1金属材料的力学性能

适用范围: HV≈HBS ; 测量薄板类 ;
GB4340-1984：《金属维氏硬度实验方法》
六.韧性( toughness ): 6.1冲击韧性( notch toughness ): 冲击韧度
材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力
材料的韧 性可以用应力 应变曲线以下 到横坐标之间 的面积来表示， 如图所示。图 中可以看出， 虽然金属铜的 强度低于氧化 铝陶瓷，但其 韧性要好得多。
σ-1 = (0.45～0.55)σ b
交变载荷及疲劳 曲线
1943年美国T-2油轮发生断裂
八 耐磨性
接触疲劳磨损
磨损的主要类型：粘着磨损 磨粒磨损 磨损机理：粘着磨损 磨粒磨损
九.比强度 ( specific strength ): 材料的强度值与密度值之比。
名称 密度
强度 比强度
60 95 34 23 16
3
2.09 3.85 1.46 0.59 0.84 0.17 21 抗磁 12 铁磁 铁磁 182
72400
13000 0
43600
21000 0
20000 0
来自百度文库
11250 0
80～ 200～ 110 240
200
400～ 250～ 250～ 500 330 300
32～ 40
韧性: 材料在塑性变形和断裂的过程中吸 收能量的能力.
材料的韧性也可以用冲击试验来测量--冲击试验方法 有些机器零件是在冲击载荷下工作的，如锻锤， 冲头等。 通常用冲击韧性来评定材料抵抗冲击的能力。 测定材料 的冲击韧性一般是在一次摆锤冲击试验机上 进行。
冲击试验机
冲击试样和冲击试验示意图
试样冲断时所消耗的冲击功A k为:
σ0.2 =
( M pa ) 形时的载荷(N)
A 0 试样原始横截面( mm2)
(4)抗拉强度( tensile strength ):
试样在断裂前所能承受的最大应力。
Fb σb =
A0
试样断裂前的最大载荷(N)
( M pa )
试样原始横截面积( mm2)
5.刚度(rigidity ):材料对弹性变形的 抵抗能力（刚性）
(2)屈服强度( yield strength): 屈服点 S
Fs σs =
A0
试样屈服时的载荷( N )
( M pa ) 试样原始横截面积( mm2)
(a)拉伸强度 （b)压缩强度 （c)弯曲 强度 （d)剪切强度 （e)扭转强度
(3)条件屈服强度( 塑性变形量为0.2%)
F0.2 试样产生0.2%残余塑性变
(g / cm3) ( Mpa ) 纯铝 2.7 80～100 30～37
纯铁 7.87 180～280 23～36
纯钛 4.5 405～500 90～111
一些金属的物理性能及机械性能
金属 元素符号 密度kg/m3×103 熔点(℃) 线膨胀系数(1/℃)
×10-6 导电率(%) 导热系数(J/m.s.℃) 磁化率 χ
强度 刚度 弹性 塑性
硬度 韧性 疲劳性能
耐磨性
Strength, rigidity, elasticity, plasticity, hardness, toughness, Fatigue strength, wear-resisting property
三 拉
材料在外力作用下对变形与断裂的抵抗能力
d从图中可以看出,塑性好的试样断口呈韧窝花样,塑性较差的试样断
口呈冰糖状或舌状花样。
crater dimple
拉伸试样断口（扫描电镜照片）
五.硬度( hardness ):是指材料抵抗其他 硬物体压入其表面的能力。
布氏硬度HB
常用测量硬度的方法
洛氏硬度HR 维氏硬度HV
肖氏硬度HS
(1)布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )
A0 - A 1
ψ=
× 100%
A0
(2)伸长率(延伸率) specific elongation: 是指试样拉断后的标距伸长量L 1 – L 0
与原始标距L 0之比。
L1– L0
δ=
× 100%
L0
δ < 2 ~ 5% 金属脆性材科 δ ≈ 5 ~ 10% 金属韧性材料 δ > 10% 金属塑性材料
A k = m g H – m g h (J)
冲击韧性值a k 就是试样缺口处单位 截面积上所消耗的冲击功。
AK
ak=
S0
(J/cm²)
不同材料冲击韧性与温度的关系
七.疲劳强度( fatigue strength ): 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。
疲劳概念: 有许多零件是在交变载荷下服役的，如轴、齿轮、
直径、载荷及载荷保持时间。
如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的
钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保
持30s测得的布氏硬度值为120。
从2003年6月1日开始，原国标 GB/T231-1984废止，我国等效 执行国际标准ISO6506，制定 新的国家标准：GB/T231.12002，文中明确取消了钢球压
弹性模量E(MPa)
抗拉强度 σb (MPa)
伸长率 δ (%)
断面收缩率ψ(%)
布氏硬度HB
色泽
铝铜镁镍铁钛
Al Cu Mg Ni Fe Ti 2.70 8.94 1.74 8.9 7.86 4.51 660 1083 650 1455 1539 1660
23.1 16.6 25.7 13.5 11.7 9.0
弹簧等。通常它们工作时所承受的应力都低于材料的屈 服极限，但在交变载荷作用下经过较长时间后发生断裂， 这种现象称为疲劳。
疲劳强度: 疲劳强度是指材料经受无限多次循环而不断裂的最
