冲压金属材料的性能

第

一章 材料的性能

教学重点：

材料的力学性能指标及其物理意义；

重点：材料的力学性能指标及其物理意义

一、弹性与刚度

评价材料力学性能最简单和最有效的办法就是测定材料的拉伸曲线。将标准试样(见图1-1)施加一单轴拉伸载荷，使之发生变形直至断裂，便可得到试样伸长率 (试样原始标距的伸长与原始标距之比的百分率）随应力(试验期间任一时刻的力除以试样原始横截面积之商）变化的关系曲线，称为应力-应变曲线,图1-2为低碳钢的应力-应变曲线。

图1-1 圆形标准拉伸试样 图1-2 低碳钢的应力-应变曲线

在应力-应变曲线中，OA 段为弹性变形阶段，此时卸掉载荷，试样恢复到原来尺寸。A 点所对应的应力为材料承受最大弹性变形时的应力，称为弹性极限。其中OA’部分为一斜直线，应力与应变呈比例关系，A’点所对应的应力为保持这种比例关系的最大应力，称为比例极限。由于大多数材料的A 点和A’点几乎重合在一起，一般不作区分。

在弹性变形范围内，应力与伸长率的比值称为弹性模量E 。E 实际上是OA 线段的斜率：αtg E =(MPa)，其物理意义是产生单位弹性变形时所需应力的大小。弹性模量是材料最稳定的性质之一，它的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚度，其指标即为弹性模量。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。

二、强度与塑性 1、强度

材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力称为强度。根据加载方式不同，强度指标有许多种，如抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。其中以拉伸试验测得的屈服强度和抗拉强度两个指标应用最多。

⑴ 屈服强度

在图1-2中, 应力超过B 点后, 材料将发生塑性变形。在BC 段，塑性变形发生而力不增加，这种现象称为屈服。B 点所对应的应力称为屈服强度（σ S ）。屈服强度反映材料抵抗永久变形的能力，是最重要的零件设计指标之一。实际上多数材料的屈服强度不是很明显的，

因此规定拉伸时产生0.2% 残余延伸率所对应的应力为规定残余延伸强度，记为R r0.2(σ 0.2)，如图1-3所示。(注：括弧内为旧标准符号，下同）

⑵ 抗拉强度R m （σb ） 图1-3 条件屈服强度的确定

图1-2中的CD 段为均匀塑性变形阶段。在这一阶段，应力随应变增加而增加，产生应变强化。变形超过D 点后，试样开始发生局部塑性变形，即出现颈缩，随应变增加，应力明显下降，并迅速在E 点断裂。D 点所对应的应力为材料断裂前所承受的最大应力，称为抗拉强度R m 。抗拉强度反映材料抵抗断裂破坏的能力，也是零件设计和评价材料的重要指标。

2、塑性

塑性是指材料受力破坏前承受最大塑性变形的能力，指标为断后伸长率和断面收缩率。

试样被拉断后，标距部分的残余伸长与原始标距之比的百分率称为断后伸长率A (δ)。

%10000⨯-=

L L L A u (%l l

l 1000

01⨯-=δ)。式中，)(00l L 为原始标距，)(1l L u 为断后标距。

试样断裂后，断口处横截面积的减少值与原始横截面积的比值称为断面收缩率Z (ψ)。

%10000⨯-=

S S S Z u (%F F F 10001

0⨯-=ψ)。式中，)(00F S 为原始横截面积，)(1F S u 为断后最小横截面积。

显然，A 与Z 值越大，材料的塑性越好。两者相比，用Z 表示塑性比A 更接近于真实应变。当A ＞Z

时，试样无颈缩，是脆性材料的表征，反之，A ＜Z 时，试样有颈缩，是塑性材料的表征。试样d (0d )不变时，

随0L 增加，A 下降，只有当d L /0为常数时，不同材料的伸长率才有可比性。当00

3.11S L =时，断后伸长率

用3.11A (δ10) 表示，当

0065.5S L =时，断后伸长率用A (5δ)表示，很明显，A ＞3.11A 。

从拉伸曲线我们还可以得到材料韧性的信息，所谓材料的韧性是指材料从变形到断裂整个过程所吸收的能量，具体地说就是拉伸曲线与横坐标所包围的面积。

三、硬度

硬度是指材料抵抗局部塑性变形的能力，现在多用压入法测定。根据测量方法不同，常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。用各种方法所测得的硬度值不能直接比较，可通过硬度对照表换算。

1、布氏硬度

布氏硬度的试验原理如图1-4所示。将直径为D 的钢球或硬质合金球，在一定载荷P 的作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，所施加的载荷与压痕表面积的比值即为布氏硬度。布氏硬度值可通过测量压痕平均直径d 查表得到。

当压头为钢球时,布氏硬度用符号HBS 表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金时用符号HBW 表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。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。

布氏硬度的优点是测量误差小、数据稳定；缺点是压痕大，不能用于太薄件或成品件。最常用的钢球压头适于测定退火钢、正火钢、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。

材料的R m （σb ）与HB 之间的经验关系为： 对于低碳钢：R m （MPa ）≈3.6HB 对于高碳钢：R m （MPa ）≈3.4HB 对于灰铸铁：R m （MPa ）≈1HB 或 R m （MPa ）≈0.6（HB-40） 图1-4 布氏硬度的试验原理 2、洛氏硬度

洛氏硬度的试验原理如图1-5所示。在初载荷和总载荷（初载荷与主载荷之和）的先后作用下，将压头（金刚石圆锥体或钢球）压入试样表面，保持一定时间后卸除主载荷，用测量的残余压痕深度增量)(01h h -计算硬度值（0h 为初载荷压入的深度，1h 为卸除主载荷后残余压痕的深度）。洛氏硬度用符号HR 表示，根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A 、B 、C ，如表1-1所示。符号HR 前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺，如50HRC 表示用C 标尺测定的洛氏硬度值为50。

图1-5 洛氏硬度的试验原理

表1-1 常用洛氏硬度的符号、试验条件及应用 硬度标尺

硬度 符号 压头类

型

初载

荷

P 0/N 主载

荷

P 1/N K

表盘刻度颜色

硬度范

围

应用举例