第一章 金属材料的力学性能

S0 S k 100% S0
和 越大，材料的塑性越好
塑性对材料的意义：
1. 提高安全性 2. 便于压力加工成型
1.2 硬度 硬度是材料抵抗局部 变形的能力，反映材料抵 抗其它物体压入的能力。 • 硬度是综合性能指标
• 硬度测量简便迅速，
不破坏零件
1.2.1 布氏硬度试验
原理：HB= F/S = 2F/πD[D - (D2-d2)1/2] •当测试压头为淬火钢球时，只能测试布氏硬度小于450的 材料，以HBS表示 •当测试压头为硬质合金时，可测试布氏硬度为450-650的 材料，以HBW表示
非合金钢
黑色 金属
金 属 材 料 有色 金属
低合金钢 合金钢 铸铁 铜及铜合金 铝及铝合金

滑动轴承合金
钛及钛合金 其他非铁合金
铸造 机 械 产 品 加 工 工 艺 压力加工 焊接 粉末冶金 切削加工 特种加工 熔焊 压焊 钎焊
力学性能—材料在承受各种载荷（外力）时所表 现出来的行为，即抵抗外力作用的能力。 载荷类型：静载荷－缓慢施加压力，行对变形速度较小； 动载荷－加载速度较快，塑性变形速度较快； 变载荷－作用力大小与方向作用周期变化。
5.5 热膨胀性 金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性 称为热膨胀性。热膨胀性用线胀系数αl和体胀系 数αV来表示。
L2 L1 l V 3 l L1t
式中：αl－线胀系数（1/K或1/℃）； L1－膨胀前长度（m）； L2－膨胀后长度（m）； Δt－温度变化量（K或℃）。
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。
2.1 冲击韧性
冲击韧性是在冲击载荷作用下，材料抵抗冲击 力的作用而不被破坏的能力。 通常用冲击吸收功Ak和冲击韧性a k指标来度量 。
材料的冲击功值随温度下降而减小。
五、金属材料的物理性能
5.1 密度 单位体积物质的质量称为该物质的密度：
m V
密度小于5×103kg/ m3的金属称为轻金属，如铝、 镁、钛及它们的合金。
密度大于5×103kg/ m3的金属称为重金属，如铁、 铅、钨等。
5.2 熔点 ---金属从固态向液态转变时的温度。
洛氏硬度测量的优点：操作简便，操作迅速、简便，
可由表盘上直接读出硬度值。
缺点：精度较差，硬度值波动较大。
HRC洛氏硬度适用于：淬火钢，调质钢 批生产零件
当HRC20-67时有效
1.2.3 维氏硬度
在用规定的压力P将金刚石压头 压入被测试件表面并保持一定时间 后卸去载荷，测量压痕投影的两对 角线的平均长度d，据此计算出压痕 的表面积S，最后求出压痕表面积上 平均压力（HV=P/S），以此作为被 测材料的维氏硬度值。
用一定载荷F，将直径为D的球体 （淬火钢球或硬质合金球），压入被 测材料的表面，保持一定时间后卸去 载荷，测量被测试试表面上所形成的 压痕直径d，由此计算压痕的球缺面 积S，其单位面积所受载荷称为布氏 硬度。布氏硬度值HB=F / S 单位：kgf/mm2
优点：测量数值稳定，准确
缺点：操作慢，不适用批量生产和薄形件
5.6 磁性 铁磁材料：在外磁场中能强烈地被磁化，
如铁、钴等
金属材料：
顺磁材料：在外磁场中只能微弱地被磁化，
如锰、铬等 抗磁材料：能抗拒或削弱外磁场对材料本身的 磁化作用，如铜、锌等
六、金属材料的化学性能
6.1 耐蚀性
金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化 学介质腐蚀破坏作用的能力称耐蚀性。 6.2 抗氧化性 金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称抗 氧化性。加入Cr、Si等合金元素可提高钢的抗氧 化性。
1.1.2 材料强度 （1）屈服强度
s Fs A S 00
（2）抗拉强度 b Fb A S 00 （3）断裂强度 Fk
k
A S 00
塑性变形：是材料在外力的作用下产生形变，当施加的外力撤除或消 失后该物体不能恢复原状的一种物理现象。
强度：指材料在外力作用下抵抗永久变形和破坏的能力。
材料的a k 值愈大，韧性就愈好；材料的a k 愈小，材料的脆性愈大。
值
通常把a
k
值小的材料称为脆性材料。
材料的a k 值随试验温度的降低而降低。当温度降 至某一数值或范围时，a k 值会急剧下降，材料则 由韧性状态转变为脆性状态，这种转变称为冷脆转 变，相应温度称为冷脆转变温度。材料的冷脆转变 温度越低，说明其低温冲击性能越好，允许使用的 温度范围越大。因此对于寒冷地区的桥梁、车辆等 机件用材料，必须作低温（一般为–40℃）冲击弯 曲试验，以防止低温脆性断裂
熔点高的金属称为难熔金属，如钨、钼、钒等，
可以用来制造耐高温零件，如在火箭、导弹、燃气
轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。
熔点低的金属称为易熔金属，如锡、铅等，可用
于制造熔丝和防火安全阀零件等。
5.3 导热性 导热性通常用导热率来衡量。 导热率越大，导热性越好。 金属的导热性以 银为最好，铜、铝次之。 5.4 导电性 金属材料能够传导电流的能力称导电性。 通常用电导率来衡量，电导率越大，金属材 料导电性越好。金属导电性以银为最好，铜、铝 次之。
布氏硬度适用于：铸铁，有色金属
退火、正火、调质处理钢
原材料，毛坯
当HBS<450时有效（HBW450-650)
1.2.2
洛氏硬度试验
原理： HR = (k-h) / 0.002 • 对金刚石圆锥压头 k = 0.2 mm • 对钢球压头 k = 0.26 mm
将标准压头用规定 压力压入被测材料的 表面，经规定时间后 卸除试验力，根据压 痕深度来确定硬度值。
1.1.1 弹性极限和刚度 Fe （1）弹性极限 e S A00 （2）材料刚度 E
金属材料受外力作用时产生变形。 当外力去掉后能恢复其原来形状的 性能称为弹性。 这种随外力消除而消除的变形，称 为弹性变形 。 材料在弹性范围内，应力与应变成正比，其比值E=σ/ε称为 弹性模量，单位为MPa。 弹性模量E标志着材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料 的刚度。
金属经热处理可使性能顺利改善的性质。
七、金属材料的工艺性能
金属材料的一般加工过程
7.1 铸造性能
金属材料铸造成形的能力，常用流动性、 收缩性和偏析来衡量。 7.2 锻造性能
金属锻造成形的能力。它主要取决于金属的 塑性和变形抗力。 7.3 切削加工性能
金属切削的难易程度称为切削加工性能。
7.4 焊接性能 金属能焊接成具有一定使用性能的焊接接头的 特性。 7.5 热处理性能
优点：维氏硬度可测定从很软到很硬的各种材料， 可测定较薄材料和各种表面渗层，且准确度高。 缺点：测试手续较繁。
注意：
各硬度试验法测得的硬度值不能直接进行 比较，必须通过硬度换算表换算成同一种硬度 值后方可比较大小。
硬度HBS与抗拉强度换算的经验公式
二、非静载荷时材料的力学性能
有些机件在工作时要受到高速作用的载荷冲击，
2.2 多冲抗力
锤头 试样 橡胶夹头
较小能量的多次冲击，测定在一定冲击能量下 材料断裂前的冲击次数作为多冲抗力的指标。 冲击能量高时，主要取决于塑性；
冲击能量低时，主要取决于强度；
2.3 疲劳强度 疲劳断裂：工作应力低于其屈服点的情况下 发生断裂。断裂前材料往往没有明显的塑性变形， 产生断裂也较突然，危害很大。
第一章 金属材料的力学性能
主要内容： 1、使学生了解金属材料的力学性能的概念。
2、掌握金属材料力学性能的评价方法和指标。
重点与难点：
1、金属材料强度、硬度的概念。
2、金属材料强度、硬度的评价方法和指标。
金属材料是由金属元素或以金属元素为主要材 料构成的并具有金属特性的工程材料。
纯金属 金 属 材 料 合 金

