金属材料的力学性能

金属材料力学性能

第一章 金属材料力学性能

金属材料的使用性能包括物理性能、化学性能、工艺性能和力学性能，对于工程材料来说，其中最重要的是力学性能。

金属材料的力学性能是指金属在外加载荷(外力或能量)作用下或载荷与环境因素(温度、介质和加载速率)联合作用下所表现的行为。由于载荷施加的方式多种多样，而环境、介质的变化又十分复杂，所以金属在这些条件下所表现的行为就会大不相同，致使金属材料力学性能所研究的内容非常广泛，它已发展成为介于金属学和材料力学之间的一门边缘学科。

金属材料的力学性能包括强度、硬度、塑性和韧性等性能。因为金属构件的承载条件一般用各种力学参量(如应力、应变和冲击能量等)来表示，因此，人们便将表征金属材料力学行为的力学参量的临界值或规定值称为金属材料力学性能指标，如强度指标、塑性指标、韧性指标等等。本章将在介绍金属材料力学性能基本知识的基础上着重介绍这些性能指标的物理概念及实用意义。

第一节 拉伸曲线和应力应变曲线

拉伸试验是工业上最广泛使用的力学性能试验方法之一。试验时在拉伸机上对圆柱试样或板状试样两端缓慢地施加载荷，使试样受轴向拉力沿轴向伸长，一般进行到拉断为止。

一般试验机都带有自动汜录装置，可把作用在试样上的力和所引起的试样伸长自动记录下来，绘出载荷—伸长曲线，称拉伸曲线或拉伸图。

图1—1为退火低碳钢拉伸曲线示意图。曲线的纵坐标为载荷(P)，横坐标是绝对伸长(△L)，由图可见，载荷比较小时，试样伸长随载荷增加成正比例增加，保持直线关系。载荷超过户。后，拉伸曲线开始偏离直线。载荷在Pe以下阶段，试样在加载时发生变形，卸载后变形能完全恢复，该阶段为弹性变形阶段。当载荷超过户。后，试样在继续产生弹性变形的同时，将产生塑性变形，进入弹塑性变形阶段。此时，若在载荷P

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作用下试样的变形为dc，则弹性变形和塑性变形分别为ab和bc(如图1—2所示)。若卸载，弹性变形ab将恢复，塑性变形6c被保留，使试样的伸长只能部分地恢复，而保留一部分残余变形OD。当载荷达到尸。时，在拉伸曲线上出现锯齿或平台。即载荷虽然保持不变或发生波动，而试样继续伸长(变形量继续增加)，这种现象称为屈服。由于在弹塑性变形阶段有塑性变形的产生，因此试样要继续变形，就必须不断增加载荷。随着塑性变形增大，载荷升高。当到最大载荷户b时，试样的某一部位横截面开始缩小，出现了颈缩。随着伸长量的增加，试样的变形主要集中在颈缩处而使试样的颈缩越来越明显。由于颈缩处试样截面急剧缩小，继续变形所需的载荷下降。载荷达尸k时，试样产生断裂。

金属材料的力学性能

任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用。如起重机上的钢索，受到悬吊物拉力的作用；柴油机上的连杆，在传递动力时，不仅受到拉力的作用，而且还受到冲击力的作用；轴类零件要受到弯矩、扭力的作用等等。这就要求金属材料必须具有一种承受机械荷而不超过许可变形或不破坏的能力。这种能力就是材料的力学性能。金属表现来的诸如弹性、强度、硬度、塑性和韧性等特征就是用来衡量金属材料材料在外力作用下表现出力学性能的指标。

钢材力学性能是保证钢材最终使用性能（机械性能）的重要指标，它取决于钢的化学成分和热处理制度。在钢管标准中，根据不同的使用要求，规定了拉伸性能（抗拉强度、屈服强度或屈服点、伸长率）以及硬度、韧性指标，还有用户要求的高、低温性能等。

金属材料的机械性能

1、弹性和塑性：

弹性：金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢复其原来形状的性能。力和变形同时存在、同时消失。

如弹簧：弹簧靠弹性工作。

塑性：金属材料受外力作用时产生永久变形而不至于引起破坏的性能。（金属之间的连续性没破坏）塑性大小以断裂后的塑性变形大小来表示。

塑性变形：在外力消失后留下的这部分不可恢复的变形。

2、强度：是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，单位为MPa。

工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。

拉伸图：金属材料在拉伸过程中弹性变形、塑性变形直到断裂的全部力学性能可用拉伸图形象地表示出来。

材料在常温、静载作用下的宏观力学性能。是确定各种工程设计参数的主要依据。这些力学性能均需用标准试样在材料试验机上按照规定的试验方法和程序测定，并可同时测定材料的应力-应变曲线。 对于韧性材料，有弹性和塑性两个阶段。弹性阶段的力学性能有：

