第一章 金属材料的力学性能

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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。
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
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
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
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。
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
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
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
lo
试样的原始标距长度
2. 断面收缩率
A0 A110% 0
A0
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。
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
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
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。
（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
Biblioteka Baidu
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
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。