1、14:40:29力学性能力学性能是指材料在外力作用时表现出来的性能。力是指材料在外力作用时表现出来的性能。力学性能包括学性能包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。硬等。硬度值可以间接地反映材料的强度、塑性和韧性以及材料度值可以间接地反映材料的强度、塑性和韧性以及材料在化学成分、金相组织和热处理工艺上的差异，因而硬在化学成分、金相组织和热处理工艺上的差异，因而硬度试验在工程上应用十分广泛。生产中常用的硬度试验度试验在工程上应用十分广泛。生产中常用的硬度试验是布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。是布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。工程工程材料力学性能的材料力学性能的重要性重
2、要性：在机械设备及工具的设计、制造中选用工程材料时，大在机械设备及工具的设计、制造中选用工程材料时，大多以力学性能为主要依据。多以力学性能为主要依据。 工程材料的力学性能工程材料的力学性能14:40:29一、载荷的概念：一、载荷的概念： 材料在加工及使用过程中所受的外力。材料在加工及使用过程中所受的外力。载荷分类：载荷分类：静静 载载 荷荷：冲击载荷冲击载荷：疲劳载荷疲劳载荷：静载荷是指大小不变或变动很慢的载荷；静载荷是指大小不变或变动很慢的载荷；冲击载荷是指突然增加的载荷；冲击载荷是指突然增加的载荷；疲劳载荷是指所经受的周期性或非周期疲劳载荷是指所经受的周期性或非周期性的动载荷性的动载荷(也
3、称循环载荷也称循环载荷)。1.根据作用性质不同分根据作用性质不同分 2.根据载荷作用方式不同根据载荷作用方式不同 分为分为拉伸载荷拉伸载荷、压缩载荷压缩载荷、弯曲载荷弯曲载荷、剪切剪切载荷载荷和和扭转载荷扭转载荷等，如图等，如图1-1所示。所示。 14:40:29内力内力为材料受外力作用后，为保持其不变形，在材料为材料受外力作用后，为保持其不变形，在材料 内部作用着与外力相对抗的力。内部作用着与外力相对抗的力。应力应力为单位截面积上的内力。为单位截面积上的内力。 二、变形的概念：二、变形的概念：材料受不同载荷作用而发生的几何形状和尺寸的变化。材料受不同载荷作用而发生的几何形状和尺寸的变化。变形
4、的分类：变形的分类：弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形材料受材料受拉伸拉伸载荷或载荷或压缩压缩载荷作用时，其横截面积上载荷作用时，其横截面积上的应力（的应力（ )按下式计算：按下式计算：式中式中 ,F外力外力(N)；S横截面积横截面积(m2)；应力应力(Pa)，应力单位是，应力单位是Pa，1Pa1Nm2。当面积用。当面积用mm2时，则应力可用时，则应力可用MPa为单位。为单位。1MPa=1Nmm2106PaF=S14:40:30一、强度一、强度 材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度，强度大材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度，强度大小通常用应力来表示。小通常用应力来表示。1.1 1.1 静载荷条
5、件下材料的力学性能静载荷条件下材料的力学性能 抗拉强度是通过拉伸试验测定的。抗拉强度是通过拉伸试验测定的。拉伸试验拉伸试验的方法的方法是用静拉力对标准试样进行轴向拉伸，同时连续测量力是用静拉力对标准试样进行轴向拉伸，同时连续测量力和相应的伸长，直至断裂。根据测得的数据，即可求出和相应的伸长，直至断裂。根据测得的数据，即可求出有关的力学性能。有关的力学性能。 下面把试验作一简单介绍：下面把试验作一简单介绍： 根据根据载荷作用方式载荷作用方式不同，强度可分为不同，强度可分为抗拉强度抗拉强度( (b b) )、抗压抗压强度强度( (bcbc) )、抗弯抗弯强度强度( (bbbb) )、抗剪抗剪强度强
