第一章金属材料的力学性能
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金属材料的力学性能
2、布氏硬度值 用球面压痕单位面积上所承受有平均压力 表达。 如：120HBS 500HBW 600HBS1/30/20 3、优缺陷
（1）测量值较精确，反复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）（2） 可测旳硬度值不高（3）不测试成品与薄件（4）测量费时，效率低
4、测量范围
用于测量调质钢、铸铁、非金属材料及有色金属材料等.
6
第一章 金属旳力学性能
引言：
第二节 硬度
1、定义：指材料局部体积内抵抗弹性、塑性变形、压 痕和划痕旳能力。它是衡量材料软硬程度旳指标，其物 理含义与试验措施有关。
2、硬度旳测试措施 （1）布氏硬度 （2）洛氏硬度 （3）维氏硬度
7
§1-2 硬度
一、布氏硬度
1、布氏硬度试验（布氏硬度计）
原理:用一定直径旳球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应旳试验力 压入待测材料表面，保持要求时间并到达稳定状态后卸除试验力，测量 材料表面压痕直径，以计算硬度旳一种压痕硬度试验措施。
布氏硬度计
返回
16
洛氏硬度计
返回
17
维氏硬度计
返回
18
布洛维氏硬度计
19
8
§1-2 硬度
二、洛氏硬度
1、洛氏硬度试验（洛氏硬度计）
原理: 用金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力旳作用下压入试样表面， 经要求时间后卸除试验力，用测量旳残余压痕深度增量来计算硬度旳一
种压痕硬度试验。
2、洛氏硬度值 出。如：50HRC 3、优缺陷
用测量旳残余压痕深度表达。可从表盘上直接读
（1）试验简朴、以便、迅速（2）压痕小，可测成品、薄件（3）数据 不够精确，应测三点取平均值（4）不能测组织不均匀材料，如铸铁。
4、测量范围
（1）测量值较精确，反复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）（2） 可测旳硬度值不高（3）不测试成品与薄件（4）测量费时，效率低
4、测量范围
用于测量调质钢、铸铁、非金属材料及有色金属材料等.
6
第一章 金属旳力学性能
引言：
第二节 硬度
1、定义：指材料局部体积内抵抗弹性、塑性变形、压 痕和划痕旳能力。它是衡量材料软硬程度旳指标，其物 理含义与试验措施有关。
2、硬度旳测试措施 （1）布氏硬度 （2）洛氏硬度 （3）维氏硬度
7
§1-2 硬度
一、布氏硬度
1、布氏硬度试验（布氏硬度计）
原理:用一定直径旳球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应旳试验力 压入待测材料表面，保持要求时间并到达稳定状态后卸除试验力，测量 材料表面压痕直径，以计算硬度旳一种压痕硬度试验措施。
布氏硬度计
返回
16
洛氏硬度计
返回
17
维氏硬度计
返回
18
布洛维氏硬度计
19
8
§1-2 硬度
二、洛氏硬度
1、洛氏硬度试验（洛氏硬度计）
原理: 用金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力旳作用下压入试样表面， 经要求时间后卸除试验力，用测量旳残余压痕深度增量来计算硬度旳一
种压痕硬度试验。
2、洛氏硬度值 出。如：50HRC 3、优缺陷
用测量旳残余压痕深度表达。可从表盘上直接读
（1）试验简朴、以便、迅速（2）压痕小，可测成品、薄件（3）数据 不够精确，应测三点取平均值（4）不能测组织不均匀材料，如铸铁。
4、测量范围
第一章 金属材料的力学性能
度
A、C标尺为100
B标尺为130
机 械 制
造
基
础
§1.2 硬度
第一章 金属材料的力学性能
二、洛氏硬度
标注——用符号HR表示， A标尺HRA B标尺HRB C标尺HRC
如： 42 HRA
机
械
硬度值 A标尺
制
造
基
础
§1.2 硬度
第一章 金属材料的力学性能
三、维氏硬度 测定原理——基本上和布氏硬度相同，只是所用 压头为金刚石正四棱锥体
冲击韧度高
机
•冲击能量高时， --材料的冲击韧度主要取决于材料的塑性，塑性高则
韧度高
械 制
造
基
础
第一章 金属材料的力学性能
第一章 金属材料的力学性能
§1.1 强度和塑性
§1.2 硬度
§1.3 冲击韧度
§1.4 疲劳强度
本章小结
机
械
制
造
基
础
§1.4 疲劳强度
第一章 金属材料的力学性能
疲劳强度
Sl110000%%Sl10lS0 110100%0%
Sl 二者的值越大塑性越好 00
lS0 0
机 械 制
原始原横始截标面距积
试样拉试断样后断的裂标处距截面积
造 基
础
第一章 金属材料的力学性能
第一章 金属材料的力学性能
§1.1 强度和塑性
§1.2 硬度
§1.3 冲击韧度
§1.4 疲劳强度
本章小结
第一章 金属材料的力学性能
由主金要属内材容料：制成的零、部件，在工作过
程中金都属要材承料受的外力力学性(或能称指载标荷和) 测作试用方而法产，
金属材料的主要性能
定义： HR=k-(h1-h0)/0.002 常用标尺有：B、C、A三种
① HRA 硬、薄试件，如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。 ② HRB 轻金属，未淬火钢，如有色金属和退火、正火钢等 ③ HRC 较硬，淬硬钢制品；如调质钢、淬火钢等。 洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。
②弹性：材料不产生塑性变形的情况下，所能承受的最 大应力。
弹性极限：σe=Fe/So 不产永久变形的最大抗力。
2）屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。即 在拉伸试验过程中，载荷不增加，
试样仍能继续伸长时的应力。
s = Fs/So
s
条件屈服强度0.2：高碳钢等无屈服点， 国家标准规定以残余变形量为0.2%时的 应力值作为它的条件屈服强度，以0.2 来表示。
