第一章 金属材料的力学性能

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。
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。
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。
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。

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。
金属经热处理可使性能顺利改善的性质。
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
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
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，
不破源自文库零件
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
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。
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。
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
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
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℃）。
载荷的加载方式：
一、静载荷条件下材料的力学性能
1.1 静拉伸试验及材料的强度与塑性
d0＝10mm
l0＝10d0或 5d0
用静拉伸力对标准试样进行缓慢的轴向拉伸直至拉断的 一种试验方法。
变换：
F / S0
s0 为试样原始截面积(mm2)
l / l0
l0 为试样标距长度
转化： 纵坐标：以应力σ表示， 横坐标：以应变ε表示
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
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 。
三、金属材料的断裂韧度
低应力脆断—在σs以下较低的静载荷下发生 脆性断裂。
原因：存在宏观缺陷，在应力作用下发展扩大造成。
断裂韧度KIC:
材料的化学成分
热处理 加工工艺
四、高低温性能
4.1 高温下材料的力学行为与常温下相比：
• 材料强度、刚度、硬度随温度升高而逐渐下降；
• 在恒温、恒应力作用下，会随时间的延长，发生 缓慢的塑性变形—蠕变。 一般规律：温度越高，工作应力越大，则蠕变的发 展越快，而产生断裂的时间就越短。 力学性能指标： （1）蠕变强度
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。
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。
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，
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。
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