第一章 金属材料的种类与性能(定稿)
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• 它表示材料抵抗断裂的能力。 它表示材料抵抗断裂的能力。 • 是零件设计的重要依据；也是评定金属强度 是零件设计的重要依据； 的重要指标之一。 的重要指标之一。
σe σs σb F σb = S 注：σs
、
0 b
试样断裂前的最大载荷(N) 试样断裂前的最大载荷 ( M Pa ) 试样原始横截面积( 试样原始横截面积 mm2)
E=σ / ε
2.刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。 刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。 刚度 弹性模量：弹性下应力与应变的比值 表示材料 弹性模量：弹性下应力与应变的比值,表示材料 抵抗弹性变形的能力。 抵抗弹性变形的能力。即： E=σ / ε 材料的E越大，刚度越大； 对组织不敏感 对组织不敏感； 材料的 越大，刚度越大； E对组织不敏感； 越大 零件的刚度主要决定于E，也与形状、 零件的刚度主要决定于 ，也与形状、截面等有 关。 杭州电子科技大学
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工程材料及热加工
• 不同材料的拉伸曲线
退火低碳钢
中碳调质钢
淬火钢及铸铁
杭州电子科技大学
低、中回火钢
工程材料及热加工
强度极限σ 强度极限σB 屈服极限σ 屈服极限σS 强化阶段 屈服阶段 弹性极限σ 弹性极限σP 弹性阶段
颈缩阶段
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工程材料及热加工
变形强化
补充材料
• 在外力作用下，晶粒的形状随着工件外形的变化 而变化。当工件的外形被拉长或压扁时，其内部 晶粒的形状也随之被拉长或压扁，导致晶格发生 畸变，使金属进一步滑移的阻力增大，因此金属 的强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降， 产生所谓“变形强化”现象。
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工程材料及热加工
塑性的测量
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工程材料及热加工
1.2.冲击韧性（ak） （动载特性） 冲击韧性 动载特性）
材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。 许多机械零件和工具在工作中, 往往要受到冲击载荷的作用, 如活 塞销、锤杆、冲模和锻模等常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。
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工程材料及热加工
疲劳强度的测量实验
杭州电子科技大学
工程材料及热加工
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工程材料及热加工
钢材的循环次数一般取 N = 10 8 有色金属的循环次数一般取 N = 10 钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系: 钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系 σ-1 = (0.45～0.55) b (0.45～0.55)σ
• 硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要 的性能指标。 的性能指标。 • 它既可理解为是材料抵抗弹性变形、塑性 它既可理解为是材料抵抗弹性变形、 变形或破坏的能力，也可表述为材料抵抗 变形或破坏的能力， 残余变形和反破坏的能力。 残余变形和反破坏的能力。 • 硬度不是一个简单的物理概念，而是材料 硬度不是一个简单的物理概念， 弹性、塑性、 弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综 合指标。 合指标。
7
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工程材料及热加工
1943年美国 油轮发生断裂 年美国T-2油轮发生断裂 年美国 1943年美国 油轮发生断裂 年美国T-2油轮发生断裂 年美国
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工程材料及热加工
思 考 题
1 将钟表发条拉成一直线，问这是弹 将钟表发条拉成一直线， 性变形还是塑性变形？ 性变形还是塑性变形？怎样判断它的 变形性质？ 变形性质？ 疲劳破坏有什么危害？ 2 疲劳破坏有什么危害？在什么情 况下发生疲劳破坏， 况下发生疲劳破坏，产生原因是什 么？如何提高零件的疲劳强度？ 如何提高零件的疲劳强度？
σb 是设计与选材的百度文库要依据
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工程材料及热加工
补充材料
比强度 ( specific strength ): 材料的强度值与密度值之比。 材料的强度值与密度值之比。
名称
强度 密度 (g / cm3) ( Mpa ) 2.7 纯铝 80～100 ～ 纯铁 纯钛 7.87 4.5
比强度 30～37 ～
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工程材料及热加工
1 强度 材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。 强度: 材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。 种类: 抗拉强度、 抗压强度、 种类 抗拉强度、 抗压强度、 抗弯 抗扭强度等。 强 度 、 抗剪强度 、 抗扭强度等。 (1) 屈服点 与屈服强度 与屈服强度: 产生明显塑性变形的最低应力值. 产生明显塑性变形的最低应力值
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工程材料及热加工
冲击试验机
冲击试样和冲击试验示意图
杭州电子科技大学
工程材料及热加工
