第一章 力学性能讲解

金属工艺学
第一篇 金属材料的基本知识
第一章 金属材料的主要性能
金属按其成分可分为纯金属和合金两大 类
纯金属是由单一金属元素组成的
合金是由两种或两种以上元素组成的具有 金属特性的物质。
有些合金全部是由金属元素组成的，比如黄铜， 就是由铜和锌两种金属元素组成的。
有些合金则是由金属元素和非金属元素组成的， 比如碳钢，就是由金属元素铁和非金属元素碳 组成的。
来确定。冲击韧性值ak就是冲断试样所消耗能量和试样断 裂处横截面积的比值，单位是J/cm²。ak低的材料称为脆性 材料，在断裂前没有明显的塑性变形，吸收能量少，抵抗 冲击载荷的能力低；ak高的材料称为塑性材料。在断裂前 有明显的塑性变形，吸收能量多，抵抗冲击载荷的能力强。
Impact hardness
交变载荷和交变应力
交变载荷是指载荷的大
小和方向随时间作周期 性或者不规则改变的载 荷。在交变载荷作用下， 结构件的应力称为交变 应力。
24.5Mpa下运行4×10-6次
工程技术训练中心
2007-4-9
工程技术训练中心
2007-4-9
疲劳破坏的主要特征
1. 在金属构件中的交变应力远小于材料的强度极限的 情况下，破坏就可能发生。
是Mpa/m。根据比重可以将金属分为轻金属和重金属两大类。
＜49×10-³Mpa/m(5克重/厘米³)的金属是轻金属，＞49×10-
³Mpa/m(5克重/厘米³)的金属是重金属。比重是金属材料的一个重
要的物理性能，特别是在航空工业中，为了增加有效载重和减少
燃料的消耗，飞机结构部件大部分都是用轻合金（如铝合金等）
工程技术训练中心
2007-4-9
金属材料的主要性能
工程中，金属材料的选择应考虑以下几 个方面：
（1）使用性能 （2）工艺性能 （3）经济性 其中，金属材料的使用性能通常包括： 物理性能、化学性能和机械性能。
工程技术训练中心
2007-4-9
一、金属的机械性能（力学性能）
金属的机械性能是指金属在载荷作用下抵 抗破坏和变形的能力。
工程技术训练中心
2007-4-9
二、硬度-硬度计
工程技术训练中心
2007-4-9
二、硬度 布氏硬度测试方法形成的 压痕面积大，能反映出较大 范围内被测试金属的平均硬 度，适用于组织比较粗大且 不均匀的材料，但不宜测试 成品件或薄金属件的硬度， 也不能测试硬度高于HB450 的金属材料。布氏硬度通常用符号HB表示。
飞机结构在使用中要承受各种载荷，所以， 金属材料的机械性能是飞机结构设计和选 择材料的重要依据。
工程技术训练中心
2007-4-9
金属材料的力学性能
金属材料的机械性能指标主 要包括强度、塑性、硬度、 韧性和抗疲劳性能等。
一、强度和塑性
Strength and plasticity
拉伸试验

金属的强度和塑性是通
Brinell Hardness
工程技术训练中心
2007-4-9
二、硬度
洛氏硬度测试法测试的压 痕，可以在制成品或较薄 的金属材料上进行测试； 而且，从较软材料到较硬 材料，测试范围比较广。 但对组织比较粗大且不均 匀的材料，测量结果不准 确。洛氏硬度通常用符号 HR表示，并根据压头的 种类和所加载荷的大小分 为HRB、HRC和HRA三 种。
工程技术训练中心
2007-4-9
4. 疲劳破坏常具有局部性质，而并不牵涉到整 个结构的所有材料。影响金属材料疲劳极限的因 素很多，除了材料本身的质量外，试件的形状， 连接配合形式，表面状态及所处环境等等都对疲 劳极限有影响。
工程技术训练中心
2007-4-9
与光滑试件（Kt = 1应力集中系数）相比，存在有应力集中 试件的疲劳极限要下降很多。应力集中是指受力时结构件中 应力分布的不均匀程度。金属结构件表面或内部的缺陷处 （如划伤、夹杂、压痕、气孔等）以及截面突变处（如螺纹、 大小截面转接处等），都会在载荷作用下出现应力局部增大 的现象，形成应力集中。应力集中的程度用应力集中系数Kt 来表示，Kt越大，表示构件局部出现的高应力比均匀分布时 的应力大的越多。应力集中的地方往往会成为疲劳裂纹的起 源点，产生疲劳裂纹，导致疲劳破坏。应力集中会使试件的 疲劳极限大大下降，是影响疲劳强度的主要因素之一。所以， 改进局部的细节设计，提高金属构件表面光洁度，减少热处 理造成的各种小缺陷，都可以较明显地提高金属构件的疲劳 极限，延长它的使用寿命。在使用中发现疲劳裂纹时，一般 并不需要更换全部结构，只需更换损伤部分。在疲劳损伤不 严重的情况下，有时只需要排除疲劳损伤，比如扩铰孔排除 孔边裂纹、在裂纹尖端打止裂孔就可以了。
式中：lk — 试样拉断后的标距长度； l0 — 试样的原始标距长度，
对于塑性材料，拉断前会产生明显的颈缩现象， 在颈缩部位产生较大的局部延伸。
工程技术训练中心
2007-4-9
(二）塑性指标
2. 断面收缩率：
试样被拉断后，拉断处横截面积的缩减量与原始 横截面积之比就称为断面收缩率。即
= (Fo-Fk)/Fo×100% 式中：Fk — 试样在拉断处的最小横截面积；
金属材料的弹性模量随着温度的升高而降低。
工程技术训练中心
2007-4-9
2.弹性极限
材料保持弹性变形的最大应力值称为弹性极限，用e
表示。 式中：Pe
—试e 件= P保e/持F0弹（性Mp变a）形的最大载荷。
3. 屈服极限
当所加载荷P达到某一数值Ps 时，曲线上出现一个小平台，
这一阶段称为屈服段，试样屈服时的应力称为材料的屈服 极限，也称为屈服强度s ，即
（五）导热性：金属传导热量的能力称为金属的导热性。金属的导热 性常用导热系数（）来表示，常用的单位是卡/厘米·度·秒。导热系 数越大，金属的导热性越好。一般情况下金属的导热能力要比非金属 大的多。金属的导电性和导热性有密切的关系，导电性好的金属导热 性也好。
工程技术训练中心
2007-4-9
二、金属的物理性能（一）
金属的物理性能一般包括：颜色、比重、熔点、导电性、导热性、热 膨胀性和磁性。

