第一章 金属力学性能

韧
韧脆转变温度曲线
体心立方金属具有韧脆转 变温度， 变温度，而大多数面心立 方金属没有。 方金属没有。
建造中的Titanic 号 建造中的
TITANIC
TITANIC的沉没 的沉没 与船体材料的质量 直接有关
Titanic 号钢板和近代船用钢板的冲击试验结果 号钢板和近代船用钢板的冲击试验结果
本章小结： 本章小结：
用符号HBW表示，适用于布氏硬 表示， 用符号 表示 硬质合金球 度在650以下的材料。 以下的材料。 度在 以下的材料
• 优点：测量误差小，数据稳定。 优点：测量误差小，数据稳定。 • 缺点：压痕大，不能用于太薄件及比压头还硬的 缺点：压痕大， 材料。 材料。 • 适于测量退火、正火、调质钢 铸铁及有色金属 适于测量退火 正火、调质钢, 退火、 的硬度。 的硬度。
应力：单位面积上所承受的附加力； 应力：单位面积上所承受的附加力；材料 发生变形时， 发生变形时，内部产生了大小相同但方向 相反的反作用力，用来抵抗外力， 相反的反作用力，用来抵抗外力，把分布 内力在一点上的集度称为应力。 内力在一点上的集度称为应力。 应变： 应变：当材料在外力作用下不能产生位移 时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这 它的几何形状和尺寸将发生变化， 种形变称为应变。 种形变称为应变。 应力σ = F/S
ε σ0.2
塑性：材料在外力作用下， 塑性：材料在外力作用下，产生永久变形而不破坏 的性能。 的性能。 指标为： 指标为：
l1 − l0 伸长率： 伸长率： δ = × 100% l0
S 0 − S1 ψ= ×100% S0
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
断裂后
断面收缩率： 断面收缩率：
说明： 说明： ① 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变 形。 直径d 相同时， 只有当l ② 直径 0 相同时，l0↑，δ↓。只有当 0/d0 为 常数时，塑性值才有可比性。 常数时，塑性值才有可比性。 表示； 当l0=10d0 时，伸长率用δ10 表示； 表示。 当l0=5d0 时，伸长率用δ5 表示。 显然δ5> δ10 ③ δ < 5%时，无颈缩，为脆性材料表征 时 无颈缩，
显微维氏硬度计 小 负 荷 维 氏 硬 度 计
四、疲劳
• 材料在低于σs的重复交变应力作用下发生断裂的现象。 材料在低于σ 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。 表示。 称为疲劳极限。用σr表示。 • 钢铁材料规定次数为 7，有色金属合金为 8。 钢铁材料规定次数为10 有色金属合金为10
1、材料各力学性能之间的关系； 材料各力学性能之间的关系； 各力学性能的相应指标； 2、各力学性能的相应指标； 能够对实际材料的力学性能指标进行测定。 3、能够对实际材料的力学性能指标进行测定。
疲劳应力示意图 疲劳曲线示意图
轴的疲劳断口
疲劳辉纹（扫描电镜照片） 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， 通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面 改善材料的形状结构 光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。 光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。 等方法可提高材料疲劳抗力
δ >5% 时，有颈缩，为塑性材料表征 有颈缩，
三、硬度
• 材料抵抗另一硬物体压入其内而产生局 部塑性变形的能力。 部塑性变形的能力。 • 布氏硬度HB 布氏硬度HB
HB = 0.102 2F
πD( D − D 2 − d 2 )
布 氏 硬 度 计
压 头
淬火钢球
用符号HBS表示，适用于布氏硬度值 用符号 表示， 表示 以下的材料。 在450以下的材料。 以下的材料
洛氏硬度
• 洛氏硬度用符号 表示 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， 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、 、 。 常用的标尺为 、B、C。
洛 氏 硬 度 计
• 符号 前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。 符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。 前面的数字为硬度值 HRA用于测量高硬度材料 如 用于测量高硬度材料, 用于测量高硬度材料 硬质合金、 硬质合金、表淬层和渗碳层。 HRB用于测量低硬度材料 如 用于测量低硬度材料, 用于测量低硬度材料 正火钢等。 有色金属和退火、正火钢等。 HRC用于测量中等硬度材料， 用于测量中等硬度材料， 用于测量中等硬度材料 如调质钢、淬火钢等。 如调质钢、淬火钢等。 洛氏硬度的优点：操作简便， 洛氏硬度的优点：操作简便， 压痕小，适用范围广。 压痕小，适用范围广。 缺点：测量结果分散度大。 缺点：测量结果分散度大。
应变ε = (l-l0)/l0
0
长试样： 长试样：L0=10d0 短试样： 短试样：L0=5d0 拉
伸 试 验 机
低碳钢的应力低碳钢的应力-应变曲线
拉伸试样
F
缩颈 塑 性 变 形 屈服
b k
断裂
s Fs Fb
弹 性 变 形
O
e
L
一、弹性和刚度
• 弹性：指标为弹性极限σe，即材料承受最大弹性变 弹性：指标为弹性极限σ 形时的应力。 形时的应力。 • 刚度：材料保持原有形状与尺寸的能力。指标为弹 刚度：材料保持原有形状与尺寸的能力。指标为弹 性模量E 性模量E。
洛氏硬度压痕 钢球压头与 金刚石压头
维氏硬度
维氏硬度试验原理
维氏硬度压痕
维氏硬度计
• 维氏硬度用符号 表示，符号前的数字为硬度值， 维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值， 表示 后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。 后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。 • 根据载荷范围不同，规定了三种测定方法—维氏硬度 根据载荷范围不同，规定了三种测定方法 维氏硬度 小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。 试验 、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。 • 维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。 洛氏硬度的优点。
二、强度与塑性
• 强度：材料在外力作用下抵抗变 强度： 形与断裂的能力。 形与断裂的能力。 屈服强度σ 屈服强度σs：材料发生微量塑性变 形时的应力值。 形时的应力值。 条件屈服强度σ 条件屈服强度σ0.2：国标中规定为 试样的塑性变形量为试样标距的 0.2%时材料所承受的的应力值。 时材料所承受的的应力值。 时材料所承受的的应力值 抗拉强度σ 抗拉强度σb：材料断裂前所承受的 最大应力值。 最大应力值。
五、冲击韧性
• 是指材料抵抗冲击载荷 作用而不破坏的能力。 作用而不破坏的能力。
指标为冲击 韧性值a 通 韧性值 k(通 过冲击实验 测得)。 测得 。
g
• 材料的冲击韧性随温 度下降而下降。 度下降而下降。在某 一温度范围内冲击韧 性值急剧下降的现象 称韧脆转变。发生韧 韧脆转变。 脆转变的温度范围称 韧脆转变温度。 韧脆转变温度。材料 温度 的使用温度应高于韧 脆转变温度。 脆转变温度。
第一章 工程材料的力学性能
材
使用性能 力学性能 物理性能 化学性能 铸造性能 锻压性艺性能
力学性能
——材料抵抗各种外加载荷的能力。 材料抵抗各种外加载荷的能力。 材料抵抗各种外加载荷的能力 弹性 刚度 静载时 强度 塑性 硬度 韧性 动载时 动载时 疲劳
知识补充： 知识补充：
σ E = tgα = （MPa） ε
弹性模量的大小主要取决于材料的本性， 弹性模量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、 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。可以通过 热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。 增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。 增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。