试样冲断时所消耗的冲击功A 试样冲断时所消耗的冲击功 k为: A k = m g H – m g h (J) 冲击韧性值a 冲击韧性值 k 就是试样缺口处单位 截面积上所消耗的冲击功。 截面积上所消耗的冲击功。 AK
补充知识： 金属材料的性能 使用性能—力学、物理、 使用性能 力学、物理、化学 力学 工艺性能—铸造、锻压、焊接、 工艺性能 铸造、锻压、焊接、切削性 铸造
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物理性能 使用 性能 化学性能 力学(机械) 力学(机械) 性能 金属材料 的性能 工艺 性能 铸造性 焊接性 压力加工性 切削性 热处理性
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强度 静载特性： 静载特性： 刚度 塑性 硬度 冲击韧性 动载特性： 动载特性： 疲劳强度
经济 性能
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1.1 强度、刚度、塑性 强度、刚度、
杭州电子科技大学 强度的拉伸试验
工程材料及热加工
1.静载特性 静载特性
强度、刚度、 1.1 强度、刚度、塑性
(1).强度 在外力作用下材料抵抗变形和破坏的能力。 强度: 强度
a k=
S0
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(J/cm²)
工程材料及热加工
冲击韧性的测量实验
杭州电子科技大学
工程材料及热加工
温度对冲击韧性的影响 • 某些材料在低于某个温度 时它的冲击韧性大为下降， 该温度即为韧脆转变温度 或韧脆敏感温度，因此在 低温工作的材料必须对此 引起重视。
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σs
概念：力不增加仍能继续伸长时的应力 力不增加仍能继续伸长时的应力。用符号：σs 表示 力不增加仍能继续伸长时的应力 Fs σs = S0 试样屈服时的载荷( 试样屈服时的载荷 N ) ( M Pa ) 试样原始横截面积 试样原始横截面积( mm2) 原始横截面积
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屈服强度( 塑性变形量为0.2%，微量塑性变形 屈服强度 塑性变形量为 ，微量塑性变形) F0.2 试样产生0.2%残余塑性变 试样产生 残余塑性变 σ0.2
=
S
0
形时的载荷(N) 形时的载荷
( M Pa ) 试样原始横截面( 试样原始横截面 mm2)
σ0.2：试样产生残余塑性变形 试样产生残余塑性变形0.2%时的应力 时的应力
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1.3 疲劳强度
(2).疲劳强度 (2).疲劳强度 材料在多次交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力 轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件，在工作过程中各 点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变 化的应力称为交变应力(也称循环应力)。 在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的 屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完 全断裂的过程称为金属的疲劳。 材料承受的交变应力(σ )与材料断裂前承受交变应力 的循环次数(N)之间的关系可用疲劳曲线来表示。金属承受 的交变应力越大, 则断裂时应力循环次数N越少。当应力低 于一定值时, 试样可以经受无限周期循环而不破坏, 此应 力值称为材料的疲劳极限(亦叫疲劳强度)，用σ-1 表示。
练习题一
• 拉力试样的原标距长度为50mm，直径为10mm，经拉力 试验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长 度为71mm，颈缩区的最小直径为4.9mm，试求该材料的 伸长率和断面收缩率的值？ • 解： • δ５=[（71-50）/50]x100%=42% （ ） • S0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2) • S1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2) • Ψ=[(S0-S1)/S0]x100%=24%
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1.4 硬 度
•硬度 hardness ):是指材 硬度( 硬度 是指材 料抵抗其他硬物体压入 其表面的能力 •常用测量硬度的方法 常用测量硬度的方法
布氏硬度HB 布氏硬度 洛氏硬度HR 洛氏硬度 维氏硬度HV 维氏硬度
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工程材料及热加工
如何理解硬度？
180～280 23～36 ～ ～ 405～500 90～111 ～ ～
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σ=
F S0
工程材料及热加工
（2）刚度 ）
1.弹性：金属材料受外力作用时产生变 弹性： 弹性 形,当外力去掉后能恢复到原来形状及 当外力去掉后能恢复到原来形状及 尺寸的性能。 尺寸的性能。 弹性变形: 随载荷撤除而消失的变形。 弹性变形 随载荷撤除而消失的变形。
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e
σe 3.弹性极限 弹性极限: 弹性极限 Fe σe = S0 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)
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工程材料及热加工 3）、塑性 plasticity ）、 概念：在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力 概念 在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。 在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力 判据：断后伸长率 、断后断面收缩率 判据 断后伸长率 ◆断后伸长率 断后伸长率 概念：试样断后标准的伸长量与标准的百分比 概念 试样断后标准的伸长量与标准的百分比。 试样断后标准的伸长量与标准的百分比