6、度( (b b) )和和抗扭抗扭强度强度( (t t) )等五种。等五种。 一般情况下多以一般情况下多以抗拉强度抗拉强度作为判别材料强度高低的作为判别材料强度高低的指标。指标。14:40:30 (1) (1)拉伸试样拉伸试样 拉伸试样的形状一般有拉伸试样的形状一般有圆形圆形和和矩形矩形两类。在国家标准两类。在国家标准(GB397(GB39786)86)中，对试样的形状、中，对试样的形状、尺寸及加工要求均有明确的规定。尺寸及加工要求均有明确的规定。(2)(2)力一伸长曲线力一伸长曲线 拉伸试验中记录的拉伸力对伸长的拉伸试验中记录的拉伸力对伸长的关系曲线叫做力一伸长曲线，也称拉伸图。关系曲线叫做力
7、一伸长曲线，也称拉伸图。bzbz缩颈阶段缩颈阶段( (局部塑性变形阶段局部塑性变形阶段) ) 当载荷达到最大值几当载荷达到最大值几时，试样的直径发生局部收缩，称为时，试样的直径发生局部收缩，称为“缩颈缩颈”。试样变形所。试样变形所需的载荷也随之降低，这时伸长主要集中于缩颈部位，直至需的载荷也随之降低，这时伸长主要集中于缩颈部位，直至断裂。断裂。oe弹性变形阶段弹性变形阶段 试样变形完全是弹性的，卸载后试样变形完全是弹性的，卸载后试样即恢复原状。这种随载荷的作用而产生、随载荷试样即恢复原状。这种随载荷的作用而产生、随载荷的去除而消失的变形称为的去除而消失的变形称为弹性变形弹性变形。es屈服阶段屈
8、服阶段 当载荷超过当载荷超过Fe时，若卸载的话，试样时，若卸载的话，试样的伸长只能部分地恢复，而保留一部分残余变形。这的伸长只能部分地恢复，而保留一部分残余变形。这种不能随载荷的去除而消失的变形称为种不能随载荷的去除而消失的变形称为塑性变形塑性变形。这。这种在载荷不增加或略有减少的情况下，试样继续发生种在载荷不增加或略有减少的情况下，试样继续发生变形的现象叫做屈服。变形的现象叫做屈服。Fs称为称为屈服载荷屈服载荷。屈服后，材。屈服后，材料将残留较大的塑性变形。料将残留较大的塑性变形。sb强化阶段强化阶段 在屈服阶段以后，欲使试样继续伸在屈服阶段以后，欲使试样继续伸长，必须不断加载。随着塑性变形
9、增大，试样变形长，必须不断加载。随着塑性变形增大，试样变形抗力也逐渐增加，这种现象称为形变强化抗力也逐渐增加，这种现象称为形变强化(或称加工或称加工硬化硬化)。Fb为试样拉伸试验时的为试样拉伸试验时的最大载荷最大载荷。14:40:30工程上使用的材料，多数没有明显的屈服现工程上使用的材料，多数没有明显的屈服现象。象。对对于低塑性材料，不仅没有屈服现象，于低塑性材料，不仅没有屈服现象，而且也不产生而且也不产生“缩颈缩颈”，如球墨铸铁等。，如球墨铸铁等。 (3) (3) 强度指标强度指标屈服点屈服点 试样在试验过程中，力不增加试样在试验过程中，力不增加( (保持恒定保持恒定) )仍能继续伸长仍能继
10、续伸长( (变形变形) )时的应力称时的应力称为屈服点，用符号为屈服点，用符号s表示表示 。对于无明显屈服现象的材料，多测定其规定对于无明显屈服现象的材料，多测定其规定残余伸长残余伸长应力值应力值。 r r表示试样卸除拉伸载荷后，其标距部分的表示试样卸除拉伸载荷后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。例如残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。例如 r r0.20.2表示规定残余伸长率达到表示规定残余伸长率达到0.20.2时的应力，按下时的应力，按下列公式计算：列公式计算： 0SFss02 . 02 . 0SFrr14:40:30机械零件在工作时如受力过大，则因过量的塑性变
