第一章 金属材料的力学性能
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第一章 金属材料的力学性能
金属材料主要是作为结构材料来使用的；
力学性能是指材料抵抗外力的能力；
材料的力学性能是机械设计机选，材料选用，工艺评定，材料检验的主要依据。
第一节 静载荷条件下材料的力学性能
常见的静载荷施加方式：拉伸，压缩，弯曲，扭转等；相应的材料轻度指标有：抗拉强度（δb），抗压强度（δbc），抗弯强度（δbb），抗剪强度（τb）等。
一 静拉伸试验及材料强度与塑性
拉伸试验 材料变形过程：
1. 设备：拉伸机； （1）弹性变形过程
2. 试样：由所测材料制成 （2）塑性变形过程
（3）断裂
（一）弹性极限与刚度
弹性变形：当外力解除后变形能够全部消除恢复原状的变形.
1. 弹性极限δe：材料保持完全弹性变形时所能承载的最大应力
Δe = Fe/ Ao
Fe——试样保持完全变形时的最大载荷（力）（N）；
Ao——试样的原始横截面积（mm2）
2. 材料刚度E（弹性模量）：金属材料产生单位弹性的相对变形所需的应力，它是表征材料抵抗弹性变形能力的力学性能指标
E=δ/ε
δ——在弹性变形范围内的应力（MPa）；
ε——在应力作用下产生的应变，及相对变形量（△l/l o）
刚度主要取决于材料本身晶格类型和原子间距。
（二）材料强度
材料强度：在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力；
塑性变形：在外力作用下，材料产生了当外力解除后仍不能自动恢复原状的变形。
1. 屈服点δs
δs=Fs/Ao
Fs——材料产生明显塑性变形所承受的最小载荷，
Ao——试样的原始横截面积。
注意：有些塑性材料没有明显的屈服点，难于确定产生塑性变形的最小应力。对于这种材料：当试样产生0.2%的塑性变形量时所对应的应力值为该材料的条件屈服点或以屈服强度δ0.2表示。
2. 抗拉强度δb：材料断裂前所承受的最大外力，也是试样能够保持均匀塑性变形的最大应力
δb =Fb/Ao
Fb——试样被拉断前所承受的最大外力
Ao——试样的原始横截面积
屈强比δs/δb<1 材料的屈强比越小，构件的可靠性越高
（三）材料的塑性 材料塑性：材料在外力作用下产生塑性变形而不发生断裂的能力。反应材料塑性的力学性能指标有伸长率和断面收缩率。
1. 伸长率δ
δ=lk-lo/lo=△l/lo
lk——试样断裂后的标距长度
lo——试样原标距的长度
△ l——试样拉断后的绝对伸长值
2. 断面收缩率△
△ =Ao-A1/Ao=△A/Ao
Ao——试样的原始截面面积；
A1——试样端口处的最小截面面积；
△ A——试样拉断后横截面积最大绝对收缩值
断面收缩率与试样尺寸无关。
二 硬度
硬度：衡量金属材料软硬程度；通常采用压入法测量；硬度的含义是指金属表面抵抗其他硬物压入的能力，也就是材料对局部塑性变形能力的抵抗能力。
分类：布氏硬度（HB），洛氏硬度（HR），维氏硬度（HV）（静载荷压入法）肖氏硬度（HS）（动载荷压入法又称弹性回跳法，适用于对大型构件现场测量）
（一） 布氏硬度（HB）
HB=F/A A=π/2*D（D-根式D2-d2）
F——施加的试验力（kgf）
A——压痕表面面积（mm2）
D——压头直径（mm）
D——压痕的平均直径（mm）
在硬度较低时用淬硬钢球作为压头，布氏硬度符号记为HBS，起最大有效测量值是450HBS；在硬度较高时，用硬质合金球作压头，布氏硬度符号为HBW，起最大有效值为650HBW。
（二） 洛氏硬度（HR）
金刚石压头，60*9.81N试验力A级洛氏硬度（HRA），适用于测量较薄的硬层或高硬度；金刚石压头，150*9.81N试验力C级洛氏硬度（HRC），起有效范围是20HRC—67HRC；φ1.588mm淬火钢球，100*9.81N试验力B级洛氏硬度（HRB），用于测量较低的硬度值。
HRB 第二节 非静载荷时材料的力学性能 非静载荷：1.冲击载荷：加载速度较快，使材料的塑性变形速度也较快；2.变交载荷：作用力与方向作周期性变化。 一．冲击韧度（揭示材料的脆性倾向） 冲击韧度是指材料抵抗冲击载荷的能力，以单位面积承受的冲击吸收功来衡量 a k=Ak/Ao Ak——试样所承受的冲击吸收功（J） Ao——试样断口处的原始横截面积（cm2） 测试方法：摆锤式冲击测试机，材料分为无缺口（Ak），V型缺口（Akv），U型缺口（Aku）。 冲击韧度可直接用冲击吸收功来表征。 韧脆转变温度：金属材料随环境温度下降由塑性状态转变为脆性状态。 二．疲劳强度(表征材料抵抗交变应力的能力) 疲劳强度定义：材料经交变应力无数次循环作用而不发生断裂的最大应力为材料的疲劳强度； 疲劳强度测定：疲劳强度机 金属的疲劳强度一般都小于屈服点 第三节 金属材料的断裂韧度 高强度材料及大型构件——低应力脆断——原因：1.宏观缺陷（裂纹），2.扩展 材料韧度（Kic）：物理意义是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力 强度因子（Ki）：裂纹尖端应力集中； Ki=Yδ根式a Y——与试样和裂纹尺寸及加载方式有关的因子 δ——外加的应力 a——试样中裂纹的半长 区别：Ki是用来描述裂纹尖端处应力场强弱的力学参量，与裂纹大小，形状等有关； Kic是评定材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的一种力学指标，是材料本身特性。 第四节 高温下材料的力学性能 金属的蠕变：长时间的恒温，恒应力作用下即使小于该温度的屈服点也会缓慢地产生塑性变形的现象； 蠕变极限：高温下载荷长期作用时，材料对蠕变的抵抗能力； 持久强度：高温下载荷长期作用时材料对断裂的抵抗能力； 持久强度表示形式：在给定的温度（T，℃）下，在规定的时间（t，h）内，不发生断裂时材料所能承受的最大应力； 一般的，对于金属材料只有当温度高于0.3倍材料熔点（Tm）时，蠕变现象才明显。