影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹 杂物、表面状态、残余应力等。
二、塑性 金属材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。
1.延伸率
延伸率与试样尺寸有关：δ5、δ10 (L0=5d,10d)
2.断面收缩率 ψ=△S/So=(So-Sk)/So x 100%
> 时，无颈缩，为脆性材料表征； < 时，有颈缩，为塑性材料表征。
0.2
3)抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大 应力值。（材料抵抗外力而不致断裂的极 限应力值）。
b = Fb/So
（5）灰铸铁拉伸时的力学性能 灰口铸铁是典型的脆性材料,其σ-曲线是一段微弯曲 线,如图a)所示,没有明显的直线部分,没有屈服和颈 缩现象,拉断前的应变很小,延伸率也很小。强度极限 σb是其唯一的强度指标。 铸铁等脆性材料的抗拉强度 很低,所以不宜作为受拉零 件的材料。
无论是塑性材料还是脆性材料,断裂时都不产生明显的 塑性变形,而是突然发生,具有很大的危险性,有相当多 零件的破坏属于疲劳破坏,对此必须引起足够的重视。
① HRA 硬、薄试件，如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。 ② HRB 轻金属，未淬火钢，如有色金属和退火、正火钢等 ③ HRC 较硬，淬硬钢制品；如调质钢、淬火钢等。 洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。
②弹性：材料不产生塑性变形的情况下，所能承受的最 大应力。
弹性极限：σe=Fe/So 不产永久变形的最大抗力。
2）屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。即 在拉伸试验过程中，载荷不增加，
试样仍能继续伸长时的应力。
s = Fs/So
s
条件屈服强度0.2：高碳钢等无屈服点， 国家标准规定以残余变形量为0.2%时的 应力值作为它的条件屈服强度，以0.2 来表示。
影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹 杂物、表面状态、残余应力等。
二、塑性 金属材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。
1.延伸率
延伸率与试样尺寸有关：δ5、δ10 (L0=5d,10d)
2.断面收缩率 ψ=△S/So=(So-Sk)/So x 100%
> 时，无颈缩，为脆性材料表征； < 时，有颈缩，为塑性材料表征。
0.2
3)抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大 应力值。（材料抵抗外力而不致断裂的极 限应力值）。
b = Fb/So
（5）灰铸铁拉伸时的力学性能 灰口铸铁是典型的脆性材料,其σ-曲线是一段微弯曲 线,如图a)所示,没有明显的直线部分,没有屈服和颈 缩现象,拉断前的应变很小,延伸率也很小。强度极限 σb是其唯一的强度指标。 铸铁等脆性材料的抗拉强度 很低,所以不宜作为受拉零 件的材料。
无论是塑性材料还是脆性材料,断裂时都不产生明显的 塑性变形,而是突然发生,具有很大的危险性,有相当多 零件的破坏属于疲劳破坏,对此必须引起足够的重视。
金属材料的力学性能
第一章金属材料的力学性能机械制造中使用的材料品种很多，为了正确使用材料，并把它加工成合格的工件，必须掌握材料的使用性能和工艺性能。
使用性能，是指为保证工件正常工作材料应具备的性能，包括力学性能、物理和化学性能等。
工艺性能，是指材料在加工过程中所表现出来的性能，包括铸造性能、锻压性能、焊接性能和切削加工性等。
所谓力学性能，是指材料在外力作用下所表现出来的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等，是设计机械零件时选材的重要依据。
这些性能指标是通过试验测定的。
第一节刚度、强度、塑性刚度、强度和塑性是根据试验测定出来的。
将材料制成标准试样(图1-1a)，然后把试样装在试验机上施加静拉力，随着拉力的增加试样逐渐变形，直到拉断为止(图1-1b)。
将试样从开始到拉断所受的力F 及所对应的伸长量ΔL绘制在F—ΔL坐标上，得出力一伸长曲线。
低碳钢的力一伸长曲线如图1—2所示。
从图1—2可知，在OE 阶段，试样的伸长量随拉力成比例增加，若去除拉力后试样恢复原状，这种变形称为弹性变形。
超过E 点后，若去除拉力试样不能完全恢复原状，尚有一部分伸长量保留下来，这部分保留下来的变形称为塑性变形。
当拉力增加到F s 时，力一伸长曲线在S 点呈现水平台阶，即表示外力不再增加而试样继续伸长，这种现象称为屈服，该水平台阶称为屈服台阶。
屈服以后，试样又随拉力增加而逐渐均匀伸长。
达到B 点，试样的某一局部开始变细，出现缩颈现象。
由于在缩颈部分试样横截面积迅速减小，因此使试样继续伸长所需的拉力也就相应减小。
当达到K 点时，试样在缩颈处断裂。
低碳钢在拉伸过程中经历了弹性变形、弹一塑性变形和断裂三个阶段。
F —ΔL 曲线与试样尺寸有关。
为了消除试样尺寸的影响，把拉力F 除以试样原始横截面积A0，得出试样横截面积上的应力，同时把伸长量ΔL 除以试样原始标距L 0，得到试样的应变LL ε∆=0F A σ=σ—ε曲线与F —ΔL 曲线形状一样，只是坐标不同。
材料力学性能
断面收缩率（ψ）：
ψ ＝（S0－S1）/S0×100%
式中 L0－试样的原始长度
L1－试样拉断时的标距长度
S0－试样的原始截面积
S1－试样断裂处的横截面积
δ和ψ愈大，则塑性愈好。良好的塑性是金属 材料进行塑性加工的必要条件。
三、硬度
硬度：金属材料表面抵抗局部变形的能力
最常用的硬度指标有：布氏硬度（HB)、洛 氏硬度 (HR系列)和维氏硬度（HV）。
有些机件在工作时要受到高速作用的载荷冲击， 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力，即冲 击韧度。
TITANIC
TITANIC的沉没与船体材料脆性断裂失效有关!!!