11、机械零件在工作时如受力过大，则因过量的塑性变形而形而失效失效。当零件工作时所受的力，低于材料的屈。当零件工作时所受的力，低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，则不会产生过量的塑性服点或规定残余伸长应力，则不会产生过量的塑性变形。材料的屈服点或规定残余伸长应力越高，允变形。材料的屈服点或规定残余伸长应力越高，允许的工作应力也越高，则零件的截面尺寸及自身质许的工作应力也越高，则零件的截面尺寸及自身质量就可以减少。因此，量就可以减少。因此，材料的材料的屈服点屈服点或或规定残余伸规定残余伸长应力长应力是机械设计的主要依据，也是评定材料优劣是机械设计的主要依据，也是评定材料优劣的重要指标。的重要指标。 抗
12、拉强度抗拉强度 材料在拉断前所能承受的最大应力材料在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度。用符号称为抗拉强度。用符号b b表示，按下列公式计算：表示，按下列公式计算： bbbSF抗拉强度表示材料在拉伸载荷作用下的最大均匀抗拉强度表示材料在拉伸载荷作用下的最大均匀变形的抗力。也是机械零件设计和选材的主要依变形的抗力。也是机械零件设计和选材的主要依据之一据之一 14:40:30二、塑性二、塑性 断裂前材料产生永久变形的能力称为断裂前材料产生永久变形的能力称为塑性塑性。塑性指标。塑性指标也是由拉伸试验测得的。常用材料拉伸时最大的相对塑性也是由拉伸试验测得的。常用材料拉伸时最大的相对塑性变形变形( (
13、伸长率和断面收缩率伸长率和断面收缩率) )来表示。来表示。 (1)(1)伸长率伸长率 试样拉断后，标距的伸长与原始标距的试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。用符号百分比称为伸长率。用符号表示。表示。其计算方法如下：其计算方法如下： %100001LLL (2) (2)断面收缩率断面收缩率 试样拉断后，缩颈处截面积的最大试样拉断后，缩颈处截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比为断面收缩率，用符号缩减量与原始横截面积的百分比为断面收缩率，用符号表示。其计算方法如下：表示。其计算方法如下： %100010SSS 材料的伸长率材料的伸长率()和断面收缩率和断面收缩率()数值越大，表示
14、材数值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的材料可以发生大量塑性变形而料的塑性越好。塑性好的材料可以发生大量塑性变形而不破坏，便于通过塑性变形加工成复杂形状的零件。不破坏，便于通过塑性变形加工成复杂形状的零件。 14:40:30三、硬度三、硬度 材料抵抗局部变形材料抵抗局部变形( (特别是塑性变形特别是塑性变形) )、压痕或划痕的、压痕或划痕的能力称为能力称为硬度硬度。 硬度是各种零件和工具必须具备的性能指硬度是各种零件和工具必须具备的性能指标。机械制造业所用的刀具、量具、模具等，都应具备足标。机械制造业所用的刀具、量具、模具等，都应具备足够的硬度，才能保证使用性能和寿命。有些机械零件如齿够的硬度
15、，才能保证使用性能和寿命。有些机械零件如齿轮等，也要求有一定的硬度，以保证足够的耐磨性和使用轮等，也要求有一定的硬度，以保证足够的耐磨性和使用寿命。因此寿命。因此硬度是材料重要的力学性能之一硬度是材料重要的力学性能之一。 与拉伸试验相比，硬度试验简便易行，硬度值又可以与拉伸试验相比，硬度试验简便易行，硬度值又可以间接地反映间接地反映材料的强度以及材料在化学成分、金相组织和材料的强度以及材料在化学成分、金相组织和热处理工艺上的差异，因而硬度试验应用十分广泛。热处理工艺上的差异，因而硬度试验应用十分广泛。硬度试验的方法很多：硬度试验的方法很多： 压入压入硬度试验法硬度试验法(如布氏硬度、洛氏硬度等
16、如布氏硬度、洛氏硬度等)； 划痕划痕硬度试验法硬度试验法(如莫氏硬度如莫氏硬度)； 回跳回跳硬度试验法硬度试验法(如肖氏硬度如肖氏硬度)，生产中生产中常用的是压入硬度试验法常用的是压入硬度试验法。 14:40:30(1)(1)布氏硬度布氏硬度 布氏硬度的布氏硬度的测试原理测试原理 它是用一定直径的球体它是用一定直径的球体( (钢球或钢球或硬质合金球硬质合金球) )，以相应的试验力压入试样表面，经规定保持，以相应的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量表面压痕直径来计算硬度的一种时间后卸除试验力，用测量表面压痕直径来计算硬度的一种压痕硬度试验。压痕硬度试验。 布氏硬度值布氏硬度值
