金属材料的力学性能和工艺性能

金属材料的性能一、金属材料的力学性能任何机械零件工作时都会受到外力的作用，如行车吊运重物，钢丝绳会受到重物拉力的作用；柴油机连杆会受到拉力、压力、甚至交变外力和冲击力的作用等。

在这些外力作用下，材料所表现出来的一系列特性和抵抗的能力称力学性能。

按作用形式不同，外力常分为静载荷、冲击载荷和交变载荷等。

材料的力学性能也分为强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。

1．强度和塑性强度是指材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。

强度用应力表示，其符号为σ，单位为MPa，1MPa=1N/mm2。

常用来衡量金属材料强度的指标有屈服点（σs）和抗拉强度（σb）等。

金属材料的屈服点和抗拉强度是通过把材料做成标准试样，在材料试验机上进行拉伸试验测得的。

常用的拉伸试样如图4-1所示。

图中l0为试样的标距长度，d0为试样截面的直径。

按国家标准规第四章金属材料与热处理定，试样可以分为长试样和短试样两种，长试样l0=10 d0，而短试样l0=5 d0。

试验时，随着拉力的缓慢增加，试样的长度也逐渐增长，即产生变形。

在整个试验中，把拉力与试样的相应变形，画在以伸长量∆l为横坐标、拉力F为纵坐标的图上，所连成的曲线即为力—变形曲线，如图4-2所示。

图4-l 拉仲试样图4-2 低碳钢力—变形曲线图a）拉伸前b）拉伸后由图4-2可知，在开始的Oe阶段，试样在拉力作用下均匀伸长，伸长量与拉力保持正比关系。

这时若去掉拉力，试样将恢复原状，此时材料处于弹性变形阶段，弹性变形在e 点处达到最大极限。

因此，在e点处试样所承受的拉力与试样横截面积之比称为弹性极限，用σe表示。

当超过e点后，材料除弹性变形外，开始产生塑性变形，拉力与伸长量之间的正比关系不再保持。

当拉力增大到F s时，即使拉力不再增加，材料仍会继续伸长一定距离，这种现象称为“屈服”。

在s点处，试样承受的拉力与试样原始横截面积之比称为屈服点，用σs表示σs=F s/A0式中F s r——试样屈服时的拉力（N）；A0——试样原始截面积（mm2）。

1、金属材料的性能包括：使用性能和工艺性能。

2、使用性能：是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能，包括①物理性能（如密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等）。

②化学性能（如抗腐蚀性、抗氧化性等）。

③力学性能（如强度、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳强度等）。

④工艺性能。

力学性能的概念：力学性能是指金属在外力作用下所表现出来的性能。

3、力学性能包括：强度、硬度、塑性、冲击韧性a)金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。

强度的大小用应力来表示。

b)根据载荷作用方式不同，强度可分为：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等。

一般情况下多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。

4、金属材料受到载荷作用而产生的几何形式和尺寸的变化称为变形。

变形分为：弹性变形和塑性变形两种5、不能随载荷的去除而消失的变形称为塑形变形。

在载荷不增加或略有减小的情况下，试样还继续伸长的现象叫做屈服。

屈服后，材料开始出现明显的塑性变形。

Fs称为屈服载荷6、sb：强化阶段：7、随塑性变形增大，试样变形抗力也逐渐增加，这种现象称为形变强化（或称加工硬化）。

Fb：试样拉伸的最大载荷。

8、在拉伸试验过程中，载荷不增加（保持恒定），试样仍能继续伸长时的应力称为屈服点。

用符号σs表示，计算公式：σs=Fs/So对于无明显屈服现象的金属材料可用规定残余伸长应力表示，计算公式：σ0.2=F0.2/So9、（2）抗拉强度材料在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用符号σb表示。

计算公式为：σb=Fb/So10、断裂前金属材料产生永久变形的能力称为塑性。

塑性由拉伸试验测得的。

常用伸长率和断面收率表示。

11、伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。

用δ表示：计算公式：δ=(l1-l0)/l0×100%断面收缩率：试样拉断后，缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率。

用ψ表示12、材料抵抗局部变形特别是塑性变形压痕或划痕的能力称为硬度。

第1章工程材料1.1 金属材料的力学性能金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。

使用性能是指金属材料在使用过程中应具备的性能，它包括力学性能（强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等）、物理性能（密度、熔点、导热性、导电性等）和化学性能（耐蚀性、抗氧化性等）。