冲击韧度：金属材料抵抗冲击载荷作用而不破
坏的能力。常用一次摆锤冲击试验来测定金属
材料的冲击韧度(大能量、一次冲断）。
试验表明，在冲击载荷不太大的值对组织缺陷很敏感，因此冲击试验是生 产上用来检验冶炼、热加工、热处理等工艺质 量的有效方法。
2F
N mm2
D(D D2 d 2 )
式中：F—试验力，N；D—压头 的直径,mm
2.洛氏硬度
试验时，先加初试验 力（预载荷），然后 加主试验力，压入试 样表面之后，去除主 试验力，在保留初试 验力的情况下，根据 试样残余压痕深度增 量来衡量试样的硬度 大小。
洛氏硬度试验原理图
四、冲击韧度（ak）
第一章 金属材料的力学性能
金属材料力学性能指标主要包括：强度、塑性、 硬度、韧性、疲劳强度等。
1章 金属材料的力学性能 寒假(1)
第一章金属材料的力学性能姓名：一、填空题(共10小题，每小题3分，共30分)l.是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，常用的硬度实验法有硬度实验法、硬度实验法和硬度实验法。
2.金属材料在作用下，抵抗和的能力称为强度。
3.金属材料的性能分为和。
4.塑性指标是和，其值越大表示材料的塑性越。
5.变形一般可分为和两种，不能随载荷的去除而消失的变形称为6.200HBS表示硬度,硬度值是，压头是。
7.测定原材料常用试验,测定淬火钢常用试验。
8.金属材料抵抗载荷作用而的能力，称为冲击载荷。
9.布氏硬度值测量压痕，洛氏硬度值测量压痕，维氏硬度值测量压痕。
10.金属材料在循环应力作用下能经受无限多次循环而不断裂的最大应力称为金属材料的。
二、判断题(共10小题，每小题2分，共20分)1.洛氏硬度值无单位。
（）2.做布氏硬度测试时，当试验条件相同时,其压痕直径越小，材料的硬度越低。
（）3.在实际应用中,维氏硬度值是测定压痕对角线长度的算术平方值后再查表得到的。
（）4.各种不同的标尺的洛氏硬度值可进行直接比较,因此应用方便。
（）5.维氏硬度值具有连续性,故可测定很软到很硬的各种金属材料的硬度,其准确性高。
（）6.金属的塑性越好，变压抗力越小，金属的锻造性能越好。
（）7.金属材料的力学性能差异是由其内部组织所决定的。
（）8.金属在强大的冲击作用下，会产生疲劳现象。
（）9.拉伸试验可以测定金属材料的强度、塑性等多项指标。
（）10.布氏硬度测量法宜用于测量成品及较薄零件。
（）三、单项选择题（共10小题，每题2分，共20分）1.金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为（）。
A.塑性B.硬度C.强度D.韧性2.做疲劳试验时.试样承受的载荷为（）。
A.静载荷B.冲击载荷C.循环载荷D.过载荷3.下列属于力学性能指标的是（）。
A.热膨胀性B.化学稳定性C.疲劳强度D.可锻性4.拉伸试验时,试样拉断前能承受的最大标称应力称为材料的（）。
金属的力学性能
(2)抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力。 抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力。 抗拉强度
1）、它表示材料抵抗断裂的能力。 ）、它表示材料抵抗断裂的能力。 ）、它表示材料抵抗断裂的能力 2）、是零件设计的重要依据；也是评定 ）、是零件设计的重要依据； ）、是零件设计的重要依据 金属强度的重要指标之一。 金属强度的重要指标之一。
拉伸试样
第一节 强度和塑性
• 2.拉伸过程 拉伸过程
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
拉伸试验机
3.拉伸曲线 拉伸曲线
F
e p s b k
拉伸的四个阶段
1、oe段: 弹性变形阶段。(op段：比 例 弹性变形阶段；pe段：非比例弹性变 形阶段；) 2、es段：屈服阶段。平台或锯齿。 3、sb段：强化阶段。均匀塑性变形阶段。 *b点：形成了“缩颈”。 ∆l
σe σs σb
F σb = A
b
试样断裂前的最大载荷(N) 试样断裂前的最大载荷 ( M Pa )
0
试样原始横截面积( 试样原始横截面积 mm2)
三、塑性: 塑性
是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。 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: 是指试样拉断处横截面积的收 、断面收缩率 与原始横截面积A 缩量∆ A与原始横截面积 0之比。 与原始横截面积 之比。 A0 - A 1 ψ = ——-—× 100% × A0 2、伸长率 是指试样拉断后的标距伸长量∆ L 、伸长率: 与原始标距L 之比。 与原始标距 0之比。 l 1 - l0 δ = ——-—× 100% × l0
e
σe 3.弹性极限 弹性极限: 弹性极限 Fe σe = A0 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)
第一章 金属材料的力学性能
Fb σb= S0
四、塑性的衡量（塑性指标）：伸长率 δ和断面收缩率 Ψ 塑性的衡量（塑性指标）：伸长率 和断面收缩率 ）：
1）伸长率（ δ ） ）伸长率（ 伸长率是指试样拉断 后标距增长量与原始 标距的百分比，即： 标距的百分比，
lk-l0 δ=
×100%
l0
lk——试样拉断后的标距 试样拉断后的标距,mm; 试样拉断后的标距 l0——试样的原始标距 。 试样的原始标距,mm。 试样的原始标距
第一章 金属材料及热处理基础知识