17、是用球面压痕单位表面是用球面压痕单位表面积上所承受的平均压力来表示。用符号积上所承受的平均压力来表示。用符号HBS(W)来表示。布氏硬度值按下式计来表示。布氏硬度值按下式计算：算： )(2102. 0)(22dDDDFHBWHBS 从上式中可以看出从上式中可以看出，当外载荷，当外载荷(F)，压头球体直径，压头球体直径 (D)一一定时，布氏硬度值仅与压痕直径定时，布氏硬度值仅与压痕直径(d)的大小有关。在实际应的大小有关。在实际应用中，布氏硬度一般不用计算，而是用专用的刻度放大镜量用中，布氏硬度一般不用计算，而是用专用的刻度放大镜量出压痕直径出压痕直径(d)，根据压痕直径的大小，再从专门的硬度表
18、，根据压痕直径的大小，再从专门的硬度表中查出相应的布氏硬度值。中查出相应的布氏硬度值。 14:40:30布氏硬度的布氏硬度的符号及表示方法符号及表示方法 当试验的压头为淬硬钢当试验的压头为淬硬钢球时，其硬度符号用球时，其硬度符号用HBSHBS表示。当试验压头为硬质合金球时，表示。当试验压头为硬质合金球时，其硬度符号用其硬度符号用HBWHBW表示。表示。 布氏硬度的表示方法规定为：布氏硬度的表示方法规定为： 符号符号HBSHBS或或HBWHBW之前的数字为硬度值，符号后面按以下之前的数字为硬度值，符号后面按以下顺序用数字表示试验条件顺序用数字表示试验条件：球体直径：球体直径/ /试验力试验力/
19、/试验力保持试验力保持的时间的时间(1015s(1015s不标注不标注) )。 例如例如170HBS l0100030表示用直径表示用直径10mm的的钢钢球，球，在在9807N(1000kgf)的试验力作用下，保持的试验力作用下，保持30s时测得的布氏时测得的布氏硬度值为硬度值为170。 530HBW 5750表示用直径表示用直径5mm的的硬质合金球硬质合金球，在，在7355N(750kgf)的试验力作用下，保持的试验力作用下，保持1015s时测得的布时测得的布氏硬度值为氏硬度值为530。 14:40:30试验条件的选择试验条件的选择 布氏硬度试验时，压头球体的直径布氏硬度试验时，压头球体的直
20、径(D)(D)，试验力试验力(F)(F)及试验力保持的时间及试验力保持的时间(t)(t)，应根据被测材料材料的，应根据被测材料材料的种类、硬度值的范围及材料的厚度进行选择。种类、硬度值的范围及材料的厚度进行选择。常用的压头球体直径常用的压头球体直径(D)有有1、2、2. .5、5和和10mm五种。试验五种。试验力力(F)可从可从9. .807N (1kgf)29. .42kN(3000kgf)范围内，二者范围内，二者之间的关系详见表之间的关系详见表12。试验力保持时间，一般黑色材料为。试验力保持时间，一般黑色材料为1015s；有色材料为；有色材料为30s；布氏硬度值小于；布氏硬度值小于35时为
21、时为60s。 材料材料布氏硬度布氏硬度F/DF/D2 2钢及铸铁钢及铸铁14014014014010103030铜及其合金铜及其合金351301305 510103030轻材料及其合金轻材料及其合金3580802.5(1.25)2.5(1.25)10(510(5或或15)15)10(15)10(15)铅、锡铅、锡 1.25(1)1.25(1)14:40:30应用范围及优缺点应用范围及优缺点 布氏硬度布氏硬度适用适用于于铸铁铸铁、有色有色材料及其合金、各种材料及其合金、各种退火退火及调质的及调质的钢材，特别对于钢材，特别对于软软材料材料，如铝、铅、锡等更为，如铝、铅、锡等更为适宜。适宜。 布氏硬