T t T t

600 0.1 1000 800 100
88MPa
（2）持久强度
186MPa
一般说来，对于金属材料只有当温度高于0.3 倍材料熔点时，蠕变现象才明显。 某些有机高分子材料在室温下会发生明显的 蠕变现象。
4.2 低温性能
随着温度的下降，多数材料会出现脆性增加 的现象，严重时甚至发生脆断。
将一定重量G的摆锤升至一 定高度h1，使它获得位能为 G〃h1；再将摆锤释放，使其刀 口冲向箭头所指试样缺口的背 面；冲断试样后摆锤在另一边 的高度为h2，相应位能为G〃h2， 冲断试样前后的能量差即为摆 锤冲断试样所消耗的功，或是 试样变形和断裂所吸收的能量， 称为冲击吸收功Ak，即Ak = G〃h1-G〃h2，单位为J。 冲击吸收功除以试样缺口底 部处横截面积F获得冲击韧性值 ak ，即ak =Ak/ F
屈服强度：是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，亦即抵抗微量塑 性变形的应力。 抗拉强度：指试样拉断前所承受的最大拉应力，它反映了最大均匀变 形的抗力。 断裂强度：是材料发生断裂的应力。
1.1.3 塑性－在外力作用下产生变形而不断裂 的能力。 （1）伸长率 （2）断面收缩率
lk l0 l 100% 100% l0 l0
通过测定材料在重复的交变载荷作用下而无 σ 断裂的最大应力得到的。
交变应力：大小、方向随时 间周期性变化的应力 σ 重复应力：方向不随时间变化
t
t
疲劳试验
疲劳曲线
疲劳强度 — 材料经无限多次应 力循环而不断裂的 最大应力。它表 示材料抵抗疲劳断 裂的能力。 纯弯曲疲劳强 度用σ-1表示
国家标准GB4337-84规定： 一般钢铁材料的交变次数106~107周次； 有色金属的交变次数为107~108周次。
载荷的加载方式：
一、静载荷条件下材料的力学性能