应用于各种工程领域中的材料，如在机械工业中，建筑及桥 应用于各种工程领域中的材料，如在机械工业中，建筑及桥 于各种工程领域中的材料 等等， 统称为工程材料。 梁中，等等，——统称为工程材料。 统称为工程材料 其中用来制造各种机电产品的材料 用来制造各种机电产品的材料， 称为机械工程材料 其中用来制造各种机电产品的材料，——称为机械工程材料 称为机械工程材料. 主要包括： 主要包括： 1）金属材料：钢，铸铁，铜及铜合金，等等。 铸铁，铜及铜合金，等等。 ）金属材料： 2）非金属材料：塑料，橡胶，工业陶瓷，等等。 ）非金属材料：塑料，橡胶，工业陶瓷，等等。 3）复合材料：由两种或两种以上性质不同的材料复合而成的 ）复合材料： 多相材料。 多相材料。 金属材料是制造机器的最主要材料。 金属材料是制造机器的最主要材料。 是制造机器的最主要材料 1、金属材料按含金属元素数量的多少分为： 、金属材料按含金属元素数量的多少分为： 1）纯金属 一种金属 一种金属). ）纯金属(一种金属 2）合金（以一种金属为基 其他金属或非金属） 其他金属或非金属） ）合金（以一种金属为基+其他金属或非金属
刚度、强度、 第一节 刚度、强度、塑性
刚度、强度、弹性和塑性是根据拉伸试验测定出 塑性是根据拉伸试验 刚度、强度、弹性和塑性是根据拉伸试验测定出 来的。 来的。 一、拉伸试验与拉伸曲线 1、拉伸试样 试验前在试棒上打出标距 试验前在试棒上打出标距 按国标规定标准拉伸试样可分为： 按国标规定标准拉伸试样可分为： 板形试样： １) 板形试样：原材料为板材或带材 圆形试样：长试样L 短试样L ２) 圆形试样：长试样L0＝10d0，短试样L0=5d0 其中： 为试样标距， 其中：L0为试样标距，d0为试样直径
第一章金属材料的力学性能(第二次课)
• 冲击载荷； 冲击韧性；一次冲击弯曲试验
• 一、冲) AKU AKV
• 二、冲击试验的应用
• 主要用途是揭示材料的变脆倾向 • (1)评定材料的低温变脆倾向 • 冷脆现象； 韧脆转变温度范围
图1-12 冲击吸收功-温度曲线示意图
• (2)反映原材料的冶金质量和热加工产品质量
• HRB：压头为钢球(Φ=1.588mm)，硬度值20～100
• HRC：压头为金刚石圆锥，硬度值20～70
•
50HRC的含义
• 3.测试方法
• 4.应用
• 优点是操作简便，压痕小，可测工件表面或 较薄的金属。
• 缺点是压痕较小，精度不够准确；载荷较大， 不宜测定极薄材料或零件经化学热处理后的表面。
• 三、维氏硬度 • 1.维氏硬度试验原理
图1-7 维氏硬度试验原理示意图
• 2.表示方法 • 640HV30/20的含义 • 3.测试方法 • 4.应用 • 优点是载荷小，压入深度浅，可测表面淬硬
层及化学热处理的表面；还可测各种金属材料。 • 缺点是测定过程较麻烦，效率不高。
第三节 冲击韧性
• HBW：压头为硬质合金，硬度值小于650。
•
120HBW 10/1000/30的含义
• 3.测试方法
• 4.应用
优点是压痕面积大，结果精确。
缺点是不适宜测试成品或薄片金属。
• 二、洛氏硬度 • 1.洛氏硬度试验原理
HR=N-h/S
• 2.表示方法
• HRA：压头为金刚石圆锥，硬度值20～88
• 对于材料内部结构、缺陷等具有较大的敏感 性，可用于检验冶金、热处理及各种热加工工艺 和产品的质量（如晶粒粗化、冷脆、回火脆性及 夹渣、气泡、偏析等）。
• 一、冲) AKU AKV
• 二、冲击试验的应用
• 主要用途是揭示材料的变脆倾向 • (1)评定材料的低温变脆倾向 • 冷脆现象； 韧脆转变温度范围
图1-12 冲击吸收功-温度曲线示意图
• (2)反映原材料的冶金质量和热加工产品质量
• HRB：压头为钢球(Φ=1.588mm)，硬度值20～100
• HRC：压头为金刚石圆锥，硬度值20～70
•
50HRC的含义
• 3.测试方法
• 4.应用
• 优点是操作简便，压痕小，可测工件表面或 较薄的金属。
• 缺点是压痕较小，精度不够准确；载荷较大， 不宜测定极薄材料或零件经化学热处理后的表面。
• 三、维氏硬度 • 1.维氏硬度试验原理
图1-7 维氏硬度试验原理示意图
• 2.表示方法 • 640HV30/20的含义 • 3.测试方法 • 4.应用 • 优点是载荷小，压入深度浅，可测表面淬硬
层及化学热处理的表面；还可测各种金属材料。 • 缺点是测定过程较麻烦，效率不高。
第三节 冲击韧性
• HBW：压头为硬质合金，硬度值小于650。
•
120HBW 10/1000/30的含义
• 3.测试方法
• 4.应用
优点是压痕面积大，结果精确。
缺点是不适宜测试成品或薄片金属。
• 二、洛氏硬度 • 1.洛氏硬度试验原理
HR=N-h/S
• 2.表示方法
• HRA：压头为金刚石圆锥，硬度值20～88
• 对于材料内部结构、缺陷等具有较大的敏感 性，可用于检验冶金、热处理及各种热加工工艺 和产品的质量（如晶粒粗化、冷脆、回火脆性及 夹渣、气泡、偏析等）。
金属力学性能.第一章
金属力学性能
根据GB16023<金属力学性能试验术语> 金属力学性能是指：金属材料在力的作用下
所显示与弹性和非弹性反应相关或涉及 应力—应变关系的性能。
也就是金属材料在外力作用下，（或载荷与环 境因素共同作用下）所表现出来的力学行为。 也可简单理解为，金属抵抗外加载荷（外力）引 起变形和断裂的能力或金属材料的失效抗力。
§3 弹 性 不 完 整 性
自由振动衰减曲线
§3 弹 性 不 完 整 性
一些金属材料的循环韧性
§4 塑 性 变 形
一、塑性变形方式及特点 金属材料常见塑性变形方式滑移和孪生。 滑移是金属材料在切应力作用下,沿滑移面和滑 移方向进行的切变过程。 孪生也是滑移变形的过程,只不过和位错滑移不 同的是,它是沿孪晶面整体对称滑移。滑移后的 金属原子以滑移面为对称轴和未滑移的金属原 子一一对称。 发生孪生滑移较位错滑移所需外力更大,滑移更 加困难。因此,只有位错滑移不能进行的条件下 才产生孪生滑移。