（一）颜色：金属都具有一定的颜色。根据颜色可将金属分为黑
色金属和有色金属两大类。铁、锰、铬是黑色金属，其余的金属
都是有色金属。

（二）比重：比重是单位体积金属的重量，用符号表示，单位
= P / F0 （Mpa） 把试样的伸长量l 除
以试件原始的标距长度 l0，则得到试样的相对 伸长—应变，即 = l / l0
工程技术训练中心
2007-4-9
工程技术训练中心
2007-4-9
（一）强度指标
金属在载荷作用下抵抗变形和断裂的能力叫强度。强度指标包 括弹性模量、弹性极限、屈服极限和强度极限等。
用中，不允许发生微小塑性变形的结构件来说，材料的屈服极限 是很重要的性能指标。
工程技术训练中心
2007-4-9
4. 强度极限
材料在断裂时承受的最大应力称为强度 极限b ，即
b =Pb/F0 （Mpa）
式中：Pb — 试样断裂前所承受的最大载荷。 材料的强度极限b 就是材料拉断时的强度，
根据金属材料的硬度值可估计出材料的近似强度极限和耐磨 性。特别是布氏硬度和许多金属材料的强度极限之间存在着 近似的正比关系，硬度值大，材料的强度极限也大。通过测 量金属材料的布氏硬度，可以近似确定材料强度极限，并可 推断材料的热处理状态。对于硬度较小的材料，容易被划伤、 碰伤和磨损，在维修工作中，应注意保护。金属材料的硬度 对材料的机械加工性能也有影响。
Rockwell Hardness
工程技术训练中心
2007-4-9
工程技术训练中心
2007-4-9
三、韧性
韧性是指金属试样断裂时， 吸收能量的能力。韧性好的 金属材料，脆性就小，断裂 时，吸收能量较多，不易发 生脆性断裂。 （一）冲击韧性
金属材料在冲击载 荷作用下，抵抗破坏的能 力称为冲击韧性。金属材 料的冲击韧性用冲击韧性值ak来表示，并需要进行冲击试验
式中：Ps — 试样发生s屈=服Ps时/ F的0（载M荷pa，）即屈服载荷。
有些常用金属的拉伸曲线上没有明显的屈服段，因此又规定，试
样标距部分残余相对伸长达到原标距长度0.2%时的应力为屈服极 限，也称为条件屈服极限，用0.2 表示。
屈服极限反映了金属材料对微量塑性变形的抵抗能力，对于在使
材料结构件和大型焊接结构中。低应
力脆断是结构件中原有缺陷形成的裂
纹，发生失稳扩展而引起的。所以，裂纹扩展难易，也就 是裂纹扩展所需的能量大小，就成为判定材料是否易
于断裂的一个重要指标。
工程技术训练中心
补充介绍
2007-4-9
fatigue strength
四、抗疲劳性能
金属材料在交变载荷作 用下发生的破坏，称为 疲劳破坏。金属材料抵 抗疲劳破坏的能力，称 为金属材料的抗疲劳性 能。
来制造。

（三）熔点：金属加热时由固态变为液态时的温度称为熔点。根
据熔点的高低，又可将金属分为易熔金属和难熔金属。熔点低于
摄氏700度的金属属于易熔金属，熔点高于摄氏700度的金属属于
难熔金属。
工程技术训练中心
2007-4-9
二、金属的物理性能（二）
（四）导电性：金属传导电流的能力称为金属的导电性。金属的导电 性用金属的电阻率（）来表示，单位是·mm²/m。越大，金属的导 电性越差。金属是电的良导体，但各种金属的导电性并不相同，银的 导电性最好，铜和铝次之。

过拉力试验来测定。拉力试
样通常有圆形截面的棒状和
矩形截面的板状（图1-1），
在试件中间一段截面均匀的
部分是试验段，其长度用l0