺陷
用测量旳残余压痕深度表达。可从表盘上直接读
（1）试验简朴、以便、迅速（2）压痕小，可测成品、薄件（3）数据 不够精确，应测三点取平均值（4）不能测组织不均匀材料，如铸铁。
4、测量范围
（1）测量值较精确，反复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）（2） 可测旳硬度值不高（3）不测试成品与薄件（4）测量费时，效率低
4、测量范围
用于测量调质钢、铸铁、非金属材料及有色金属材料等.
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第一章 金属旳力学性能
引言：
第二节 硬度
1、定义：指材料局部体积内抵抗弹性、塑性变形、压 痕和划痕旳能力。它是衡量材料软硬程度旳指标，其物 理含义与试验措施有关。
2、硬度旳测试措施 （1）布氏硬度 （2）洛氏硬度 （3）维氏硬度
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§1-2 硬度
一、布氏硬度
1、布氏硬度试验（布氏硬度计）
原理:用一定直径旳球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应旳试验力 压入待测材料表面，保持要求时间并到达稳定状态后卸除试验力，测量 材料表面压痕直径，以计算硬度旳一种压痕硬度试验措施。
布氏硬度计
返回
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洛氏硬度计
返回
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维氏硬度计
返回
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布洛维氏硬度计
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§1-2 硬度
二、洛氏硬度
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，在试验力旳作用下压入试样表面， 经要求时间后卸除试验力，用测量旳残余压痕深度增量来计算硬度旳一
种压痕硬度试验。
2、洛氏硬度值 出。如：50HRC 3、优缺陷
用测量旳残余压痕深度表达。可从表盘上直接读
（1）试验简朴、以便、迅速（2）压痕小，可测成品、薄件（3）数据 不够精确，应测三点取平均值（4）不能测组织不均匀材料，如铸铁。
4、测量范围
金属材料的韧性
6
第一章 金属的力学性能
第三节 韧性与疲劳强度
二、疲劳强度 循环应力：应力的大小和方向随时间作周期性的变化。
零件在循环应力作用下，常在远小于该材料的σb，甚 至小于σS强度的情况下发生断裂的现象称为金属的疲劳，
金属疲劳的判据是疲劳强度。
7
韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力,可用来衡量金属材料抵抗冲击载荷能力。
1．摆锤式一次冲击试验 脆转变温度越低，材料的低温冲击性能越好。
1．摆锤式一次冲击试验
冲击吸收功:试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的功(Ak)。
冲击吸功(Ak)。
第三节 韧性与疲劳强度
机械零件一般是在受多次小能量重复冲击后才破坏的。
第三节 韧性与疲劳强度 40Cr钢冲击吸收功测定试验
冲击吸收功:试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的功(Ak)。 第三节 韧性与疲劳强度
韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力,可用来衡量金属材料抵抗冲击载荷能力。
一、韧性 韧性的判据通过冲击试验来测定。
一、韧性 1．摆锤式一次冲击试验
冲击吸收功 Ak 与温度有 关。由左图可知，Ak 随温度降
低而减少，在某一温度区域，
Ak急剧变化，此温度区域称为
韧脆转变温度。脆转变温度越 低，材料的低温冲击性能越好。
5
第一章 金属的力学性能
第三节 韧性与疲劳强度
一、韧性 2．小能量多次冲击试验简介 金属材料抵抗小能量多次冲击的能力叫做多冲抗力。 机械零件一般是在受多次小能量重复冲击后才破坏的。 多冲抗力可用一定冲击能量下冲断周次N表示。 试验证明，材料的多冲抗力取决于材料强度与韧性的综 合力学性能，冲击能量高时，主要取决于材料的韧性；冲击 能量低时,主要取决于强度。
第一章 金属的力学性能
第三节 韧性与疲劳强度
二、疲劳强度 循环应力：应力的大小和方向随时间作周期性的变化。
零件在循环应力作用下，常在远小于该材料的σb，甚 至小于σS强度的情况下发生断裂的现象称为金属的疲劳，
金属疲劳的判据是疲劳强度。