§3 弹 性 不 完 整 性
2.循环韧性（消振性）
金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能 力，称为“金属的循环韧性”，也叫“金属的 内耗”。
循环韧性指金属在塑性变形区内加载吸收不可 逆变形功的能力。用塑性滞后环来度量。 金属内耗指金属在弹性区内加载时吸收不可逆 变形功的能力，用弹性滞后环面积来度量。 通常可以混用。
金属内耗功的大小用该滞后环的面积度量。 如果所加载荷为交变载荷则得到的滞后环为交 变滞后环。 如果所加最大应力低于该材料的宏观弹性极限， 则所得到的滞后环为弹性滞后环。 如果所加最大应力高于该材料的宏观弹性极限 则所得到的滞后环为塑性滞后环。
根据GB16023<金属力学性能试验术语> 金属力学性能是指：金属材料在力的作用下
所显示与弹性和非弹性反应相关或涉及 应力—应变关系的性能。
也就是金属材料在外力作用下，（或载荷与环 境因素共同作用下）所表现出来的力学行为。 也可简单理解为，金属抵抗外加载荷（外力）引 起变形和断裂的能力或金属材料的失效抗力。
§3 弹 性 不 完 整 性
自由振动衰减曲线
§3 弹 性 不 完 整 性
一些金属材料的循环韧性
§4 塑 性 变 形
一、塑性变形方式及特点 金属材料常见塑性变形方式滑移和孪生。 滑移是金属材料在切应力作用下,沿滑移面和滑 移方向进行的切变过程。 孪生也是滑移变形的过程,只不过和位错滑移不 同的是,它是沿孪晶面整体对称滑移。滑移后的 金属原子以滑移面为对称轴和未滑移的金属原 子一一对称。 发生孪生滑移较位错滑移所需外力更大,滑移更 加困难。因此,只有位错滑移不能进行的条件下 才产生孪生滑移。
§3 弹 性 不 完 整 性
2.循环韧性（消振性）
金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能 力，称为“金属的循环韧性”，也叫“金属的 内耗”。
循环韧性指金属在塑性变形区内加载吸收不可 逆变形功的能力。用塑性滞后环来度量。 金属内耗指金属在弹性区内加载时吸收不可逆 变形功的能力，用弹性滞后环面积来度量。 通常可以混用。
金属内耗功的大小用该滞后环的面积度量。 如果所加载荷为交变载荷则得到的滞后环为交 变滞后环。 如果所加最大应力低于该材料的宏观弹性极限， 则所得到的滞后环为弹性滞后环。 如果所加最大应力高于该材料的宏观弹性极限 则所得到的滞后环为塑性滞后环。
金属材料的力学性能
• •
ae =1/2×ζ e× ε e 弹簧是典型的弹性零件，要求有较大 的弹性比功。弹簧在实际工作中起缓冲和 存储能量作用。 • 实际设计时通过提高弹性极限ζ e ，提 高弹簧的弹性比功。
• 三、强度 • 强度是金属材料在外力的作用下，抵
抗变形和断裂的能力。根据零件的工作状 态不同分为:抗拉强度、抗压强度、抗弯强 度和抗剪强度等。 • 1、屈服强度和条件屈服强度 • 拉伸试样产生屈服现象（塑变）时的 应力。 ζ s=Fs/A0 • 对于许多没有明显屈服现象的金属材 料，工程中常以产生0.2%塑性变形时的应 力，作为该材料的条件屈服强度，用ζ 表示。
• §1—4 断裂韧度 • 机械零件的传统设计一般为强度设计、
刚度校核。强度设计标准为屈服强度。 • 零件在许用应力的条件下工作，不会发 生塑性变形和断裂。 • 实际工作情况往往不同。某些零件在远 远低于屈服强度条件下工作时会发生脆性 断裂，这种情况非常危险，称为低应力脆 断。 • 研究表明低应力脆断是由宏观裂纹扩展 引起的。
• 一、裂纹扩展的基本形式 • 裂纹扩展一般分为张开型、滑开型、撕
开性三种。其中以张开型最为危险。 • 二、应力场强度因子KI • 零件表面是凹凸不平的，在凸点和凹点 最容易引起应力集中，形成应力场。裂纹 的扩展与应力场有直接的关系。衡量应力 场的大小用应力场强度因子KI。
• 三、断裂韧度KIC及其应用 • KI随着和a的增大而增大。达到一定值
• §1—1 强度、刚度、弹性及塑性 • 金属材料的强度、刚度、弹性及塑性用
拉伸试验来测量。 • 一、拉伸曲线与 应力-应变曲线 • 1、拉伸曲线 • 拉伸过程分为 弹性变形、塑性变形和 断裂三个阶段。
• 几点说明：（书中图1-2） • 试件总伸长of，其中gf为弹性变形，og
金属材料的力学性能
金属材料的力学性能(总6页) -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除复习旧课1、材料的发展历史2、工程材料的分类讲授新课第一章金属材料的力学性能材料的性能有使用性能和工艺性能两类使用性能是保证工件的正常工作应具备的性能，主要包括力学性能、物理性能、化学性能等。
工艺性能是材料在被加工过程中适应各种冷热加工的性能，包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、热处理性能、切削加工性能等。
力学性能是指金属在外力作用下所显示的性能能。
金属力学性能指标有：强度、刚度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。
第一节刚度、强度与塑性一、拉伸试验及力—伸长曲线L 0——原始标距长度；L1——拉断后试样标距长度d 0——原始直径。
d1——拉断后试样断口直径国际上常用的是L0=5 d0（短试样），L0=10 d0（长试样）[拉伸曲线]：拉伸试验中记录的拉伸力F与伸长量ΔL（某一拉伸力时试样的长度与原始长度的差ΔL=Lu-L0）的F—ΔL曲线称为拉伸曲线图。