22、度的布氏硬度的优点优点是具有很高的测量精度，它采用的试是具有很高的测量精度，它采用的试验力大，球体直径也大，因而压痕直径也大，它能较真实验力大，球体直径也大，因而压痕直径也大，它能较真实地反映出材料材料的平均性能。另外，由于布氏硬度与其地反映出材料材料的平均性能。另外，由于布氏硬度与其它力学性能它力学性能 ( (例抗拉强度例抗拉强度) )之间存在着一定的近似关系，之间存在着一定的近似关系，因而在工程上得到广泛应用。因而在工程上得到广泛应用。 缺点缺点是是操作时间较长，对不同材料需要更换压头和操作时间较长，对不同材料需要更换压头和试验力，压痕测量也较费时间。在进行高硬度材料试验时，试验力，压痕测
23、量也较费时间。在进行高硬度材料试验时，由于球体本身的变形会使测量结果不准确由于球体本身的变形会使测量结果不准确。因此，。因此，用用钢球钢球压头测量时，硬度值必须小于压头测量时，硬度值必须小于450；用；用硬质合金球硬质合金球压头时，压头时，硬度值必须小于硬度值必须小于650，又因压痕较大，不宜于测量成品及，又因压痕较大，不宜于测量成品及薄件薄件。 14:40:30(2) (2) 洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度测试原理测试原理 在初始试验力在初始试验力(F(F0 0) )及总试验力及总试验力(F(F0 0+F+F1 1) )先后作用下，将压头先后作用下，将压头( (金刚石圆锥体或钢球金刚石圆锥
24、体或钢球) )压入压入试样表面，经规定保持时间后卸除生试验力试样表面，经规定保持时间后卸除生试验力(F(F1 1) )，用保，用保持初始试验力的条件下，测量的残余压痕深度增量来计持初始试验力的条件下，测量的残余压痕深度增量来计算硬度。算硬度。图图1-71-7为用金刚石圆锥体压头进行洛氏硬度试为用金刚石圆锥体压头进行洛氏硬度试验的示意图。从图中看出，洛氏硬度值验的示意图。从图中看出，洛氏硬度值(HR)(HR)是用洛氏硬是用洛氏硬度相应标尺刻度满量程度相应标尺刻度满量程(100)(100)与残余压痕深度增量（与残余压痕深度增量（e)e)之之差计算硬度值。计算公式如下差计算硬度值。计算公式如下 HR
25、HR=k-e=k-e式中式中 HR-洛氏硬度值；洛氏硬度值；K常数，用金刚石圆锥体常数，用金刚石圆锥体压头进行试验时压头进行试验时K为为100；用钢球压头进行试验时，；用钢球压头进行试验时，K为为130；e残余压痕深度增量，单位为残余压痕深度增量，单位为0.002mm。 14:40:30常用洛氏常用洛氏硬度标尺及其适用范围硬度标尺及其适用范围 为了用一台硬度计测定为了用一台硬度计测定从软到硬不同材料材料的硬度，可采用不同的压头和总试验从软到硬不同材料材料的硬度，可采用不同的压头和总试验力，组成力，组成15种洛氏硬度标尺，每一种标尺用一个字母在洛氏种洛氏硬度标尺，每一种标尺用一个字母在洛氏硬度符
26、号硬度符号HR后面加以注明。常用的洛氏硬度标尺是后面加以注明。常用的洛氏硬度标尺是HRA、HRB、HRC三三种。其中种。其中HRC应用最为广泛。三种洛氏硬度应用最为广泛。三种洛氏硬度标尺的试验条件和适用范围见表标尺的试验条件和适用范围见表13。 硬度硬度标尺标尺压头类型压头类型总试验力总试验力(N)(N)硬度值有效硬度值有效范围范围 应用举例应用举例 HRC HRC120120金刚石金刚石圆锥体圆锥体 1471.0 1471.0 20 2067HRC67HRC 一般淬火钢件一般淬火钢件 HRB HRB1/161/16钢球钢球 980.7 980.725-1OOHRB25-1OOHRB软钢、退火
27、钢、铜软钢、退火钢、铜合金等合金等 HRA HRA120120金刚石圆金刚石圆锥体锥体 588.4 588.4 60 6085HRA85HRA硬质合金、表面淬硬质合金、表面淬火钢等火钢等14:40:30 优缺点优缺点 优点优点是操作简单迅速，能直接从刻度盘上读出硬度值；是操作简单迅速，能直接从刻度盘上读出硬度值；压痕较小，可以测定成品及薄的工件；测试的硬度值范围压痕较小，可以测定成品及薄的工件；测试的硬度值范围大，可测从很软到很硬的材料材料。大，可测从很软到很硬的材料材料。 缺点缺点是压痕较小，当材料的内部组织不均匀时，硬度是压痕较小，当材料的内部组织不均匀时，硬度数据波动较大，使测量值的代表