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韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力,可用来衡量金属材料抵抗冲击载荷能力。
1．摆锤式一次冲击试验 脆转变温度越低，材料的低温冲击性能越好。
1．摆锤式一次冲击试验
冲击吸收功:试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的功(Ak)。
冲击吸功(Ak)。
第三节 韧性与疲劳强度
机械零件一般是在受多次小能量重复冲击后才破坏的。
第三节 韧性与疲劳强度 40Cr钢冲击吸收功测定试验
冲击吸收功:试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的功(Ak)。 第三节 韧性与疲劳强度
韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力,可用来衡量金属材料抵抗冲击载荷能力。
一、韧性 韧性的判据通过冲击试验来测定。
一、韧性 1．摆锤式一次冲击试验
冲击吸收功 Ak 与温度有 关。由左图可知，Ak 随温度降
低而减少，在某一温度区域，
Ak急剧变化，此温度区域称为
韧脆转变温度。脆转变温度越 低，材料的低温冲击性能越好。
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第一章 金属的力学性能
第三节 韧性与疲劳强度
一、韧性 2．小能量多次冲击试验简介 金属材料抵抗小能量多次冲击的能力叫做多冲抗力。 机械零件一般是在受多次小能量重复冲击后才破坏的。 多冲抗力可用一定冲击能量下冲断周次N表示。 试验证明，材料的多冲抗力取决于材料强度与韧性的综 合力学性能，冲击能量高时，主要取决于材料的韧性；冲击 能量低时,主要取决于强度。
第一章 金属材料的力学性能
度
A、C标尺为100
B标尺为130
机 械 制
造
基
础
§1.2 硬度
第一章 金属材料的力学性能
二、洛氏硬度
标注——用符号HR表示， A标尺HRA B标尺HRB C标尺HRC
如： 42 HRA
机
械
硬度值 A标尺
制
造
基
础
§1.2 硬度
第一章 金属材料的力学性能
三、维氏硬度 测定原理——基本上和布氏硬度相同，只是所用 压头为金刚石正四棱锥体
冲击韧度高
机
•冲击能量高时， --材料的冲击韧度主要取决于材料的塑性，塑性高则
韧度高
械 制
造
基
础
第一章 金属材料的力学性能
第一章 金属材料的力学性能
§1.1 强度和塑性
§1.2 硬度
§1.3 冲击韧度
§1.4 疲劳强度
本章小结
机
械
制
造
基
础
§1.4 疲劳强度
第一章 金属材料的力学性能
疲劳强度
Sl110000%%Sl10lS0 110100%0%
Sl 二者的值越大塑性越好 00
lS0 0
机 械 制
原始原横始截标面距积
试样拉试断样后断的裂标处距截面积
造 基
础
第一章 金属材料的力学性能
第一章 金属材料的力学性能
§1.1 强度和塑性
§1.2 硬度
§1.3 冲击韧度
§1.4 疲劳强度
本章小结
第一章 金属材料的力学性能
由主金要属内材容料：制成的零、部件，在工作过
程中金都属要材承料受的外力力学性(或能称指载标荷和) 测作试用方而法产，
金属材料的主要性能
定义： HR=k-(h1-h0)/0.002 常用标尺有：B、C、A三种
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。
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。
1-1第一节金属力学性能.
用符号 表示，读作 [代儿特] δ=(L1-L)/L x 100%
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。
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。
材料力学性能
断面收缩率（ψ）：
ψ ＝（S0－S1）/S0×100%
式中 L0－试样的原始长度
L1－试样拉断时的标距长度
S0－试样的原始截面积
S1－试样断裂处的横截面积
δ和ψ愈大，则塑性愈好。良好的塑性是金属 材料进行塑性加工的必要条件。
三、硬度
硬度：金属材料表面抵抗局部变形的能力
最常用的硬度指标有：布氏硬度（HB)、洛 氏硬度 (HR系列)和维氏硬度（HV）。
有些机件在工作时要受到高速作用的载荷冲击， 如锻压机的锤杆、冲床的冲头、汽车变速齿轮、 飞机的起落架等。
瞬时冲击引起的应力和应变要比静载荷引起的 应力和应变大得多，因此在选择制造该类机件 的材料时，必须考虑材料的抗冲击能力，即冲 击韧度。
TITANIC
TITANIC的沉没与船体材料脆性断裂失效有关!!!