Oe段：为纯弹性变形阶段，卸去载荷时，试样能恢复原状Es段：屈服阶段Sb段：强化阶段，试样产生均匀的塑性变形，并出现了强化Bk段：局部塑性变形阶段二、刚度刚度:金属材料抵抗弹变的能力指标：弹性模量 E E= σ / ε (Gpa )弹性范围内. 应力与应变的比值（或线形关系，正比）E↑刚度↑一定应力作用下弹性变形↓三、强度指标σ= F/S o强度：强度是指材料抵抗塑性变形和断裂的能力。
强度表示：强度一般用拉伸曲线上所对应某点的应力来表示。
单位采用N/mm2(或MPa 兆帕）σ= F/Aoσ——应力（MPa）；F——拉力（N）；S o——截面积（mm2）。
常用的强度判据主要有屈服点、条件屈服强度（也称为规定残余伸长应力）和抗拉强度等。
1、屈服点与条件屈服强度[屈服强度]σs 产生屈服时的应力（屈服点），亦表示材料发生明显塑性变形时的最低应力值。
1力学性能解析
工程材料及其热处理－1
12
五、塑性 塑性——材料在外力作用下产生塑性变形而不发生断裂的能力。常 用伸长率和断面收缩率表示。 1、伸长率δ 试样拉断后，标距的伸长量与原始标距之比称为伸长率。用δ表示：
k o 100% 100% o o
δ5与δ10关系 δ5＞δ10 2、断面收缩率（Ψ） 是指试样拉断后，断口处横截面积的缩减量与 原始横截面积之比称为断面收缩率。用ψ表示
工程材料及其热处理－1
18
4、布氏硬度试验条件的选择 即试验力F和压头球直径D的选择。这种选择不 是任意的，而是要遵循一定的规则，并且要注意试 验力和压头球直径的合理搭配。 布氏硬度试验最常用的试验条件是采用10mm 直径的球压头，3000kg试验力。但是由于试样材质 不同，硬度不同，试样大小，薄厚也不同，一种试 验力，一种压头自然不能满足要求。在试验力和压 头球直径的选择方面需要遵循以下两个规则：
试验时，试样放在试验机的两支座上，把质量 G的摆锤抬到H的高度，然后释放摆锤将试样冲断， 并向另一个方向升高到h高度。所以摆锤冲断试样 失去的位能为GHg-Ghg，这就是冲击过程所消耗的 功，称为冲击吸收功Ak。冲击吸收功的数值可以从 试验机直接读得。
工程材料及其热处理－1
31
图1-11 冲击试验示意图
26
工程材料及其热处理－1
洛式硬度的表示方法：符号HR前面的数 字表示硬度值，HR后面的字母表示不同洛氏 硬度的标尺。 3、优缺点： 优点：①操作简单迅速，能直接从刻度盘 上读出硬度值；②压痕小，可测成品及较薄 工件；③测硬度范围大。 缺点：压痕小，对于不均匀材料，数值不 够准确。
金属材料的力学性能
(a)试样 (b)伸长 (c)产生缩颈 (d)断裂
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
（一）强度
1. 定义:强度是指金属材料抵抗塑性变形和断 裂的能力，是工程技术上重要的力学性能指 标。由于材料承受载荷的方式不同，其变形 形式也不同，分为抗拉、抗扭、抗压、抗弯、 抗剪等的强度。
最常用的强度是抗拉强度或强度极限σb。
1.变动载荷和循环应力
金属疲劳产生的原因
1.变动载荷
——引起疲劳破坏的外力，指载荷大小、甚至方
向均随时间变化的载荷，其在单位面积上的平均
值即为变动应力。
变动应力可分为规则周期变动应力(也称循环应力) 和无规则随机变动应力两种。
GB/T 228-2002新标准 名称 屈服强度① 符号 －
GB/T 228-1987旧标准 名称 屈服点 符号 σs
上屈服强度
下屈服强度 规定残余延伸 强度 抗拉强度 断后伸长率
ReH
ReL Rr Rm A或A11.3
上屈服点
下屈服点
σsU
σsL
规定残余延伸 σr 应力 抗拉强度 断后伸长率 σb δ5或δ10
第一章 金属材料的力学性能
概 述
使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、
物理性能和化学性能。
工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻 压、焊接、热处理和切削性能等。
金属材料的力学性能是指在承受各种外加载荷（拉伸、压缩、 弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时，对变形与断裂的抵抗
冲击试样
原理
冲击韧性可以通过一次摆锤冲击试验来测定，试验 时将带有U型或V型缺口的冲击试样放在试验机架 的支座上，将摆锤升至高度H1，使其具有势能 mgH1；然后使摆锤由此高度自由下落将试样冲断， 并向另一方向升高至H2，这时摆锤的势能为mgH2。 所以，摆锤用于冲断试样的能量
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量塑性变形的抗力。
第一章金属材料的力学性能
（一）弹性极限和刚度 2、材料刚度E（P4）
材料刚度（弹性模量） E=σ/ε=tgα
物理意义——材料产生单位弹性的相对 变形所需的应力。它是表征材料抵抗弹 性变形能力的力学性能指标。
第一章金属材料的力学性能
（二）材料强度
1、屈服点σs （P4）
材料强度——是指在外力作用下，材料 抵抗变形和断裂的能力。
第一章 金属材料的力学性能（P3）
第一节：静载荷条件下材料的力学性能 第二节：非静载荷时材料的力学性能 第三节：金属材料的断裂韧度 第四节：高温下材料的力学性能
第一章金属材料的力学性能
金属材料的性能(P3)
1）使用性能：在使用过程中表现出的性能—— 力学性能、物理性能、化学性能等。 力学性能（又称机械性能）——是指材料抵抗 外力（载荷）作用的能力。设计零件时是由力 学性能作为主要设计依据的。
第一章金属材料的力学性能
（三）材料的塑性 2、断面收缩率ψ（P5）
