2第2章金属材料的力学性能1
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工业纯铜的密度为8.96 ×103kg/m3，熔点较高（1084℃），导
电性、导热性极佳，强度低，塑性很好，容易冷、热成形； 随着纯度的降低，其强度升高，塑性下降。
工业纯钛的密度为4.5×103kg/m3，熔点高（1668℃）；随着杂
质含量增加，钛的强度增加，塑性降低。 工业纯铁的力学性能因其纯度和晶粒的大小的不同而有很大 差别，随着杂质含量增加，其强度增加，塑性降低。其室温
HR=h/0.002
HR=C-h/0.002
• 符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。
HRA用于测量高硬度材料, 如 硬质合金、表淬层和渗碳层。
钢球压头与 金刚石压头
HRB用于测量低硬度材料, 如 有色金属和退火、正火钢等。
HRC用于测量中等硬度材料， 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。
2P
HB 0.102
2P
D(D D2 d 2 )
D(D D2 d 2 )
• 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。
• 压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布 氏硬度在650以下的材料。
布
符号HBS或HBW之前的数字表示 氏
• 维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。
显微维氏硬度计
度小 计负
荷 维 氏 硬
2.3 动态力学性能
• 2.3.1 冲击韧度 • 评定材料抵抗大
能量冲击载荷能 力的指标称为冲
击韧度aK
• 是指材料抵抗冲 击载荷作用而不 破坏的能力
K
G(H h) F
TITANIC
建造中的Titanic 号
抗拉强度b：
l1 l0 100%
l0
F0 F1 100%
F0
0 0.2%L0
l1 l0 100% l0
ΔL
2.2.2 金属材料的硬度试验
• 材料抵抗表面局部塑性变形的能力。 1、布氏硬度HB（1900年）
布 氏 硬 度 计
HB P / S
硬
硬度值, 符号后面的数字按顺序分 度
压
别表示球体直径、载荷及载荷保 痕 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：测量误差小，数据稳定。 • 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头
长试样：L0=10d0 短试样：L0=5d0
液压式万能电子材料试验机
2、拉伸曲线 弹性变形 滞弹性变形
屈服前微塑 性变形 屈服变形均 匀变形
均匀塑性变形
局部塑性变形
3、强度 F
（1）比例极限σP
F0.2
（2）弹性极限σA
（3）屈服强度
上屈服强度ReH
0.2%L0
ΔL
下屈服强度ReL
规定残余屈服强度Rr
Rr0.2
（4）抗拉强度Rm
4、塑性
断裂前材料发生不可逆永久变形的能力称为塑性
L k S 断后伸长率： A Lu L0 100%
L0
0
0
A11.3
A5.65
断面收缩率： Z S0 Su 100%
现拉
S0
象伸
试
样
的
颈
缩
强度与塑性旧标准
• 弹性极限e ：
屈服强度s：
F
条件屈服强度0.2： F0.2
应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的 指标。
K I Y a
断裂韧度：材料抵抗内部 裂纹失稳扩展的能力。
K IC Y C aC
C为断裂应力，aC为临界
裂纹半长，单位为 MN / m3 2
2.5 高低温性能
• 2.5.1 高温性能 • 材料在长时间的恒温、
恒应力作用下，即使 应力小于屈服强度， 也会缓慢地发生塑性 变形，这种现象称为 蠕变。
TITANIC的沉没 与船体材料的质量 直接有关
Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图） 的冲击试验结果
Titanic
近代船用钢板
2.3.2 疲劳断裂
• 材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。 • 材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力
称为疲劳极限。用-1表示。 • 钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。
第2章
金属材料的 力学性能
• 2.1 概述
• 使用性能：材料在使用过程
神
中所表现的性能。包括力学
舟
一
性能、物理性能和化学性能。
号
飞
• 工艺性能：材料在加工过程
船
中所表现的性能。包括铸造、
锻压、焊接、热处理和切削
性能等。
• 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称
为变形。
作用在机件上的外力——载荷
力学性能指标大致如下：抗拉强度Rm 为176-274MPa ，断面 收缩率Z为70%-80% ，屈服强度Rr0.2 为98-166MPa ，断后伸 长率A为30%-50% ，硬度为50-80HBS 。
思考题 1. 名词解释：强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳极限、脆 性转变温度、力学性能。
2. 说出下列力学性能指标的名称，含义及单位：Z、A、Rm、 Rr0.2、ReH、、ReL、σ-1、ak、KⅠ、HBS、HBW。
疲劳断口
轴的疲劳断口
疲劳辉纹（扫描电镜照片）
通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面 光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。