冲击韧度：金属材料抵抗冲击载荷作用而不破
坏的能力。常用一次摆锤冲击试验来测定金属
材料的冲击韧度(大能量、一次冲断）。
试验表明，在冲击载荷不太大的值对组织缺陷很敏感，因此冲击试验是生 产上用来检验冶炼、热加工、热处理等工艺质 量的有效方法。
2F
N mm2
D(D D2 d 2 )
式中：F—试验力，N；D—压头 的直径,mm
2.洛氏硬度
试验时，先加初试验 力（预载荷），然后 加主试验力，压入试 样表面之后，去除主 试验力，在保留初试 验力的情况下，根据 试样残余压痕深度增 量来衡量试样的硬度 大小。
洛氏硬度试验原理图
四、冲击韧度（ak）
第一章 金属材料的力学性能
金属材料力学性能指标主要包括：强度、塑性、 硬度、韧性、疲劳强度等。
1章 金属材料的力学性能 寒假(1)
第一章金属材料的力学性能姓名：一、填空题(共10小题，每小题3分，共30分)l.是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，常用的硬度实验法有硬度实验法、硬度实验法和硬度实验法。
2.金属材料在作用下，抵抗和的能力称为强度。
3.金属材料的性能分为和。
4.塑性指标是和，其值越大表示材料的塑性越。
5.变形一般可分为和两种，不能随载荷的去除而消失的变形称为6.200HBS表示硬度,硬度值是，压头是。
7.测定原材料常用试验,测定淬火钢常用试验。
8.金属材料抵抗载荷作用而的能力，称为冲击载荷。
9.布氏硬度值测量压痕，洛氏硬度值测量压痕，维氏硬度值测量压痕。
10.金属材料在循环应力作用下能经受无限多次循环而不断裂的最大应力称为金属材料的。
二、判断题(共10小题，每小题2分，共20分)1.洛氏硬度值无单位。
（）2.做布氏硬度测试时，当试验条件相同时,其压痕直径越小，材料的硬度越低。
（）3.在实际应用中,维氏硬度值是测定压痕对角线长度的算术平方值后再查表得到的。
（）4.各种不同的标尺的洛氏硬度值可进行直接比较,因此应用方便。
（）5.维氏硬度值具有连续性,故可测定很软到很硬的各种金属材料的硬度,其准确性高。
（）6.金属的塑性越好，变压抗力越小，金属的锻造性能越好。
（）7.金属材料的力学性能差异是由其内部组织所决定的。
（）8.金属在强大的冲击作用下，会产生疲劳现象。
（）9.拉伸试验可以测定金属材料的强度、塑性等多项指标。
（）10.布氏硬度测量法宜用于测量成品及较薄零件。
（）三、单项选择题（共10小题，每题2分，共20分）1.金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为（）。
A.塑性B.硬度C.强度D.韧性2.做疲劳试验时.试样承受的载荷为（）。
A.静载荷B.冲击载荷C.循环载荷D.过载荷3.下列属于力学性能指标的是（）。
A.热膨胀性B.化学稳定性C.疲劳强度D.可锻性4.拉伸试验时,试样拉断前能承受的最大标称应力称为材料的（）。
金属的力学性能
(2)抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力。 抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力。 抗拉强度
1）、它表示材料抵抗断裂的能力。 ）、它表示材料抵抗断裂的能力。 ）、它表示材料抵抗断裂的能力 2）、是零件设计的重要依据；也是评定 ）、是零件设计的重要依据； ）、是零件设计的重要依据 金属强度的重要指标之一。 金属强度的重要指标之一。
拉伸试样
第一节 强度和塑性
• 2.拉伸过程 拉伸过程
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
拉伸试验机
3.拉伸曲线 拉伸曲线
F
e p s b k
拉伸的四个阶段
1、oe段: 弹性变形阶段。(op段：比 例 弹性变形阶段；pe段：非比例弹性变 形阶段；) 2、es段：屈服阶段。平台或锯齿。 3、sb段：强化阶段。均匀塑性变形阶段。 *b点：形成了“缩颈”。 ∆l
σe σs σb
F σb = A
b
试样断裂前的最大载荷(N) 试样断裂前的最大载荷 ( M Pa )
0
试样原始横截面积( 试样原始横截面积 mm2)
三、塑性: 塑性
是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。 是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。 1、断面收缩率: 是指试样拉断处横截面积的收 、断面收缩率 与原始横截面积A 缩量∆ A与原始横截面积 0之比。 与原始横截面积 之比。 A0 - A 1 ψ = ——-—× 100% × A0 2、伸长率 是指试样拉断后的标距伸长量∆ L 、伸长率: 与原始标距L 之比。 与原始标距 0之比。 l 1 - l0 δ = ——-—× 100% × l0