工程材料及热加工
工程材料及热加工
杭州电子科技大学 2010.7
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第一章 金属材料的力学性能
本章重点： 本章重点：金属材料的力学性能 本章难点： 本章难点：各性能指标的物理意义和测定方法 主要内容：金属材料的力学性能,包括材料的强 主要内容：金属材料的力学性能,包括材料的强 硬度、塑性、冲击韧性、 度 、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳 强度等 强度等。
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工程材料及热加工
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试样产生0.2%残余塑性变形 残余塑性变形 试样产生
屈服强度σ 是零件设计的主要依据； 屈服点 σs 、屈服强度 0.2是零件设计的主要依据； 也是评定金属强度的重要指标之一。 也是评定金属强度的重要指标之一。
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工程材料及热加工
(2)抗拉强度： 抗拉强度： 抗拉强度 概念：试样拉断前所承受的最大拉应力 试样拉断前所承受的最大拉应力。用符号：σb表示 试样拉断前所承受的最大拉应力
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工程材料及热加工
练习题二
• 某工厂买回一批材料（要求：бs≥230MPa；бb≥410MPa； δ5≥23%；ψ≥50%）．做短试样（ｌ0=5ｄ0；ｄ0=10mm）拉伸试 验，结果如下：Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm; 问买回的材料合格吗？ • 解： 根据试验结果计算如下： • бs＝Fs／s０＝(19x1000)/(3.14x52 )=242 ＞230MPa • бb ＝Fb／ s０＝(34.5x1000)/(3.14x52 )=439.5 ＞410MPa • δ5 ＝ [∆l ／l 0]x100% ＝[(63.1-50)/50]x100%=26.2% ＞23% • ψ ＝ [∆S ／S 0]x100% ＝60.31% ＞50% • 材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格。
δ=
◆断后断面收缩率 断后断面收缩率
其中： 其中：Lk—断后试样长度 断后试样长度 Lk − Lo X100% Lo—试样原始长度 试样原始长度 Lo
概念：断后截面处面积的最大缩减量与原始截面面积百分比 概念 断后截面处面积的最大缩减量与原始截面面积百分比。 断后截面处面积的最大缩减量与原始截面面积百分比 说明：伸长率和收缩率在实际应用中， 表示塑性大小。 说明：伸长率和收缩率在实际应用中，一般是用δ表示塑性大小。 δ、 Ψ越大， 越 材料的塑性越好。通常认为δ 脆性材料。 材料的塑性越好。通常认为δ<5%脆性材料 脆性材料
σe σs σb F σb = S 注：σs
、
0 b
试样断裂前的最大载荷(N) 试样断裂前的最大载荷 ( M Pa ) 试样原始横截面积( 试样原始横截面积 mm2)
E=σ / ε
2.刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。 刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。 刚度 弹性模量：弹性下应力与应变的比值 表示材料 弹性模量：弹性下应力与应变的比值,表示材料 抵抗弹性变形的能力。 抵抗弹性变形的能力。即： E=σ / ε 材料的E越大，刚度越大； 对组织不敏感 对组织不敏感； 材料的 越大，刚度越大； E对组织不敏感； 越大 零件的刚度主要决定于E，也与形状、 零件的刚度主要决定于 ，也与形状、截面等有 关。 杭州电子科技大学
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• 不同材料的拉伸曲线
退火低碳钢
中碳调质钢
淬火钢及铸铁
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低、中回火钢
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强度极限σ 强度极限σB 屈服极限σ 屈服极限σS 强化阶段 屈服阶段 弹性极限σ 弹性极限σP 弹性阶段
颈缩阶段
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变形强化
补充材料
• 在外力作用下，晶粒的形状随着工件外形的变化 而变化。当工件的外形被拉长或压扁时，其内部 晶粒的形状也随之被拉长或压扁，导致晶格发生 畸变，使金属进一步滑移的阻力增大，因此金属 的强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降， 产生所谓“变形强化”现象。
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塑性的测量
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1.2.冲击韧性（ak） （动载特性） 冲击韧性 动载特性）
材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。 许多机械零件和工具在工作中, 往往要受到冲击载荷的作用, 如活 塞销、锤杆、冲模和锻模等常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。
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疲劳强度的测量实验
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工程材料及热加工