工艺性能是金属材料从冶炼到成品的生产过程中，适应各种加工工艺（如：铸造、冷热压力加工、焊接、切削加工、热处理等）应具备的性能。

金属材料的力学性能是指金属材料在载荷作用时所表现的性能。

1.1.1 强度金属材料的强度、塑性一般可以通过金属拉伸试验来测定。

１．拉伸试样图1.1.1拉伸试样与拉伸曲线２．拉伸曲线拉伸曲线反映了材料在拉伸过程中的弹性变形、塑性变形和直到拉断时的力F时，拉伸曲线Ｏｐ为一直线，即试样的伸长量与载荷学特性。

当载荷不超过p成正比地增加，如果卸除载荷，试样立即恢复到原来的尺寸，即试样处于弹性变形阶段。

载荷在Ｆｐ－Ｆｅ间，试样的伸长量与载荷已不再成正比关系，但若卸除载荷，试样仍然恢复到原来的尺寸，故仍处于弹性变形阶段。

当载荷超过Ｆｅ后，试样将进一步伸长，但此时若卸除载荷，弹性变形消失，而有一部分变形当载荷增加到Ｆｓ时，试样开始明显的塑性变形，在拉伸曲线上出现了水平的或锯齿形的线段，这种现象称为屈服。

当载荷继续增加到某一最大值Ｆｂ时，试样的局部截面缩小，产生了颈缩现象。

由于试样局部截面的逐渐减少，故载荷也逐渐降低，试样就被拉断。

３．强度强度是指金属材料在载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。

（１） 弹性极限金属材料在载荷作用下产生弹性变形时所能承受的最大应力称为弹性极限，用符号σｅ 表示：（２） 屈服强度金属材料开始明显塑性变形时的最低应力称为屈服强度在拉伸试验中不出现明显的屈服现象，无法确定其屈服点。

所以国标中规定，以试样塑性变形量为试样标距长度的０．２％时，材料承受的应力称为“条件屈服强度”，并以符号σ０．２ 表示。

１.1.2 塑性金属材料在载荷作用下，产生塑性变形而不破坏的能力称为塑性。

第二节金属材料的力学性能（硬度、韧性、疲劳）及工艺性能一、复习要求1、知道硬度的概念；2、熟悉硬度测试的方法及原理；3、知道各种硬度测试的表示方法；4、知道各种硬度测试方法的特点并能根据特点进行合理选用；5、知道冲击韧性的概念并了解其测试原理、方法及适用；6、知道疲劳的概念并了解其特征和产生疲劳的原因；7、知道疲劳曲线和疲劳极限的概念并了解影响疲劳极限的因素；8、了解工艺性能的种类及影响因素。

二、课前自主复习（一）、复法指导1、复习内容1）、硬度、韧性、疲劳概念；2）、硬度、韧性、疲劳的测试方法及应用场合；3）、影响硬度、韧性、疲劳的因素。

2、怎么复1）、抓住载荷特性及衡量指标结合强度、塑性的概念对硬度、韧性、疲劳的概念进行比较记忆；2）、课堂以探究解析硬度、韧性、疲劳等知识应用选择来帮助同学理解知识为主；3）、提出问题、分析问题、解决问题并及时巩固问题并学会对知识的迁移应用。

（二）、知识准备1）、硬度是指金属材料在静载荷的作用下抵抗局部变形特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。

2）、硬度的测试方法有很多，最常用的有布氏硬度测试法、洛氏硬度测试法和维氏硬度测试法。

分别用HB、HR、HV表示。

3）、布氏硬度值根据所采用的压头材料不一样，分别用符号HBS（钢球）和HBW（硬质合金球）表示。

4）、洛氏硬度有HRA、HRB、HRC三种标尺，压头型式分为1200的金刚石圆锥体和直径为Φ1.588mm的钢球两种。

5）、维氏硬度用的是1360的正四棱锥体金钢石压头。

6）、冲击韧性在指金属材料在冲击载荷的作用下而不破坏的能力。

常用的测试方法有大能量一次冲击试验和小能量多次冲击试验，测试结果分别用冲击韧度αk和规定冲击载荷下冲击的次数N表示的。

7）、疲劳是金属材料在交变载荷作用下虽然承受小于或远远小于屈服点的应力但在较长的时间后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象。