28、性不足，通常需要在不同数据波动较大，使测量值的代表性不足，通常需要在不同部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度。部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度。(3) (3) 维氏硬度维氏硬度 维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理基本上和布氏硬度试验基本上和布氏硬度试验相同，其试验原理如图所示。将相对面夹角为相同，其试验原理如图所示。将相对面夹角为136的正四的正四棱锥体金刚石压头，以选定的试验力压入试样表面，经规棱锥体金刚石压头，以选定的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量压痕对角线的长度来计定保持时间后卸除试验力，用测量压痕对角线的长度来计算硬度。即用正四棱锥形压痕单位表面积上承
29、受的算硬度。即用正四棱锥形压痕单位表面积上承受的平均压平均压力力代表维氏硬度值。代表维氏硬度值。14:40:30 维氏硬度用符号维氏硬度用符号HVHV表表示，示，HVHV前面为硬度值，前面为硬度值，HVHV后面的数字按顺序表示试后面的数字按顺序表示试验条件。例如验条件。例如640HV30640HV30表表示用示用294.2N(30kgf)294.2N(30kgf)试验试验力，保持力，保持1015s(1015s(可省略可省略不标不标) )测定的维氏硬度值测定的维氏硬度值为为640640。 维维氏硬度因试验时所加的试验力小，压入深度较浅，氏硬度因试验时所加的试验力小，压入深度较浅，故可测量较薄的材
30、料，故可测量较薄的材料，也可测量表面渗碳、氮化层的硬度。也可测量表面渗碳、氮化层的硬度。而维氏硬度值具有连续性而维氏硬度值具有连续性(HVl01000)，故可测定很软到，故可测定很软到很硬的各种材料的硬度，且很硬的各种材料的硬度，且准确性高准确性高。维氏硬度试验的。维氏硬度试验的缺缺点点是试验时需要测量压痕对角线的长度是试验时需要测量压痕对角线的长度，测试手续较繁；，测试手续较繁；压痕小，对试件表面质量要求较高。压痕小，对试件表面质量要求较高。 14:40:30一、一、 冲击韧性冲击韧性 许多机械零件在工作中，往往要受到冲击载荷的作许多机械零件在工作中，往往要受到冲击载荷的作用，如活塞销、锤杆
31、、冲模和锻模等，制造这类零件所用，如活塞销、锤杆、冲模和锻模等，制造这类零件所用的材料，其性能指标不能单纯用静载荷作用下的指标用的材料，其性能指标不能单纯用静载荷作用下的指标来衡量，而必须考虑材料抵抗冲击载荷的能力。来衡量，而必须考虑材料抵抗冲击载荷的能力。 材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为韧性韧性。目前，常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料的韧性。目前，常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料的韧性。 1.2 1.2 动载荷下力学性能动载荷下力学性能(1) 冲击试样冲击试样 为了使试验结果可以互相比较，试样必须为了使试验结果可以互相比较，试样必须采用标准试
32、样，冲击试样的类型很多，需根据国家标准采用标准试样，冲击试样的类型很多，需根据国家标准GB22984和和GB210680有关标准的要求来选择。常用有关标准的要求来选择。常用的试样有的试样有(10105)mm3的的V形缺口和形缺口和U形缺口试样。形缺口试样。 14:40:30（2）冲击试验的原理及方法）冲击试验的原理及方法 冲击试验是利用能量冲击试验是利用能量守恒原理：试样被冲断过程中吸收的能量等于摆锤守恒原理：试样被冲断过程中吸收的能量等于摆锤冲击试样前后的势能差。冲击试样前后的势能差。 冲击吸收功冲击吸收功(Ak)除以试样缺口处截面除以试样缺口处截面积积(S0)，即可得到材料的，即可得到材料