e
σe 3.弹性极限 弹性极限: 弹性极限 Fe σe = A0 弹性极限载荷( 弹性极限载荷 N ) ( M pa ) 试样原始横截面积( 试样原始横截面积 mm2)
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
第一章金属材料的力学性能(第二次课)
• 冲击载荷； 冲击韧性；一次冲击弯曲试验
• 一、冲) AKU AKV
• 二、冲击试验的应用
• 主要用途是揭示材料的变脆倾向 • (1)评定材料的低温变脆倾向 • 冷脆现象； 韧脆转变温度范围
图1-12 冲击吸收功-温度曲线示意图
• (2)反映原材料的冶金质量和热加工产品质量
• HRB：压头为钢球(Φ=1.588mm)，硬度值20～100
• HRC：压头为金刚石圆锥，硬度值20～70
•
50HRC的含义
• 3.测试方法
• 4.应用
• 优点是操作简便，压痕小，可测工件表面或 较薄的金属。
• 缺点是压痕较小，精度不够准确；载荷较大， 不宜测定极薄材料或零件经化学热处理后的表面。
• 三、维氏硬度 • 1.维氏硬度试验原理
图1-7 维氏硬度试验原理示意图
• 2.表示方法 • 640HV30/20的含义 • 3.测试方法 • 4.应用 • 优点是载荷小，压入深度浅，可测表面淬硬
层及化学热处理的表面；还可测各种金属材料。 • 缺点是测定过程较麻烦，效率不高。
第三节 冲击韧性
• HBW：压头为硬质合金，硬度值小于650。
•
120HBW 10/1000/30的含义
• 3.测试方法
• 4.应用
优点是压痕面积大，结果精确。
缺点是不适宜测试成品或薄片金属。
• 二、洛氏硬度 • 1.洛氏硬度试验原理
HR=N-h/S
• 2.表示方法
• HRA：压头为金刚石圆锥，硬度值20～88
• 对于材料内部结构、缺陷等具有较大的敏感 性，可用于检验冶金、热处理及各种热加工工艺 和产品的质量（如晶粒粗化、冷脆、回火脆性及 夹渣、气泡、偏析等）。
• 一、冲) AKU AKV
• 二、冲击试验的应用
• 主要用途是揭示材料的变脆倾向 • (1)评定材料的低温变脆倾向 • 冷脆现象； 韧脆转变温度范围
图1-12 冲击吸收功-温度曲线示意图
• (2)反映原材料的冶金质量和热加工产品质量
• HRB：压头为钢球(Φ=1.588mm)，硬度值20～100
• HRC：压头为金刚石圆锥，硬度值20～70
•
50HRC的含义
• 3.测试方法
• 4.应用
• 优点是操作简便，压痕小，可测工件表面或 较薄的金属。
• 缺点是压痕较小，精度不够准确；载荷较大， 不宜测定极薄材料或零件经化学热处理后的表面。
• 三、维氏硬度 • 1.维氏硬度试验原理
图1-7 维氏硬度试验原理示意图
• 2.表示方法 • 640HV30/20的含义 • 3.测试方法 • 4.应用 • 优点是载荷小，压入深度浅，可测表面淬硬
层及化学热处理的表面；还可测各种金属材料。 • 缺点是测定过程较麻烦，效率不高。
第三节 冲击韧性
• HBW：压头为硬质合金，硬度值小于650。
•
120HBW 10/1000/30的含义
• 3.测试方法
• 4.应用
优点是压痕面积大，结果精确。
缺点是不适宜测试成品或薄片金属。
• 二、洛氏硬度 • 1.洛氏硬度试验原理
HR=N-h/S
• 2.表示方法
• HRA：压头为金刚石圆锥，硬度值20～88
• 对于材料内部结构、缺陷等具有较大的敏感 性，可用于检验冶金、热处理及各种热加工工艺 和产品的质量（如晶粒粗化、冷脆、回火脆性及 夹渣、气泡、偏析等）。
金属材料的力学性能
• •
ae =1/2×ζ e× ε e 弹簧是典型的弹性零件，要求有较大 的弹性比功。弹簧在实际工作中起缓冲和 存储能量作用。 • 实际设计时通过提高弹性极限ζ e ，提 高弹簧的弹性比功。
• 三、强度 • 强度是金属材料在外力的作用下，抵
抗变形和断裂的能力。根据零件的工作状 态不同分为:抗拉强度、抗压强度、抗弯强 度和抗剪强度等。 • 1、屈服强度和条件屈服强度 • 拉伸试样产生屈服现象（塑变）时的 应力。 ζ s=Fs/A0 • 对于许多没有明显屈服现象的金属材 料，工程中常以产生0.2%塑性变形时的应 力，作为该材料的条件屈服强度，用ζ 表示。
• §1—4 断裂韧度 • 机械零件的传统设计一般为强度设计、
刚度校核。强度设计标准为屈服强度。 • 零件在许用应力的条件下工作，不会发 生塑性变形和断裂。 • 实际工作情况往往不同。某些零件在远 远低于屈服强度条件下工作时会发生脆性 断裂，这种情况非常危险，称为低应力脆 断。 • 研究表明低应力脆断是由宏观裂纹扩展 引起的。