大应力，记为ζ r。通常是用旋转弯曲试验方法测定在 对称应力循环条件下材料的疲劳极限(ζ -1)。
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 钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:
伸
拉伸试样
试
验
拉伸试验机
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
样距原)拉表始伸示截过，面程则积如这）下时表图的示所曲，示线横。与坐若试标将样以纵的应坐尺变标寸ε以无(应关ε 力，=(ζ称Δ (为Lζ/应=L力0,P/-LA应00为,变试A曲0 样线为标或试 ζ -ε 曲线。
（动画）拉伸过程示意图
四.拉伸图(GB6397-1986)
45～ 50
11.5
35～ 40
25～ 55
50～ 70
70～ 90
65～ 75
12.5
60～ 70
70～ 85
76～ 88
20 40 36 80 65 100
银白
玫瑰 红
银白
白
灰白 暗灰
铅
Pb 11.34 327
29 7 — 抗磁 —
18
45
90 4 苍灰
锡锑
Sn Sb 7.3 6.69 232 631
23 11.4
14
4
——
2
—
——
20 4～10
40
0
90
0
5
30
银白 银白
第三节 金属材料工艺性能
铸造性能 锻造性能
焊接性能
切削加工
性能
热处理性能
1、铸造性 金属溶化成液态后，在铸 造成形时具有的一种特性。
2、锻压性 金属材料在锻造过程中 承受塑性变形的性能。
3、焊接性 焊接性指材料在限定的 施工条件下焊接成按规定设计要求的构件， 并满足预定服役要求的能力。
2.弹性变形( elastic deformation ): 随载荷撤除而消失的变形。
3.弹性极限( elastic limit ):
Fe 弹性极限载荷( N )
σe =
( M pa )
A0 试样原始横截面积( mm2)
4.强度(strength): 材料在载荷作用下抵抗 破坏的能力。
(1)种类: 抗拉强度、 抗压强度、 抗弯强 度 、 抗剪强度 、 抗扭强度等。
b es
沿试样轴向以一定速度施加载荷，使其发生拉伸变形直至断裂。通 过力与位移传感器可获得载荷(P)与试样伸长量(Δ L)之间的关系曲线， 称为拉伸曲线或P-Δ L曲线。
虎克定律
拉伸曲线（载荷-位移曲线）和应力-应变曲线 比例极限, 弹性极限, 屈服强度, 抗拉强度, 断裂强度
σk
1.弹性( elasticity ):金属材料受外力作 用时产生变形,当外力去掉后能恢复 到原来形状及尺寸的性能。
布氏硬度计
(1)布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )
GB231-1984
《金属布氏硬度 实验方法》
适用范围:
＜450HBS;
＜650HBW;
硬质合金球
(1)布氏硬度 H压B头(为B淬rinell-hardness )
火钢球
符号HBS或HBW之前的数字表示硬度
值，符号后面的数字按顺序分别表示球体
GB230-1991：《金属洛氏硬度实验方法》
洛氏硬度测试示意图 洛 氏 硬 度 计
h1-h0
(3)维氏硬度 HV ( diamond penetrator hardness )
维氏硬度实验示意图
物理意义：压痕表面 上单位面积所承受的压 力
压头是136°金刚石 四棱锥体，测量出压痕 对角线(图2-16)，用此 值查表得硬度值，用HV 表示。它可以对由高到 低的较宽的硬度范围进 行测量。
头，全部采用硬质合金球头。 因此HBS停止使用，全部用 HBW表示布氏硬度符号。
(2)洛氏硬度 HR ( Rockwell hardness )
用压痕深度表征（每0.002mm的深度为一个单位）。因所用压头和载荷 不同又分为：HRC、HRB和HRA三种(见下表)。洛氏硬度主要测较硬的材料， 但不宜测定硬而脆的薄层，硬薄层工件常用维氏硬度衡量。
弹性阶段应力与应变的比值—刚度
弹性模量（E）。
挠度： 外力作用下工件产生的弹性变形量
四.塑性(plasticity):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(percentage reduction in
area): 是指试样拉断处横截面积A 1
的收缩量(A0 - A 1)与原始横截面积 A0 之比。
材料与工程的关系：材料应用于工程，工 程的目的是按照需要和条件改造材料，使 其具有使用价值。
工艺
结构
性能
材料使用性能
力学性能 物理性能 化学性能
材料工艺性能
铸造性能 锻造性能 焊接性能 切削加工性能
第二节 金属材料的力学性能
一.定义 : 力学性能是指材料在力的作用
下抵抗变形和开裂的性能。 二.指标 :
4、切削加工性 金属材料的切削加 工性指金属材料在切削加工是的难易程度。
第一章小结
1.名词解释（8-5-3-5）
强度、刚度、弹性、塑性、冲击韧性、 疲劳强度、硬度、耐磨性、密度、热 学、电学、磁学、光学性能、耐高温、 耐腐蚀、耐低温性能、铸造性能、焊 接性能、锻压性能、热处理性能、可 切削加工性能。
2.指出下列符号的含义：
ζ e 、ζ p 、ζ s、ζ 0.2 、ζ b 、E、δ 、 ψ 、 ζ -1、 ak 、HB、HRC、HRB 和 HRA、
HV
金属材料的力学性能 Performance of Metal Material
材料的性能依据 金属材料的力学性能 金属材料的其他性能
第一节 材料性能依据
材料的性能：表征材料在外界条件下所表 现出的行为。
材料系统包括：化学成分、内部结构。
材料的化学成分和内部结构是材料性能的 内部依据，性能是指确定成分和结构的材 料的外部表现。