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钢材的循环次数一般取 N = 10 8 有色金属的循环次数一般取 N = 10 钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系: 钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系 σ-1 = (0.45～0.55) b (0.45～0.55)σ
• 硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要 的性能指标。 的性能指标。 • 它既可理解为是材料抵抗弹性变形、塑性 它既可理解为是材料抵抗弹性变形、 变形或破坏的能力，也可表述为材料抵抗 变形或破坏的能力， 残余变形和反破坏的能力。 残余变形和反破坏的能力。 • 硬度不是一个简单的物理概念，而是材料 硬度不是一个简单的物理概念， 弹性、塑性、 弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综 合指标。 合指标。
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1943年美国 油轮发生断裂 年美国T-2油轮发生断裂 年美国 1943年美国 油轮发生断裂 年美国T-2油轮发生断裂 年美国
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思 考 题
1 将钟表发条拉成一直线，问这是弹 将钟表发条拉成一直线， 性变形还是塑性变形？ 性变形还是塑性变形？怎样判断它的 变形性质？ 变形性质？ 疲劳破坏有什么危害？ 2 疲劳破坏有什么危害？在什么情 况下发生疲劳破坏， 况下发生疲劳破坏，产生原因是什 么？如何提高零件的疲劳强度？ 如何提高零件的疲劳强度？
σb 是设计与选材的百度文库要依据
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补充材料
比强度 ( specific strength ): 材料的强度值与密度值之比。 材料的强度值与密度值之比。
名称
强度 密度 (g / cm3) ( Mpa ) 2.7 纯铝 80～100 ～ 纯铁 纯钛 7.87 4.5
比强度 30～37 ～
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1 强度 材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。 强度: 材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。 种类: 抗拉强度、 抗压强度、 种类 抗拉强度、 抗压强度、 抗弯 抗扭强度等。 强 度 、 抗剪强度 、 抗扭强度等。 (1) 屈服点 与屈服强度 与屈服强度: 产生明显塑性变形的最低应力值. 产生明显塑性变形的最低应力值
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冲击试验机
冲击试样和冲击试验示意图
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试样冲断时所消耗的冲击功A 试样冲断时所消耗的冲击功 k为: A k = m g H – m g h (J) 冲击韧性值a 冲击韧性值 k 就是试样缺口处单位 截面积上所消耗的冲击功。 截面积上所消耗的冲击功。 AK
补充知识： 金属材料的性能 使用性能—力学、物理、 使用性能 力学、物理、化学 力学 工艺性能—铸造、锻压、焊接、 工艺性能 铸造、锻压、焊接、切削性 铸造
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物理性能 使用 性能 化学性能 力学(机械) 力学(机械) 性能 金属材料 的性能 工艺 性能 铸造性 焊接性 压力加工性 切削性 热处理性
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强度 静载特性： 静载特性： 刚度 塑性 硬度 冲击韧性 动载特性： 动载特性： 疲劳强度
经济 性能
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1.1 强度、刚度、塑性 强度、刚度、
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1.静载特性 静载特性
强度、刚度、 1.1 强度、刚度、塑性
(1).强度 在外力作用下材料抵抗变形和破坏的能力。 强度: 强度
a k=
S0
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冲击韧性的测量实验
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温度对冲击韧性的影响 • 某些材料在低于某个温度 时它的冲击韧性大为下降， 该温度即为韧脆转变温度 或韧脆敏感温度，因此在 低温工作的材料必须对此 引起重视。
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σs
概念：力不增加仍能继续伸长时的应力 力不增加仍能继续伸长时的应力。用符号：σs 表示 力不增加仍能继续伸长时的应力 Fs σs = S0 试样屈服时的载荷( 试样屈服时的载荷 N ) ( M Pa ) 试样原始横截面积 试样原始横截面积( mm2) 原始横截面积
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屈服强度( 塑性变形量为0.2%，微量塑性变形 屈服强度 塑性变形量为 ，微量塑性变形) F0.2 试样产生0.2%残余塑性变 试样产生 残余塑性变 σ0.2
=
S
0
形时的载荷(N) 形时的载荷
( M Pa ) 试样原始横截面( 试样原始横截面 mm2)
σ0.2：试样产生残余塑性变形 试样产生残余塑性变形0.2%时的应力 时的应力
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1.3 疲劳强度