• 一、裂纹扩展的基本形式 • 裂纹扩展一般分为张开型、滑开型、撕
开性三种。其中以张开型最为危险。 • 二、应力场强度因子KI • 零件表面是凹凸不平的，在凸点和凹点 最容易引起应力集中，形成应力场。裂纹 的扩展与应力场有直接的关系。衡量应力 场的大小用应力场强度因子KI。
• 三、断裂韧度KIC及其应用 • KI随着和a的增大而增大。达到一定值
• §1—1 强度、刚度、弹性及塑性 • 金属材料的强度、刚度、弹性及塑性用
拉伸试验来测量。 • 一、拉伸曲线与 应力-应变曲线 • 1、拉伸曲线 • 拉伸过程分为 弹性变形、塑性变形和 断裂三个阶段。
• 几点说明：（书中图1-2） • 试件总伸长of，其中gf为弹性变形，og
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。
工程材料第一章--金属材料的力学性能
即，裂纹产生扩展的临界状态时其尖端的应力场大小
数值越大，表明材料的断裂韧性越好！
压痕法
试样表面抛光成镜面，在显微硬度仪上，以10Kg负 载在抛光表面用硬度计的锥形金刚石压头产生一压 痕，这样在压痕的四个顶点就产生了预制裂纹。根 据压痕载荷P和压痕裂纹扩展长度C计算出断裂韧性 数值（KIC）。
第一章 金属材料的力学性能
机械零部件在使用过程中一般不允许发生塑性变形，所以 屈服强度是零件设计时的主要依据，也是评定材料强度的 重要指标之一
（三）抗拉强度
表明试样被拉断前所能承载的最大应力
σb＝ Fb / A0
Fb :试样在破断前所承受的最大载荷
➢ 表示塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力，也 表示材料抵抗断裂的强度，即断裂强度。
若F 确定，硬度值只与压痕投影的两对角线的平均长 度d有关，d越大，HV越小。
维氏硬度值一般只写数值。 硬度值+硬度符号+试验力大小（kgf）及试验力保持时 间（10-15s不标注）
提问
640HV30的具体意义？
表示在30kgf的试验载荷作用下，保持10-15s时 测得的维氏硬度值为640。
640HV30/20的具体意义？
布氏硬度值单位为N/mm2，但一般只写数值。 硬度值+硬度符号+球体直径+试验力大小及试验力保持 时间（10-15s不标注）
提问
170HBW10/1000/30的具体意义？
表示用直径10mm的硬质合金球，在9807 N(1000 kgf) 的试验载荷作用下，保持30s时测得的布氏硬度值为170。
530HBW5/750的具体意义？
➢ 抗拉强度是零件设计时的重要依据，也是评定金 属材料的强度重要指标之一。
数值越大，表明材料的断裂韧性越好！
压痕法
试样表面抛光成镜面，在显微硬度仪上，以10Kg负 载在抛光表面用硬度计的锥形金刚石压头产生一压 痕，这样在压痕的四个顶点就产生了预制裂纹。根 据压痕载荷P和压痕裂纹扩展长度C计算出断裂韧性 数值（KIC）。
第一章 金属材料的力学性能
机械零部件在使用过程中一般不允许发生塑性变形，所以 屈服强度是零件设计时的主要依据，也是评定材料强度的 重要指标之一
（三）抗拉强度
表明试样被拉断前所能承载的最大应力
σb＝ Fb / A0
Fb :试样在破断前所承受的最大载荷
➢ 表示塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力，也 表示材料抵抗断裂的强度，即断裂强度。
若F 确定，硬度值只与压痕投影的两对角线的平均长 度d有关，d越大，HV越小。
维氏硬度值一般只写数值。 硬度值+硬度符号+试验力大小（kgf）及试验力保持时 间（10-15s不标注）
提问
640HV30的具体意义？
表示在30kgf的试验载荷作用下，保持10-15s时 测得的维氏硬度值为640。
640HV30/20的具体意义？
布氏硬度值单位为N/mm2，但一般只写数值。 硬度值+硬度符号+球体直径+试验力大小及试验力保持 时间（10-15s不标注）
提问
170HBW10/1000/30的具体意义？
表示用直径10mm的硬质合金球，在9807 N(1000 kgf) 的试验载荷作用下，保持30s时测得的布氏硬度值为170。
530HBW5/750的具体意义？
➢ 抗拉强度是零件设计时的重要依据，也是评定金 属材料的强度重要指标之一。
1力学性能解析
工程材料及其热处理－1
12
五、塑性 塑性——材料在外力作用下产生塑性变形而不发生断裂的能力。常 用伸长率和断面收缩率表示。 1、伸长率δ 试样拉断后，标距的伸长量与原始标距之比称为伸长率。用δ表示：
k o 100% 100% o o