比例极限：应力与应变保持成正比关系的应力最高限。当应力小于或等于比例极限时，应力与应变满足胡克定律，即应力与应变成正比。

金属材料基础知识，金属材料的力学性能

金属材料是指具有光泽、延展性、容易导电、传热等性质的材料。一般分为黑色金属和有色金属两种。黑色金属包括铁、铬、锰等。其中钢铁是基本的结构材料，称为“工业的骨骼”。由于科学技术的进步，各种新型化学材料和新型非金属材料的广泛应用，使钢铁的代用品不断增多，对钢铁的需求量相对下降。但迄今为止，钢铁在工业原材料构成中的主导地位还是难以取代的。

任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用，这就要求金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形或不破坏的能力，这种能力就是材料的力学性能。

一、力学性能--强度

强度——金属在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。

1．拉伸测试

拉伸试验是指在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的试验方法。利用拉伸试验得到的数据可以确定材料的弹性极限、伸长率、弹性模量、比例极限、面积缩减量、拉伸强度、屈服点、屈服强度和其它拉伸性能指标。

2．力－伸长曲线

弹性变形阶段--屈服阶段--强化阶段--缩颈阶段

3．强度指标

（1）屈服强度：当金属材料出现屈服现象时，在实验期间发生塑性变形而力不增加的应力点。

（2）抗拉强度Rm ：材料在断裂前所能承受的最大的应力。

二、力学性能--塑性

塑性——材料受力后在断裂前产生塑性变形的能力。

1．断后伸长率A ：试样拉断后，标距的伸长量与原始标距之比的百分率。

2．断面收缩率Z ：试样拉断后，缩颈处面积变化量与原始横截面面积比值的百分率

三、力学性能--硬度

硬度——材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度是通过在专用的硬度试验机上实验测得的。

1．布氏硬度：用球面压痕单位面积上所承受的平均压力来表示，单位为Pa，但一般均不标出：

表示方法：布氏硬度用硬度值、硬度符号、压头直径、实验力及实验力保持时间表示。当保持时间为10～15s时可不标。 应用范围：主要用于测定铸铁、有色金属及退火、正火、调质处理后的各种软钢等硬度较低的材料。

1 金属材料的力学性能

（第一课时）

潘甜

教学内容：金属材料力学性能的概念、力学性能指标及测定方法

教学目标：

1、掌握金属材料力学性能的基本概念。

2、理解金属材料的各种力学性能指标的表达方式及测定方法。

教学重点：

1、材料的力学性能的概念。

2、强度、塑性指标的概念及测量方法。

教学难点：对材料的应力-应变曲线各阶段进行分析得出材料的力学性能指标

教学过程：

一、导入

前面我们已经学习了工程材料的种类及成形，材料的种类繁多，用途甚广，但不同的材料性能各异，掌握各种材料的性能对材料的选择、加工及应用具有重要作用。金属材料是目前应用最广泛的工程材料，我们首先了解金属材料的性能，而金属材料的力学性能指标是选择、使用金属材料的重要依据，所以，我们重点学习金属材料的力学性能的概念及性能指标。

二、授课内容

1、金属材料的力学性能

2 金属材料的性能可分为使用性能和工艺性能两大类。使用性能指材料在使用过程中所表现出来的性能，包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能指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、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等。

材料的力学性能指材料在常温、静载作用下受外力作用（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）表现出来的宏观力学特性（变形或断裂）。材料的力学性能主要有刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。这些力学性能需采用标准试样在材料试验机上按照规定的试验方法和程序测定。

2、低碳钢拉伸应力-应变曲线

低碳钢拉伸的应力-应变曲线是说明材料力学性能的最明显的示例。如图1所示，有一低碳钢圆柱标准试样，在拉伸试验机上对试样轴向施加静拉力𝐹，使试样产生变形直至断裂，可测出试样的拉伸力与伸长量的𝐹−∆𝐿拉伸曲线图。为消除试件尺寸对材料性能的影响，定义应力σ=𝐹𝐴（单位面积上的拉力），应变ε=∆𝐿𝐿（单位长度的伸长量）代替𝐹和∆𝐿，得到应力-应变曲线，如图2所示，对应力-应变曲线进行分析：