断面收缩率ψ：是指试样拉断后断口处横截面 积的相对收缩值。定义为：
A 0A 110 % 0A10 % 0
A 0
A 0
断面收缩率与试样尺寸无关；
金属材料只有具备足够的塑性才能承受各种变 形加工。
第一章金属材料的力学性能
二、硬度（P6）
2、硬度值的定义与布氏硬度相 同，即压痕表面上单位面积 所承受的压力。所不同的是 压痕形状为正四棱锥形。
初载荷 （kg）（kg）
60
100
测试范 围
70~85
25~100
应用举例
硬质合金、表面 淬硬层、渗碳层 有色金属、退火 钢、正火钢
150 20~67 淬火钢、调质钢
☆总载荷=初载荷+主载荷
第一章金属材料的力学性能
（三）维氏硬度（HV）（P7）
1、维氏硬度是一种以正四棱锥 金刚石为压头的硬度测量方 法。
第一章金属材料的力学性能
（一）布氏硬度（HB）（P6）
设备：布氏硬度计
方法：用规定直径的淬火刚球或硬质合金球以 一定的试验力压入所测材料的表面，保持规定 时间后，卸除试验力，测量表面压痕直径，然 后根据布氏硬度的定义公式计算出布氏硬度值。
其物理意义是压痕表面上单位面积所承受的压 力。
第一章金属材料的力学性能
第一章金属材料的力学性能
洛氏硬度测量原理（P7）
图1—4第一洛章金氏属硬材度料原的力理学图性能
HR k eh 0.002
h为压痕深度 金刚石压头
k=0.2 刚球压头
k=0.26 P0为初载荷 P1为主载荷 P= P0 + P1
三种洛氏硬度试验条件
标值 HRA HRB HRC
压头类型
1200金刚石 圆锥 φ1.588mm 淬火钢球 1200金刚石 圆锥
2）工艺性能：在各种加工过程中表现出来的性 能。如：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切 削性能等。
第一章金属材料的力学性能
第一节 静载荷条件下 材料的力学性能（P3）
静载荷——是指对材料缓慢地施加载荷， 使材料的相对变形速度较小时的载荷 （一般是小于0.01mm/s）。
动载荷——（1）是指加载速度比较快， 使材料的塑性变形速度也较快的冲击载 荷。（2）作用力大小与方向作周期性变 化的交变载荷。
第一章金属材料的力学性能
一、静拉伸试验及材料的 强度与塑性（P3）
标准拉伸试样（GB228—87）
L0——试样原始标距长度（mm） d0——试样的原始直径（mm）
长试样L0=第10一d章0金属材料的力短学性试能 样 L0=5d0
静拉伸试验机原理
第一章金属材料的力学性能
一、静拉伸试验及材料的 强度与塑性（P3）
硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能指标。是材料 抵抗局部塑性变形的能力，或者说抵抗其它硬物压入的 能力。
硬 度 计 种 类 ： 布 氏 硬 度 （ HB）、 洛 氏 硬 度 （ HR）、 维氏硬度（HV）
重要零件或零件的重要部位大多规定材料的硬度值。因 为：（1）硬度测量简便迅速，不需做试样，也不需破 坏试件；（2）多数金属材料的抗拉强度可以根据其硬 度值进行估算。所以硬度是一个很重要的力学性能指标。
ε=ΔL/ L0 ΔL=Lk －L0 σ=F/A0
图1—2 低碳钢拉伸曲线
第一章金属材料的力学性能
低碳钢应力——应变曲线
第一章金属材料的力学性能
（一）弹性极限和刚度 1、弹性极限（P4）
弹性变形——是指当外力解除后变形能 够全部消除恢复原状的变形。
弹性极限
σe=Fe/A0
物理意义——材料保持完全弹性变形所 承受的最大应力。表征材料对（极）微
第一章金属材料的力学性能
（三）材料的塑性
1、伸长率δ（P5）
材料塑性：是指材料在外力作用下产生塑性变 形而不发生断裂的能力。
伸长率δ：是指试样拉断后其标距长度的相对 伸长值。定义为：
lkl010 % 0 l10 % 0
l0
l0
短试样的伸长率记为δ5（L0=5d0） 长试样的伸长率记为δ10或δ（L0=10d0） 对于同一种塑性材料δ5>δ10
布氏硬度测量原理及计算（P6）
压头
HB F A
ADD D2d2 2
工件
图1—3 布氏硬度原理图
第一章金属材料的力学性能
布氏硬度的表示方法（P7）
标准写法：布氏硬度值 ，布氏硬度符号，测 试条件（压头直径mm/试验力kgf/试验力作用 时间s）。如：200HBS2.5/187.5/30
简单写法：200HBS 淬火刚球作压头HBS——最大有效测量值为
450HBS 硬质合金压头HBW——最大有效测量值为
650HBW
第一章金属材料的力学性能
（二）洛氏硬度（HR）（P7）
洛氏硬度是以压头压入金属材料的压痕深度来 表征材料的硬度。
压头：1）锥角为120°的圆锥金刚石； 2）Ф1.588mm的淬火刚球
压痕的深度直接可用百分表测出来，还需另外 的测量和计算，十分方便，效率高，是实际生 产中使用最普遍的一种硬度测量方法。
屈服点（屈服强度）： σs=Fs/A0
物理意义——是指材料在外力作用下开 始产生明显塑性变形的最小应力。表征 材料抵抗微量塑性变形的能力。
第一章金属材料的力学性能
（二）材料强度
2、抗拉强度（P4）
抗拉强度
σb=Fb/A0
物理意义——材料断裂前所承受的最大 应力。
屈强比
σs/σb
材料的屈强比愈小，构件的可靠性愈高。
第一章金属材料的力学性能
（一）弹性极限和刚度 2、材料刚度E（P4）
材料刚度（弹性模量） E=σ/ε=tgα
物理意义——材料产生单位弹性的相对 变形所需的应力。它是表征材料抵抗弹 性变形能力的力学性能指标。
第一章金属材料的力学性能
（二）材料强度
1、屈服点σs （P4）
材料强度——是指在外力作用下，材料 抵抗变形和断裂的能力。
第一章 金属材料的力学性能（P3）