δ5与δ10关系 δ5＞δ10 2、断面收缩率（Ψ） 是指试样拉断后，断口处横截面积的缩减量与 原始横截面积之比称为断面收缩率。用ψ表示
工程材料及其热处理－1
18
4、布氏硬度试验条件的选择 即试验力F和压头球直径D的选择。这种选择不 是任意的，而是要遵循一定的规则，并且要注意试 验力和压头球直径的合理搭配。 布氏硬度试验最常用的试验条件是采用10mm 直径的球压头，3000kg试验力。但是由于试样材质 不同，硬度不同，试样大小，薄厚也不同，一种试 验力，一种压头自然不能满足要求。在试验力和压 头球直径的选择方面需要遵循以下两个规则：
试验时，试样放在试验机的两支座上，把质量 G的摆锤抬到H的高度，然后释放摆锤将试样冲断， 并向另一个方向升高到h高度。所以摆锤冲断试样 失去的位能为GHg-Ghg，这就是冲击过程所消耗的 功，称为冲击吸收功Ak。冲击吸收功的数值可以从 试验机直接读得。
工程材料及其热处理－1
31
图1-11 冲击试验示意图
26
工程材料及其热处理－1
洛式硬度的表示方法：符号HR前面的数 字表示硬度值，HR后面的字母表示不同洛氏 硬度的标尺。 3、优缺点： 优点：①操作简单迅速，能直接从刻度盘 上读出硬度值；②压痕小，可测成品及较薄 工件；③测硬度范围大。 缺点：压痕小，对于不均匀材料，数值不 够准确。
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
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韧脆转变温度TK：材料由韧性状态向脆性状态转变的温度。
第四节 断裂韧度
断裂韧度KIC：金属材料抵抗裂纹扩展的能力
应力场强度因子 KI Y
当 KI KIC 时，材料中裂纹就会失稳扩展，导致材料断裂。
第五节 疲劳强度
疲劳：机械零件在交变载荷作用下发生的断裂的现象。 交变载荷（循环载荷）：应力大小和方向随时间作周期性变化
疲劳强度：金属材料抵抗交变载荷的能力。 疲劳极限 1 ：指定循环基数（≥ 10 ）7 下的最大应力值
火星探测器
二、课程内容：
钢铁材料（黑色金属）
金属材料 非铁材料（有色金属）
机械工程材料 非金属材料 高分子材料 陶瓷材料
材料性能
复合材料 组织
成分 热处理
第一章 金属材料的力学性能
学习目的
➢ 初步掌握金属材料的力学性能指标和物理意义 ➢ 初步掌握力学性能测试方法 ➢ 会正确应用力学性能指标
金属材料的性能
500HBW5／750
布氏硬度 优点：因压痕面积较大，能反映出较大 范围内被测金属的平均硬度，故试验结果 较精确。 缺点：因压痕较大，所以不宜测试成品 或薄片金属的硬度。
二、洛氏硬度
试验原理：以顶角为120°的金 刚石圆锥体或直径为Φ1.588㎜ 的淬火钢球作压头，以规定的试 验力使其压入试样表面。根据试 样表面压痕深度，确定被测金属 材料的洛氏硬度值。
lo
试样的原始标距长度
2. 断面收缩率
A0 A110% 0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱA0
A1
试样断裂处的最小横截面积
A0
试样的原始横截面积
第二节 硬度
硬度：指材料抵抗局部变形的能力 是衡量材料软硬程度的指标
硬度测定方法：静试验力压入法
常用的硬度试验法：布氏硬度（HB） 洛氏硬度（HR） 维氏硬度（HV）
一、布氏硬度
试验原理 :直径D的淬火钢球或硬 质合金球作压头，以相应的试验 力F压入试件表面，经规定的保持 时间后，卸除试验力，得到一直 径为d的压痕。
H B F0.102 2F
A
DD D 2d2
压头为淬火钢球(HBS） 适用于布氏硬度450以下的材料（常用）； 压头为硬质合金球（HBW） 适用于布氏硬度650以下的材料。
表示：硬度值HBS（HBW）压头直径（mm）/试验力（kgf） /试验力保持时间（s） （10－15s不标注）
如：140HBS10／1000／30
HRK h 0.002
洛氏硬度无单位，需标明硬度标尺符号，在符号前面写出硬度值 如60HRC、80HRA
洛氏硬度
优点：操作迅速、简便，可从表盘上直 接读出硬度值，不必查表或计算，而且压 痕小，可测量较薄工件的硬度。
缺点：精确性较差，硬度值重复性差， 需要在材料的不同部位测试数次，取其平 均值来代表材料的硬度。
弹性变形：去除外力，变形消失（可回复） 塑性变形：去除外力，变形保持（不可回复） （永久变形）
拉伸试验：可测出金属材料的强度、刚度、弹性和塑性。 拉伸试样
l0
长度：拉伸前 l 0 拉伸后 l1
截面积：拉伸前 A 0 拉伸后 A1
l l1l0
AA0A1
一、力－伸长曲线与应力-应变曲线
应力 F （MPa） A0
使用性能 正常工作时所表现出的性能