2.4 断裂韧度
油轮断裂和北极星导 弹发动机壳体爆炸与 材料中存在缺陷有关
1943年美国T-2油轮发生断裂
裂纹扩展的基本形式
北 极 星 导 弹
c (ac )1/ 2
还硬的材料。 • 适于测量退火、正火、调质钢, 铸铁及有色金属的硬
度。 • 材料的b与HB之间的经验关系：
对于低碳钢: b(MPa)≈3.6HB 对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB 对于铸铁： b(MPa)≈1HB或 b(MPa)≈ 0.6(HB-40)
2、洛氏硬度（1919年）
加初载荷 加主载荷 卸除主载荷 读硬度值
• 2.5.2 低温性能
吸
收
能
量 /J
A
80
B
60
40
20
0 -60 -40 -20 0 20 40 T/℃
图2.10 两种钢材的冲击转变曲线
2.6 纯金属的性能特点
工业纯铝的密度为2.7×103 kg/m3、熔点低(660℃)、强度低、
塑性高。导电、导热性好，有极强的抗大气腐蚀能力，可以 进行各种冷、热加工，焊接性能亦良好。
• 洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002
• 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、D。
0
1 3 h1 2
h3
h
0 1-1 初载10kg h1 1
2-2 总载150kg h2
3 2 3-3 卸载140kg h3
h2
最后测得：
残余压痕深度增量 h
h=h3-h1
静载荷 动载荷
F
F F’
F
F = F’
F ' F （MPa）
SS
外力 ——内力——应力
• 外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。 • 外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。
2.2 静态力学性能
载荷的形式
• 2.2.1 金属材料的拉伸试验
1、拉伸试样
拉伸试样（GB6397-2002）
缺点：测量结果分散度大。
洛氏硬度压痕
硬度 代号 HRA
HRB
HRC
HRD
压头类型 总试验力 洛氏硬度
F /N
范围
1200金刚石 588.4 圆锥体
20～88
Ø1.588mm 钢球
980.7
20～100
1200金刚石 1471 圆锥体
20～70
1200金刚石 980.7 圆锥体
40～77
应用范围 碳化物、硬质合金等 非铁金属，退火、正火钢等
淬火钢、调质钢等 薄钢板、中等厚度表面硬化零件
3、维氏硬度（1925年）
维氏硬度试验原百度文库 维氏硬度压痕
维氏硬度计
• 维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值， 后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。
• 580HV30表示用30kgf (294.2N)试验力保持10~15S测定 的维氏硬度值为580
电性、导热性极佳，强度低，塑性很好，容易冷、热成形； 随着纯度的降低，其强度升高，塑性下降。
工业纯钛的密度为4.5×103kg/m3，熔点高（1668℃）；随着杂
质含量增加，钛的强度增加，塑性降低。 工业纯铁的力学性能因其纯度和晶粒的大小的不同而有很大 差别，随着杂质含量增加，其强度增加，塑性降低。其室温
HR=h/0.002
HR=C-h/0.002
• 符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。
HRA用于测量高硬度材料, 如 硬质合金、表淬层和渗碳层。
钢球压头与 金刚石压头
HRB用于测量低硬度材料, 如 有色金属和退火、正火钢等。
HRC用于测量中等硬度材料， 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。
2P
HB 0.102
2P
D(D D2 d 2 )
D(D D2 d 2 )
• 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。
• 压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布 氏硬度在650以下的材料。
布
符号HBS或HBW之前的数字表示 氏
• 维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。
显微维氏硬度计
度小 计负
荷 维 氏 硬
2.3 动态力学性能
• 2.3.1 冲击韧度 • 评定材料抵抗大
能量冲击载荷能 力的指标称为冲
击韧度aK
• 是指材料抵抗冲 击载荷作用而不 破坏的能力
K
G(H h) F
TITANIC
建造中的Titanic 号
抗拉强度b：
l1 l0 100%
l0
F0 F1 100%
F0
0 0.2%L0
l1 l0 100% l0
ΔL
2.2.2 金属材料的硬度试验
• 材料抵抗表面局部塑性变形的能力。 1、布氏硬度HB（1900年）
布 氏 硬 度 计
HB P / S
硬
硬度值, 符号后面的数字按顺序分 度
压
别表示球体直径、载荷及载荷保 痕 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：测量误差小，数据稳定。 • 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头
长试样：L0=10d0 短试样：L0=5d0
液压式万能电子材料试验机
2、拉伸曲线 弹性变形 滞弹性变形
屈服前微塑 性变形 屈服变形均 匀变形
均匀塑性变形
局部塑性变形
3、强度 F
（1）比例极限σP
F0.2
（2）弹性极限σA
（3）屈服强度
上屈服强度ReH
0.2%L0
ΔL
下屈服强度ReL
规定残余屈服强度Rr
Rr0.2
（4）抗拉强度Rm