8）、疲劳曲线指的是作用的交变应力与循环次数的关系曲线。

第一节 材料的力学性能使用性能和工艺性能：使用性能是指金属材料在使用过程中表现出来的性能，包括力学性能、物理性能(如电导性、热导性等)、化学性能(如耐蚀性、抗氧化性等)。

所谓工艺性能是指金属材料在各种加工过程中所表现出来的性能，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能和切削加工性能等。

材料的力学性能是指材料在各种载荷(外力)作用下表现出来的抵抗能力，它是机械零件设计和选材的主要依据。

常用的力学性能有：强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。

一、刚度定义：工程上，指构件或零件在受力时抵抗弹性变形的能力。

计算：等于材料弹性模量E 与零构件截面积A 的乘积。

零构件发生过弹性变形的原因是刚度不足；金属和合金的弹性模量不能通过合金化和热处理、冷变形等方法改变；提高零构件刚度方法是增加横截面积或改变截面形状。

二、强度强度是指材料在外力作用下抵抗变形或断裂的能力。

由于所受载荷的形式不同，金属材料的强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等。

有些金属材料，如高碳钢、铸铁等，在拉伸试验中没有明显的屈服现象。

所以国标中规定，以试样的塑性变形量为试样标距长度的0.2%时的应力作为屈服强度，用σ0.2表示。

三、塑性塑性是指金属材料在载荷作用下，产生塑性变形而不破坏的能力。

金属材料的塑性也是通过拉伸试验测得的。

常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率。

（1）伸长率 ： %10000⨯-=l l l k δ 长试样和短试样的伸长率分别用δ10和δ5表示，习惯上δ10也常写成δ。

(2)断面收缩率 ：%10000⨯-=S S S k ψ四、硬度 硬度是衡量材料软硬程度的指标，它表示材料在外力作用下抵抗变形或破裂的能力。

常用的有：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度试验方法。

HB=S F ⨯102.0=DhF π⨯102.0 用淬火钢球作压头测得的硬度用符号HBS 表示，适合于测量布氏硬度值小于450的材料；用硬质合金球作压头测得的硬度用符号HBW 表示，适合于测量布氏硬度值450～650的材料。

金属材料的性能金属材料的性能分为使用性能和工艺性能。

●使用性能是指金属材料为保证机械零件或工具正常工作应具备的性能，即在使用过程中所表现出的特性。

金属材料的使用性能包括力学性能、物理性能和化学性能等；●工艺性能是指金属材料在制造机械零件和工具的过程中，适应各种冷加工和热加工的性能。

工艺性能也是金属材料采用某种加工方法制成成品的难易程度，它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能及切削加工性能等。

一、金属材料的力学性能●金属材料的力学性能是指金属材料在力作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力──应变关系的性能，如强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。

●物体受外力作用后导致物体内部之间相互作用的力，称为内力。

●单位面积上的内力，称为应力σ(N/mm2)。

●应变є是指由外力所引起的物体原始尺寸或形状的相对变化(%)。

金属材料的力学性能主要有：强度、刚度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。

（一）强度与塑性●金属材料在力的作用下，抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。

●塑性是指金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。

金属材料的强度和塑性指标可以通过拉伸试验测得。

1．拉伸试验●拉伸试验是指用静拉伸力对试样进行轴向拉伸，测量拉伸力和相应的伸长，并测其力学性能的试验。

（1）拉伸试样。

拉伸试样通常采用圆柱形拉伸试样，分为短试样和长试样两种。

长试样L0=10d0；短试样L0=5d0。

a）拉断前 b）拉断后图1-5 圆形拉伸试样（2）试验方法。

2．力伸长曲线●在进行拉伸试验时，拉伸力F和试样伸长量△L之间的关系曲线，称为力伸长曲线。

试样从开始拉伸到断裂要经过弹性变形阶段、屈服阶段、变形强化阶段、缩颈与断裂四个阶段。

图1-7 退火低碳钢力伸长曲线3．强度指标金属材料的强度指标主要有:屈服点σs、规定残余伸长应力σ0.2、抗拉强度σb等。

（1）屈服点和规定残余延伸应力。

●屈服点是指试样在拉伸试验过程中力不增加(保持恒定)仍然能继续伸长(变形)时的应力。

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。