33、的冲击韧度冲击韧度，用符号用符号ak表示，其计算公式为表示，其计算公式为: 0SAakk14:40:30（3）小能量多次冲击试验）小能量多次冲击试验 实践表明实践表明，承受冲击载荷的机械零件，很少因一次大，承受冲击载荷的机械零件，很少因一次大能量冲击而遭破坏，绝大多数是在一次冲击不足以使零件能量冲击而遭破坏，绝大多数是在一次冲击不足以使零件破坏的小能量多次冲击作用下而破坏的。它们的破坏是由破坏的小能量多次冲击作用下而破坏的。它们的破坏是由于多次冲击损伤的积累，导致裂纹的产生与扩展的结果，于多次冲击损伤的积累，导致裂纹的产生与扩展的结果，根本不同于一次冲击的破坏过程。对于这样的零件，用冲根本不同
34、于一次冲击的破坏过程。对于这样的零件，用冲击韧度来设计显然是不符合实际的。击韧度来设计显然是不符合实际的。 实践表明实践表明，一次冲击，一次冲击韧度高的材料，小能量多韧度高的材料，小能量多次冲击抗力不一定高。因次冲击抗力不一定高。因此，需要采用小能量多次此，需要采用小能量多次冲击试验来检验这类材料冲击试验来检验这类材料的抗冲击性能。的抗冲击性能。 实践证明实践证明，在小能量多次冲击条件下，其冲击抗力，在小能量多次冲击条件下，其冲击抗力主要取决于材料的强度和塑性。主要取决于材料的强度和塑性。 14:40:30 (1) (1) 疲劳概念疲劳概念 随时间作周期性变化的应力称为随时间作周期性变化的应力
35、称为交变应力交变应力( (也也称循环应力称循环应力) )。 在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为纹或突然发生完全断裂的过程称为材料的材料的疲劳疲劳。 疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。据。据统计，在机械零件失效中大约有统计，在机械零件失效中大约有80%以上属于疲劳以上属于疲劳破坏。而且疲劳破坏前没有明显的变形而突然破断。破坏。而且疲劳破坏前没有明显的变形而突然破断。所以，疲劳破坏经常造成重大事故
36、。所以，疲劳破坏经常造成重大事故。 二、疲劳强度二、疲劳强度14:40:30(2)(2)疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征 尽管疲劳载荷有各种不同的类型，但尽管疲劳载荷有各种不同的类型，但疲劳破坏有共同的特点疲劳破坏有共同的特点； 疲劳断裂时并没有明显的宏观塑性变形，断裂前没有预兆，而是疲劳断裂时并没有明显的宏观塑性变形，断裂前没有预兆，而是突然地破坏；突然地破坏； 引起疲劳断裂的应力很低，常常低于材料的屈服点；引起疲劳断裂的应力很低，常常低于材料的屈服点； 疲劳破坏的宏观断口由两部分组成，疲劳破坏的宏观断口由两部分组成，即疲劳裂纹的策源地及扩展即疲劳裂纹的策源地及扩展区区( (光滑部分光滑部分)
37、)和和最后断裂区最后断裂区(毛糙部分毛糙部分)。 机械零件之所以产生疲劳断裂，是由于材料表面或内部有缺陷机械零件之所以产生疲劳断裂，是由于材料表面或内部有缺陷(夹杂、夹杂、划痕、尖角等划痕、尖角等)。这些地方的局部应力大于屈服点，从而产生局部塑性变。这些地方的局部应力大于屈服点，从而产生局部塑性变形而导致开裂。这些微裂缝随应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至最形而导致开裂。这些微裂缝随应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至最后载的截面大大减小，以致不能承受所加载荷而突然断裂。后载的截面大大减小，以致不能承受所加载荷而突然断裂。 14:40:31 前面讨论的力学性能，都是假定材料是前面讨论的力学性能，