(2).疲劳强度 (2).疲劳强度 材料在多次交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力 轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件，在工作过程中各 点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变 化的应力称为交变应力(也称循环应力)。 在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的 屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完 全断裂的过程称为金属的疲劳。 材料承受的交变应力(σ )与材料断裂前承受交变应力 的循环次数(N)之间的关系可用疲劳曲线来表示。金属承受 的交变应力越大, 则断裂时应力循环次数N越少。当应力低 于一定值时, 试样可以经受无限周期循环而不破坏, 此应 力值称为材料的疲劳极限(亦叫疲劳强度)，用σ-1 表示。
练习题一
• 拉力试样的原标距长度为50mm，直径为10mm，经拉力 试验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长 度为71mm，颈缩区的最小直径为4.9mm，试求该材料的 伸长率和断面收缩率的值？ • 解： • δ５=[（71-50）/50]x100%=42% （ ） • S0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2) • S1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2) • Ψ=[(S0-S1)/S0]x100%=24%
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1.4 硬 度
•硬度 hardness ):是指材 硬度( 硬度 是指材 料抵抗其他硬物体压入 其表面的能力 •常用测量硬度的方法 常用测量硬度的方法
布氏硬度HB 布氏硬度 洛氏硬度HR 洛氏硬度 维氏硬度HV 维氏硬度
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如何理解硬度？
180～280 23～36 ～ ～ 405～500 90～111 ～ ～
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σ=
F S0
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（2）刚度 ）
1.弹性：金属材料受外力作用时产生变 弹性： 弹性 形,当外力去掉后能恢复到原来形状及 当外力去掉后能恢复到原来形状及 尺寸的性能。 尺寸的性能。 弹性变形: 随载荷撤除而消失的变形。 弹性变形 随载荷撤除而消失的变形。
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e
σe 3.弹性极限 弹性极限: 弹性极限 Fe σe = S0 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)
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工程材料及热加工 3）、塑性 plasticity ）、 概念：在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力 概念 在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。 在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力 判据：断后伸长率 、断后断面收缩率 判据 断后伸长率 ◆断后伸长率 断后伸长率 概念：试样断后标准的伸长量与标准的百分比 概念 试样断后标准的伸长量与标准的百分比。 试样断后标准的伸长量与标准的百分比
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第一章 金属材料的力学性能
本章重点： 本章重点：金属材料的力学性能 本章难点： 本章难点：各性能指标的物理意义和测定方法 主要内容：金属材料的力学性能,包括材料的强 主要内容：金属材料的力学性能,包括材料的强 硬度、塑性、冲击韧性、 度 、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳 强度等 强度等。
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试样产生0.2%残余塑性变形 残余塑性变形 试样产生
屈服强度σ 是零件设计的主要依据； 屈服点 σs 、屈服强度 0.2是零件设计的主要依据； 也是评定金属强度的重要指标之一。 也是评定金属强度的重要指标之一。
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(2)抗拉强度： 抗拉强度： 抗拉强度 概念：试样拉断前所承受的最大拉应力 试样拉断前所承受的最大拉应力。用符号：σb表示 试样拉断前所承受的最大拉应力
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练习题二
• 某工厂买回一批材料（要求：бs≥230MPa；бb≥410MPa； δ5≥23%；ψ≥50%）．做短试样（ｌ0=5ｄ0；ｄ0=10mm）拉伸试 验，结果如下：Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm; 问买回的材料合格吗？ • 解： 根据试验结果计算如下： • бs＝Fs／s０＝(19x1000)/(3.14x52 )=242 ＞230MPa • бb ＝Fb／ s０＝(34.5x1000)/(3.14x52 )=439.5 ＞410MPa • δ5 ＝ [∆l ／l 0]x100% ＝[(63.1-50)/50]x100%=26.2% ＞23% • ψ ＝ [∆S ／S 0]x100% ＝60.31% ＞50% • 材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格。
δ=
◆断后断面收缩率 断后断面收缩率
其中： 其中：Lk—断后试样长度 断后试样长度 Lk − Lo X100% Lo—试样原始长度 试样原始长度 Lo
概念：断后截面处面积的最大缩减量与原始截面面积百分比 概念 断后截面处面积的最大缩减量与原始截面面积百分比。 断后截面处面积的最大缩减量与原始截面面积百分比 说明：伸长率和收缩率在实际应用中， 表示塑性大小。 说明：伸长率和收缩率在实际应用中，一般是用δ表示塑性大小。 δ、 Ψ越大， 越 材料的塑性越好。通常认为δ 脆性材料。 材料的塑性越好。通常认为δ<5%脆性材料 脆性材料