化学性能 物理性能 力学性能 最重要的使用性能
工艺性能
冷热加工过程中所表现出的性能
铸造性能 锻造性能 焊接性能 切削加工性能 热处理性能
力学性能:材料在力的作用下所表现的性能 强度 塑性 硬度 韧性 疲劳强度
第一节 强度、刚度、弹性及塑性
材料受力过程：弹性变形→塑性变形→断裂
冲击韧度
k
Ak A
k 值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状 k 值高的材料叫做韧性材料，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽
冲击吸收功Ak与温度有关。Ak随温度降低而减少，在某一 温度区域， Ak急剧变化，此温度区域称为韧脆转变温度。韧脆 转变温度越低，材料的低温冲击性能越好。
e
12ee
e2
2E
弹簧材料要求大的弹性比功，常采用热处理提高弹性极限。
三、强度
强度：金属材料在静载荷作用下，抵抗永久变形和断裂的能力 （一）屈服强度（屈服点）：材料产生屈服现象时的最低应力
（材料抵抗塑性变形的能力）
s Fs A0
FS ：试样产生屈服的最小载荷 A 0 ：试样的原始横截面积
某些脆性材料无明显σs，可用σ0.2表示。
应变 l l0
二、弹性和刚度
（一）弹性极限：金属材料保持弹性变形时的最大应力
e Fe A0
Fe ：试样发生弹性变形的最大载荷 A 0 ：试样的原始横截面积
（二）弹性模量：金属材料在弹性状态下的应力和应变的比值
E
刚度：材料抵抗弹性变形的能力
弹性模量E越大，刚度越大。
（三）弹性比功：材料发生弹性变形时可吸收能量的能力
优点：可测软、硬金属，尤其是极薄零 件和渗碳层、渗氮层的硬度，它测得的压 痕轮廓清晰，数值较准确。
缺点：需要测量压痕对角线，经计算或 查表才能获得，效率不如洛氏硬度试验高， 所以不宜用于成批零件的常规检验。
第三节 冲击韧性
冲击韧性（韧性）：金属材料抵抗冲击载荷的能力
冲击试验
冲击吸收功 AK(VAKU )mg m h 1 gh
（二）抗拉强度：材料断裂前能承受的最大应力 （材料抵抗断裂的能力）
b Fb A0
Fb ：试样断裂前能承受的最大载荷 A 0 ：试样的原始横截面积
四、塑性
塑性：材料在静载荷作用下产生永久变形而不破坏的能力 塑性指标：断后伸长率和断面收缩率
1. 断后伸长率（延伸率）
l1l0 100%
l0
l1
试样断裂后的标距长度
三、维氏硬度
试验原理 :采用锥面夹角为 136°的金刚石正四棱锥体， 以选定的试验力压入试样表 面，按规定保持一定时间后 卸除试验力，测量压痕两对 角线长度。
HVA F0.1819dF2
表示：硬度值HV试验力（kgf）/试验力保持时间（s） （10－15s不标注）
如 450HV30/20
维氏硬度
工程材料与热处理
绪论
一、材料发展史
石器 → 陶瓷 → 铜 → 生铁冶铸 → 先炼铁再炼钢
25000年前
公元前8000年
公元前2140 ～1711年
公元前770～475年
1800多年前
石器时代→青铜器时代→铁器时代→人工合成材料时代
秦代铜车马
汉代长信宫灯
越王勾践宝剑
战国青铜器
汽轮发电机组
模锻水压机
第四节 断裂韧度
断裂韧度KIC：金属材料抵抗裂纹扩展的能力
应力场强度因子 KI Y
当 KI KIC 时，材料中裂纹就会失稳扩展，导致材料断裂。
第五节 疲劳强度
疲劳：机械零件在交变载荷作用下发生的断裂的现象。 交变载荷（循环载荷）：应力大小和方向随时间作周期性变化
疲劳强度：金属材料抵抗交变载荷的能力。 疲劳极限 1 ：指定循环基数（≥ 10 ）7 下的最大应力值
火星探测器
二、课程内容：
钢铁材料（黑色金属）
金属材料 非铁材料（有色金属）
机械工程材料 非金属材料 高分子材料 陶瓷材料
材料性能
复合材料 组织
成分 热处理
第一章 金属材料的力学性能
学习目的
➢ 初步掌握金属材料的力学性能指标和物理意义 ➢ 初步掌握力学性能测试方法 ➢ 会正确应用力学性能指标
金属材料的性能
500HBW5／750
布氏硬度 优点：因压痕面积较大，能反映出较大 范围内被测金属的平均硬度，故试验结果 较精确。 缺点：因压痕较大，所以不宜测试成品 或薄片金属的硬度。
二、洛氏硬度
试验原理：以顶角为120°的金 刚石圆锥体或直径为Φ1.588㎜ 的淬火钢球作压头，以规定的试 验力使其压入试样表面。根据试 样表面压痕深度，确定被测金属 材料的洛氏硬度值。
lo
试样的原始标距长度
2. 断面收缩率
A0 A110% 0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱA0
A1
试样断裂处的最小横截面积
A0
试样的原始横截面积
第二节 硬度
