工程材料课程讲稿

授课题目（教学章、节或主题）：第一章金属材料的性能

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课时

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2学时

教学要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：

通过本章学习，使学生掌握金属材料的主要力学性能（强度、刚度、弹性、塑性、硬度、冲击韧性、断裂韧度及疲劳强度）；了解金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能，为以后各章中研究结构与性能关系打下良好的基础。

教学重点、难点及关键知识点：

重点：金属材料的主要力学性能（强度、刚度、弹性、塑性、硬度、冲击韧性、断裂韧度及疲劳强度）

难点：各力学性能的含义及试验的方法。

方法及手段

以启发式讲授为主

教学基本内容（教学过程）改进设想

第一节金属材料的力学性能

力学性能:是指材料在受力作用下所表现出的性能。常用的指标有:刚

度、强度、硬度、塑性、韧性和疲劳强度等。

一、强度

金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力，材料的强度用拉伸试验测

定。(拉伸加载速率较低，俗称静拉伸试验，s

MPa

dt

d/

10

~

1

/=

σ)

（a）原始试样（b）拉伸后试样

图1-1 圆柱形拉伸试样

➢拉伸试验机带有自动记录或绘图装置，记录或绘制试件所受的载荷P和伸长量Δl之间的关系曲线。

图1-2 低碳钢的拉伸曲线

应力――载荷除以试件的原始截面积即得应力σ，

/A

p

=

σ

应变――伸长量除以原始标距长度即得应变ε，

/l

l

∆

=

ε

金属材料的强度指标根据其变形特点分下列几个：

1．弹性模量（E）

弹性模量是指金属材料在弹性状态下的应力与应变的比值。

即

ε

σ

=

E（工程上将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度）2. 弹性极限（σe）

表示材料保持弹性变形，不产生永久变形的最大应力，是弹性零件的设计依据。

即

A

P

e

e

=

σ（MPa）

e

P--弹性极限载荷(N)，

A--试样原始横截面积(mm2)

3. 屈服点（屈服强度σs）

表示金属开始发生明显塑性变形的最低应力值。

即

A

P

s

s

=

σ（MPa）

2. 断面收缩率（ψ）

断面收缩率是指试样拉断后, 缩颈处截面积的最大缩减量与原始横断面积的百分比，即 %1000

0⨯-=A A A K ψ K A —试样断裂处的最小横断面积，0A —试样原始横断面积。

特别提示：δ或ψ越大，表示材料的塑性越好。

三、硬度

硬度是衡量材料软硬程度的指标，是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。常用测量硬度的方法有布氏硬度（HB ）、洛氏硬度（HR ）、维氏硬度（HV ）。

1.布氏硬度 HB

一定直径的球体(钢球或硬质合金球)在一定载荷作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，测量其压痕直径, 计算硬度值。布氏硬度值用球面压痕单位表面积上所承受的平均压力来表示。 ①当用淬火钢球压头时，硬度符号为HBS ，适用于布氏硬度＜450的金属材料；

②压头为硬质合金球时，硬度符号为HBW ，适用于布氏硬度为450～650的金属材料。

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。

图1-3 布氏硬度试验原理图

优点：压痕大，能反映出较大X 围内被测试金属的平均硬度，结果准确； 缺点：因压痕大，不宜测试成品或薄片金属的硬度。

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2.洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)

将金刚石压头(或钢球压头), 在先后施加两个载荷(预载荷F0和总载荷F)的作用下压入金属表面。总载荷F为预载荷F0和主载荷F1之和。卸去主载荷F1后，测量其残余压入深度h，用h与h0之差△h来计算洛氏硬度值。△h 越大, 表示材料硬度越低，实际测量时硬度可直接从洛氏硬度计表盘上读得。根据压头的种类和总载荷的大小洛氏硬度常用的表示方式有HRA、HRB、HRC三种。洛氏硬度值为一无名数，它置于符号HR之前，HR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。

氏硬度值。△h 越大, 表示材料硬度越低, 实际测量时硬度可直接从洛氏硬度计表盘上读得。根据压头的种类和总载荷的大小洛氏硬度常用的表示方式有HRA、HRB、HRC三种。

图1-4 洛氏硬度测量原理图

优点：操作迅速简便，由于压痕小，故可在工件表面或较薄的金属上进行试验；同时，采用不同标尺，可测出从极软到极硬材料的硬度。

缺点：因压痕较小，对组织比较粗大且不均匀的材料，测得的硬度不够准确。

3.维氏硬度HV

用一个相对面夹角为1360的金刚石正四棱锥体压头，在规定载荷F 作用下压入被测试金属表面，保持一定时间后卸出载荷。测量压痕投影的两对角线的平均长度d，进而计算出压痕的表面积S，最后求出压痕的表面积上的平均压力（F/S），称为维氏硬度。如：640HV30 表示在30kgf 载荷作用下，保持10～15s测得的维氏硬度值为640。

优点：载荷小，压入深度浅，可测零件表面淬硬层及化学热处理的表面层；同时维氏硬度是一个连续一致的标尺，试验时载荷可任意选择，而不影响其硬度值的大小，因此可测出从极软到极硬材料的硬度。

缺点：测定较麻烦，工作效率不如洛氏硬度高。

特别提示：当硬度小于450HBS时 HBS≈HV

当硬度在200～600HBS（HBW）时，HRC≈1/10HBS（或HBW）

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