金属材料的力学性能(教案)

1 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

L0——原始标距长度；L1——拉断后试样标距长度

d0——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）

2 [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/So

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/Ao

σ ——应力（MPa）；F——拉力（N）；So——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。

[ 规定残余伸长应力]：σr0.2 产生0.2%残余伸长率时的应力。σr0.2= Fr0.2/Ao

2、抗拉强度

[抗拉强度]：σb 断裂前最大载荷时的应力（强度极限）

3 σγ0.2常常难以测出，所以，脆性材料没有屈服强度指标，只有抗拉强度指标用于零件的设计计算。

强度意义：一般机械零件或工具使用时，不允许发生塑性变形，故屈服点σs是机械设计强度计算的主要依据；抗拉强度代表材料抵抗拉断的能力，若应力大于抗拉强度，则会发生断裂而造成事故。

三、塑性指标

材料产生塑性变形而不破坏的能力称为塑性。常用的塑性指标是断后伸长率δ和断面收缩率。一般通过拉伸实验测定。

1、断后伸长率

断后伸长率是指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。用符号δ表示。

δ = （L1-L0 /L0)×100%

2、断面收缩率

断面收缩率是指试样拉断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号ψ表示：

ψ = （A0-A1）/A0 ×100%

塑性直接影响到零件的成形及使用。

第二节 冲击韧性

定义：指在冲击载荷作用下，材料抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力，是材料强度和塑性的综合表现。

衡量指标：冲击韧度ak (ak＝ Ak/Fk )

aK值测定方法：一次弯曲冲击实验法，

物理意义：试样在冲断时单位横截面积上所消耗的冲击功AK ，单位为J/cm2。aK值越大，表示材料的冲击韧性越好。

第三节 疲劳强度

交变载荷：载荷大小和方向随时间发生周期变化的载荷。

疲劳断裂：零件在交变载荷下经过长时间工作而发生低应力断裂的现象成为疲劳断裂。

疲劳断裂过程：裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、最后断裂。

4 疲劳抗力指标：疲劳极限，又称疲劳强度，用σ－1表示。材料经过无限次应力循环不发生断裂的最大应力，即疲劳曲线上水平部分对应的应力值。

疲劳断裂的原因：一般认为是，由于材料表面与内部的缺陷（夹杂、划痕、尖角等），造成局部应力集中，形成微裂纹。随应力循环次数的增加，微裂纹逐渐扩展，使零件的有效承载面积逐渐减小，以致于最后承受不起所加载荷而突然断裂。

提高材料疲劳抗力的措施：通过合理选材，改善材料的结构形状，避免应力集中，减小材料和零件的缺陷；提高零件表面光洁度；对表面进行强化，喷丸处理等，可以提高材料的疲劳抗力。

第四节 硬度

硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，他是衡量材料软硬的指标。

一、布氏硬度

布氏硬度测量原理：采用直径为D的球形压头，以相应的试验力F压入材料的表面，经规定保持时间后卸除试验力，用读数显微镜测量残余压痕平均直径d，用球冠形压痕单位表面积上所受的压力表示硬度值。实际测量可通过测出d值后查表获得硬度值

HBS——表示用淬火钢球压头测量的布氏硬度值。适用范围：小于450

HBW——表示用硬质合金压头测量的布氏硬度值。适用范围：450~650

布氏硬度表示方法：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。

布氏硬度特点：优点：测量数值稳定，准确，能较真实地反映材料的平均硬度；

缺点：压痕较大，操作慢，不适用批量生产的成品件和薄形件

布氏硬度测量范围：用于原材料与半成品硬度测量，可用于测量铸铁；非铁金属（有色金属）、硬度较低的钢（如退火、正火、调质处理的钢）

布氏硬度数值通过布氏硬度试验测定。

布氏硬度值是试验力除以压痕球形表面积所得的商。使用淬火钢球压头时用符号HBS，使用硬质合金球压头时用符号HBW。

5 当F、D一定时，布氏硬度值仅与压痕直径d的大小有关。

布氏硬度习惯上只写出硬度值而不必注明单位，其标注方法是，符号HBS或HBW之前为硬度值，符号后面按顺序用数值表示试验条件。

布氏硬度值的测量误差小，数据稳定，重复性强。

二、洛氏硬度

洛氏硬度测量原理：用金刚石圆锥或淬火钢球压头，在试验压力F 的作用下，将压头压入材料表面，保持规定时间后，去除主试验力，保持初始试验力，用残余压痕深度增量计算硬度值，实际测量时，可通过试验机的表盘直接读出洛氏硬度的数值。

氏硬度测量条件：洛氏硬度可以测量从软到硬较大范围的硬度值，根据被测对象硬度值大小不同，可用不同的压头和试验力，如下表。

常用洛氏硬度的试验条件和应用范围

硬度符号 压头类型 总试验力

F/N（kgf） 硬度范围 应用举例

HRA 120o金刚石圆锥 588.4(60) 20~88 硬质合金、碳化物、浅层表面硬化钢等

HRB φ1.588mm淬火钢球 980.7(100) 20~100 退火、正火钢，铝合金、铜合金、铸铁

HRC 120o金刚石圆锥 1471(150) 20~70 淬火钢、调质钢、深层表面硬化钢

洛氏硬度特点：优点：测量迅速、简便、压痕小、硬度测量范围大 ，

缺点：数据准确性、稳定性、重复性不如布氏硬度

测定结果波动较大，稳定性较差，故需测试三点，取其算术平均值，一般不适宜测试组织不均匀的材料。

三、维氏硬度

维氏硬度是将相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石压头以选定的试验力（49.03~980.7N）压入被测材料或零件表面，经规定保持时间后卸除试验力，

6 用测量的压痕对角线长度计算硬度的一种压痕硬度试验。试验原理如课件中所示。

维氏硬度的表示符号为HV，测量范围是5~1000HV，标注方法与布氏硬度相同。值写在符号的前面，试验条件写在符号的后面。对于钢及铸铁的试验力保持时间为10~15s时，可以不标出。

课堂小结

力学性能小结

力学

性能 性能判据

含义

名称 符号

强度 抗拉强度 σb 试样拉断前所能承受的最大应力

屈服点 σs 拉伸试验产生屈服现象时的应力，试样产生明显塑性变形

规定残余延伸强度 σr0.2 规定残余伸长率为0.2%时的应力

塑性 断面收缩率 ψ 试样横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比

断后伸长率 δ 断后标距的残余伸长与原始标距之比的百分率

硬度 布氏硬度 HBS(HBW) 球形压痕单位面积上承受的平均压力

洛氏硬度 HRA、HRB、HRC 用洛氏硬度标尺的满程与压痕深度之差计算的硬度值

维氏硬度 HV 正四棱锥压痕单位面积上承受的平均压力

韧性 冲击吸收功 AK 试样冲断所吸收的能量

疲劳 疲劳极限 σ-1 试样受无数次循环应力作用仍不破断的最大应力

课后作业