4、塑性
断裂前材料发生不可逆永久变形的能力称为塑性
L k S 断后伸长率： A Lu L0 100%
L0
0
0
A11.3
A5.65
断面收缩率： Z S0 Su 100%
现拉
S0
象伸
试
样
的
颈
缩
强度与塑性旧标准
• 弹性极限e ：
屈服强度s：
F
条件屈服强度0.2： F0.2
应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的 指标。
K I Y a
断裂韧度：材料抵抗内部 裂纹失稳扩展的能力。
K IC Y C aC
C为断裂应力，aC为临界
裂纹半长，单位为 MN / m3 2
2.5 高低温性能
• 2.5.1 高温性能 • 材料在长时间的恒温、
恒应力作用下，即使 应力小于屈服强度， 也会缓慢地发生塑性 变形，这种现象称为 蠕变。
TITANIC的沉没 与船体材料的质量 直接有关
Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图） 的冲击试验结果
Titanic
近代船用钢板
2.3.2 疲劳断裂
• 材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。 • 材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力
称为疲劳极限。用-1表示。 • 钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。
第2章
金属材料的 力学性能
• 2.1 概述
• 使用性能：材料在使用过程
神
中所表现的性能。包括力学
舟
一
性能、物理性能和化学性能。
号
飞
• 工艺性能：材料在加工过程
船
中所表现的性能。包括铸造、
锻压、焊接、热处理和切削
性能等。
• 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称
为变形。
作用在机件上的外力——载荷
力学性能指标大致如下：抗拉强度Rm 为176-274MPa ，断面 收缩率Z为70%-80% ，屈服强度Rr0.2 为98-166MPa ，断后伸 长率A为30%-50% ，硬度为50-80HBS 。
思考题 1. 名词解释：强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳极限、脆 性转变温度、力学性能。
2. 说出下列力学性能指标的名称，含义及单位：Z、A、Rm、 Rr0.2、ReH、、ReL、σ-1、ak、KⅠ、HBS、HBW。
疲劳断口
轴的疲劳断口
疲劳辉纹（扫描电镜照片）
通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面 光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。
2.4 断裂韧度
油轮断裂和北极星导 弹发动机壳体爆炸与 材料中存在缺陷有关
1943年美国T-2油轮发生断裂
裂纹扩展的基本形式
北 极 星 导 弹
c (ac )1/ 2
还硬的材料。 • 适于测量退火、正火、调质钢, 铸铁及有色金属的硬
度。 • 材料的b与HB之间的经验关系：
对于低碳钢: b(MPa)≈3.6HB 对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB 对于铸铁： b(MPa)≈1HB或 b(MPa)≈ 0.6(HB-40)
2、洛氏硬度（1919年）
加初载荷 加主载荷 卸除主载荷 读硬度值
• 2.5.2 低温性能
吸
收
能
量 /J
A
80
B
60
40
20
0 -60 -40 -20 0 20 40 T/℃
图2.10 两种钢材的冲击转变曲线
2.6 纯金属的性能特点
工业纯铝的密度为2.7×103 kg/m3、熔点低(660℃)、强度低、
塑性高。导电、导热性好，有极强的抗大气腐蚀能力，可以 进行各种冷、热加工，焊接性能亦良好。
• 洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002
• 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、D。
0
1 3 h1 2
h3
h
0 1-1 初载10kg h1 1
2-2 总载150kg h2
3 2 3-3 卸载140kg h3
h2
最后测得：
残余压痕深度增量 h
h=h3-h1
静载荷 动载荷
F
F F’
F
F = F’
F ' F （MPa）
SS
外力 ——内力——应力
• 外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。 • 外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。
2.2 静态力学性能
载荷的形式
• 2.2.1 金属材料的拉伸试验
1、拉伸试样
拉伸试样（GB6397-2002）
缺点：测量结果分散度大。
洛氏硬度压痕
硬度 代号 HRA
HRB
HRC
HRD
压头类型 总试验力 洛氏硬度
F /N
范围
1200金刚石 588.4 圆锥体
20～88
Ø1.588mm 钢球
980.7
20～100
1200金刚石 1471 圆锥体
20～70
1200金刚石 980.7 圆锥体
40～77
应用范围 碳化物、硬质合金等 非铁金属，退火、正火钢等
淬火钢、调质钢等 薄钢板、中等厚度表面硬化零件
3、维氏硬度（1925年）
维氏硬度试验原百度文库 维氏硬度压痕
维氏硬度计
• 维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值， 后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。
• 580HV30表示用30kgf (294.2N)试验力保持10~15S测定 的维氏硬度值为580