硬度：指材料抵抗局部变形的能力 是衡量材料软硬程度的指标
硬度测定方法：静试验力压入法
常用的硬度试验法：布氏硬度（HB） 洛氏硬度（HR） 维氏硬度（HV）
一、布氏硬度
试验原理 :直径D的淬火钢球或硬 质合金球作压头，以相应的试验 力F压入试件表面，经规定的保持 时间后，卸除试验力，得到一直 径为d的压痕。
H B F0.102 2F
A
DD D 2d2
压头为淬火钢球(HBS） 适用于布氏硬度450以下的材料（常用）； 压头为硬质合金球（HBW） 适用于布氏硬度650以下的材料。
表示：硬度值HBS（HBW）压头直径（mm）/试验力（kgf） /试验力保持时间（s） （10－15s不标注）
如：140HBS10／1000／30
HRK h 0.002
洛氏硬度无单位，需标明硬度标尺符号，在符号前面写出硬度值 如60HRC、80HRA
洛氏硬度
优点：操作迅速、简便，可从表盘上直 接读出硬度值，不必查表或计算，而且压 痕小，可测量较薄工件的硬度。
缺点：精确性较差，硬度值重复性差， 需要在材料的不同部位测试数次，取其平 均值来代表材料的硬度。
弹性变形：去除外力，变形消失（可回复） 塑性变形：去除外力，变形保持（不可回复） （永久变形）
拉伸试验：可测出金属材料的强度、刚度、弹性和塑性。 拉伸试样
l0
长度：拉伸前 l 0 拉伸后 l1
截面积：拉伸前 A 0 拉伸后 A1
l l1l0
AA0A1
一、力－伸长曲线与应力-应变曲线
应力 F （MPa） A0
使用性能 正常工作时所表现出的性能
化学性能 物理性能 力学性能 最重要的使用性能
工艺性能
冷热加工过程中所表现出的性能
铸造性能 锻造性能 焊接性能 切削加工性能 热处理性能
力学性能:材料在力的作用下所表现的性能 强度 塑性 硬度 韧性 疲劳强度
第一节 强度、刚度、弹性及塑性
材料受力过程：弹性变形→塑性变形→断裂
冲击韧度
k
Ak A
k 值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状 k 值高的材料叫做韧性材料，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽
冲击吸收功Ak与温度有关。Ak随温度降低而减少，在某一 温度区域， Ak急剧变化，此温度区域称为韧脆转变温度。韧脆 转变温度越低，材料的低温冲击性能越好。
e
12ee
e2
2E
弹簧材料要求大的弹性比功，常采用热处理提高弹性极限。
三、强度
强度：金属材料在静载荷作用下，抵抗永久变形和断裂的能力 （一）屈服强度（屈服点）：材料产生屈服现象时的最低应力
（材料抵抗塑性变形的能力）
s Fs A0
FS ：试样产生屈服的最小载荷 A 0 ：试样的原始横截面积
某些脆性材料无明显σs，可用σ0.2表示。
应变 l l0
二、弹性和刚度
（一）弹性极限：金属材料保持弹性变形时的最大应力
e Fe A0
Fe ：试样发生弹性变形的最大载荷 A 0 ：试样的原始横截面积
（二）弹性模量：金属材料在弹性状态下的应力和应变的比值
E
刚度：材料抵抗弹性变形的能力
弹性模量E越大，刚度越大。
（三）弹性比功：材料发生弹性变形时可吸收能量的能力
优点：可测软、硬金属，尤其是极薄零 件和渗碳层、渗氮层的硬度，它测得的压 痕轮廓清晰，数值较准确。
缺点：需要测量压痕对角线，经计算或 查表才能获得，效率不如洛氏硬度试验高， 所以不宜用于成批零件的常规检验。
第三节 冲击韧性
冲击韧性（韧性）：金属材料抵抗冲击载荷的能力
冲击试验
冲击吸收功 AK(VAKU )mg m h 1 gh
（二）抗拉强度：材料断裂前能承受的最大应力 （材料抵抗断裂的能力）
b Fb A0
Fb ：试样断裂前能承受的最大载荷 A 0 ：试样的原始横截面积
四、塑性
塑性：材料在静载荷作用下产生永久变形而不破坏的能力 塑性指标：断后伸长率和断面收缩率
1. 断后伸长率（延伸率）
l1l0 100%
l0
l1
试样断裂后的标距长度
三、维氏硬度
试验原理 :采用锥面夹角为 136°的金刚石正四棱锥体， 以选定的试验力压入试样表 面，按规定保持一定时间后 卸除试验力，测量压痕两对 角线长度。
HVA F0.1819dF2
表示：硬度值HV试验力（kgf）/试验力保持时间（s） （10－15s不标注）
如 450HV30/20
维氏硬度
工程材料与热处理
绪论
一、材料发展史
石器 → 陶瓷 → 铜 → 生铁冶铸 → 先炼铁再炼钢
25000年前
公元前8000年
公元前2140 ～1711年
公元前770～475年
1800多年前
石器时代→青铜器时代→铁器时代→人工合成材料时代
秦代铜车马
汉代长信宫灯
越王勾践宝剑
战国青铜器
汽轮发电机组
模锻水压机