第一节：静载荷条件下材料的力学性能 第二节：非静载荷时材料的力学性能 第三节：金属材料的断裂韧度 第四节：高温下材料的力学性能
第一章金属材料的力学性能
金属材料的性能(P3)
1）使用性能：在使用过程中表现出的性能—— 力学性能、物理性能、化学性能等。 力学性能（又称机械性能）——是指材料抵抗 外力（载荷）作用的能力。设计零件时是由力 学性能作为主要设计依据的。
第一章金属材料的力学性能
（三）材料的塑性 2、断面收缩率ψ（P5）
断面收缩率ψ：是指试样拉断后断口处横截面 积的相对收缩值。定义为：
A 0A 110 % 0A10 % 0
A 0
A 0
断面收缩率与试样尺寸无关；
金属材料只有具备足够的塑性才能承受各种变 形加工。
第一章金属材料的力学性能
二、硬度（P6）
2、硬度值的定义与布氏硬度相 同，即压痕表面上单位面积 所承受的压力。所不同的是 压痕形状为正四棱锥形。
初载荷 （kg）（kg）
60
100
测试范 围
70~85
25~100
应用举例
硬质合金、表面 淬硬层、渗碳层 有色金属、退火 钢、正火钢
150 20~67 淬火钢、调质钢
☆总载荷=初载荷+主载荷
第一章金属材料的力学性能
（三）维氏硬度（HV）（P7）
1、维氏硬度是一种以正四棱锥 金刚石为压头的硬度测量方 法。
第一章金属材料的力学性能
（一）布氏硬度（HB）（P6）
设备：布氏硬度计
方法：用规定直径的淬火刚球或硬质合金球以 一定的试验力压入所测材料的表面，保持规定 时间后，卸除试验力，测量表面压痕直径，然 后根据布氏硬度的定义公式计算出布氏硬度值。
其物理意义是压痕表面上单位面积所承受的压 力。
第一章金属材料的力学性能
第一章金属材料的力学性能
洛氏硬度测量原理（P7）
图1—4第一洛章金氏属硬材度料原的力理学图性能
HR k eh 0.002
h为压痕深度 金刚石压头
k=0.2 刚球压头
k=0.26 P0为初载荷 P1为主载荷 P= P0 + P1
三种洛氏硬度试验条件
标值 HRA HRB HRC
压头类型
1200金刚石 圆锥 φ1.588mm 淬火钢球 1200金刚石 圆锥
2）工艺性能：在各种加工过程中表现出来的性 能。如：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切 削性能等。
第一章金属材料的力学性能
第一节 静载荷条件下 材料的力学性能（P3）
静载荷——是指对材料缓慢地施加载荷， 使材料的相对变形速度较小时的载荷 （一般是小于0.01mm/s）。
动载荷——（1）是指加载速度比较快， 使材料的塑性变形速度也较快的冲击载 荷。（2）作用力大小与方向作周期性变 化的交变载荷。
第一章金属材料的力学性能
一、静拉伸试验及材料的 强度与塑性（P3）
标准拉伸试样（GB228—87）
L0——试样原始标距长度（mm） d0——试样的原始直径（mm）
长试样L0=第10一d章0金属材料的力短学性试能 样 L0=5d0
静拉伸试验机原理
第一章金属材料的力学性能
一、静拉伸试验及材料的 强度与塑性（P3）
硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能指标。是材料 抵抗局部塑性变形的能力，或者说抵抗其它硬物压入的 能力。
硬 度 计 种 类 ： 布 氏 硬 度 （ HB）、 洛 氏 硬 度 （ HR）、 维氏硬度（HV）
重要零件或零件的重要部位大多规定材料的硬度值。因 为：（1）硬度测量简便迅速，不需做试样，也不需破 坏试件；（2）多数金属材料的抗拉强度可以根据其硬 度值进行估算。所以硬度是一个很重要的力学性能指标。
ε=ΔL/ L0 ΔL=Lk －L0 σ=F/A0
图1—2 低碳钢拉伸曲线
第一章金属材料的力学性能
低碳钢应力——应变曲线
第一章金属材料的力学性能
（一）弹性极限和刚度 1、弹性极限（P4）
弹性变形——是指当外力解除后变形能 够全部消除恢复原状的变形。
弹性极限
σe=Fe/A0
物理意义——材料保持完全弹性变形所 承受的最大应力。表征材料对（极）微
第一章金属材料的力学性能
（三）材料的塑性
1、伸长率δ（P5）
材料塑性：是指材料在外力作用下产生塑性变 形而不发生断裂的能力。
伸长率δ：是指试样拉断后其标距长度的相对 伸长值。定义为：
lkl010 % 0 l10 % 0
l0
l0
短试样的伸长率记为δ5（L0=5d0） 长试样的伸长率记为δ10或δ（L0=10d0） 对于同一种塑性材料δ5>δ10
布氏硬度测量原理及计算（P6）
压头
HB F A
ADD D2d2 2
工件
图1—3 布氏硬度原理图
第一章金属材料的力学性能
布氏硬度的表示方法（P7）
标准写法：布氏硬度值 ，布氏硬度符号，测 试条件（压头直径mm/试验力kgf/试验力作用 时间s）。如：200HBS2.5/187.5/30
简单写法：200HBS 淬火刚球作压头HBS——最大有效测量值为
450HBS 硬质合金压头HBW——最大有效测量值为
650HBW
第一章金属材料的力学性能
（二）洛氏硬度（HR）（P7）
洛氏硬度是以压头压入金属材料的压痕深度来 表征材料的硬度。
压头：1）锥角为120°的圆锥金刚石； 2）Ф1.588mm的淬火刚球
压痕的深度直接可用百分表测出来，还需另外 的测量和计算，十分方便，效率高，是实际生 产中使用最普遍的一种硬度测量方法。
屈服点（屈服强度）： σs=Fs/A0
物理意义——是指材料在外力作用下开 始产生明显塑性变形的最小应力。表征 材料抵抗微量塑性变形的能力。
第一章金属材料的力学性能
（二）材料强度
2、抗拉强度（P4）
抗拉强度
σb=Fb/A0
物理意义——材料断裂前所承受的最大 应力。
屈强比
σs/σb
材料的屈强比愈小，构件的可靠性愈高。