38、都是假定材料是均气、连续、均气、连续、各向同性各向同性的。以这些假设为依据的设计方法称为常规设计的。以这些假设为依据的设计方法称为常规设计方法。根据常规方法分析认为是安全的设计，有时会发生方法。根据常规方法分析认为是安全的设计，有时会发生意外断裂事故。研究这种在高强度金属材料中发生的低应意外断裂事故。研究这种在高强度金属材料中发生的低应力脆性断裂，发现前述假设是不成立的。力脆性断裂，发现前述假设是不成立的。 实际上实际上，材料的组织远非是均匀、各向同性的，组织，材料的组织远非是均匀、各向同性的，组织中有微裂纹，还会有夹杂、气孔等宏观缺陷，这些缺陷可中有微裂纹，还会有夹杂、气孔等宏观缺陷，这些缺
39、陷可看成是材料中的裂纹。当材料受外力作用时，这些裂纹的看成是材料中的裂纹。当材料受外力作用时，这些裂纹的尖端附近便出现应力集中，形成一个裂纹尖端的应力场。尖端附近便出现应力集中，形成一个裂纹尖端的应力场。 断裂韧度断裂韧度是用来反映材料抵抗裂纹失稳扩展，即抵抗是用来反映材料抵抗裂纹失稳扩展，即抵抗脆性断裂能力的性能指标。当脆性断裂能力的性能指标。当KIKIC时，裂纹扩展很慢或不时，裂纹扩展很慢或不扩展；当扩展；当KI KIC时，则材料发生失稳脆断。这是一项重要的时，则材料发生失稳脆断。这是一项重要的判据，可用来分析和计算一些实际问题。判据，可用来分析和计算一些实际问题。 三、断裂韧度三、断裂韧
40、度14:40:31 断裂韧度测定断裂韧度测定是把试验材料制成一定形是把试验材料制成一定形状和尺寸的试样，在试样上预制出能反映材料状和尺寸的试样，在试样上预制出能反映材料实际情况的疲劳裂纹，然后施加载荷。试验中实际情况的疲劳裂纹，然后施加载荷。试验中用仪器自动记录并绘出外力和裂纹扩展的关系用仪器自动记录并绘出外力和裂纹扩展的关系曲线，经过计算和分析，确定断裂韧度。曲线，经过计算和分析，确定断裂韧度。 断裂韧度是材料断裂韧度是材料固有的固有的力学性能指标，力学性能指标，是是强度和韧性强度和韧性的综合体现。它与裂纹的大小、的综合体现。它与裂纹的大小、形状、外加应力等无关，主要形状、外加应力等无关，主
41、要取决取决于材料的成于材料的成分、内部组织和结构。分、内部组织和结构。14:40:31 高压蒸气锅炉、汽轮机、内燃机、航空航天发动机、高压蒸气锅炉、汽轮机、内燃机、航空航天发动机、炼油设备等机器设备中的一些构件是长期在较高温度炼油设备等机器设备中的一些构件是长期在较高温度下运行的。对这类构件仅考虑常温下的力学性能是不下运行的。对这类构件仅考虑常温下的力学性能是不行的。行的。一方面一方面是因为温度对材料力学性能指标影响较是因为温度对材料力学性能指标影响较大。随着温度升高，强度、刚度、硬度要下降，塑性大。随着温度升高，强度、刚度、硬度要下降，塑性要增加。要增加。另一方面另一方面是在较高温度下，载荷
42、的持续时是在较高温度下，载荷的持续时间对力学性能也有影响，会产生明显的蠕变。间对力学性能也有影响，会产生明显的蠕变。 金属的蠕变金属的蠕变是指在长时间的恒温、恒应力作用下是指在长时间的恒温、恒应力作用下即使应力小于该温度下的屈服点也会缓慢地产生塑性即使应力小于该温度下的屈服点也会缓慢地产生塑性变形的现象。变形的现象。 因此，对材料在高温下的力学性能的评定还需要建因此，对材料在高温下的力学性能的评定还需要建立另外的一些力学性能指标。主要有立另外的一些力学性能指标。主要有蠕变极限蠕变极限和和持久持久强度强度。四、高温下材料的力学性能四、高温下材料的力学性能14:40:31蠕变极限蠕变极限是指在高温
43、下载荷长期作用时，材料对蠕变的是指在高温下载荷长期作用时，材料对蠕变的抵抗能力。抵抗能力。 持久强度持久强度是指在高温下载荷长期作用时材料对断裂的是指在高温下载荷长期作用时材料对断裂的抵抗能力。抵抗能力。 对于在对于在高温下运转高温下运转，只考虑在给定载荷下使用寿命，只考虑在给定载荷下使用寿命长短的构件来说，材料的持久强度这个力学性能指标是长短的构件来说，材料的持久强度这个力学性能指标是很重要的。很重要的。 一般说，对于金属材料只有当温度高于一般说，对于金属材料只有当温度高于0.3倍材料熔倍材料熔点（点（Tm）时，蠕变现象才明显。如：碳素钢工作温度）时，蠕变现象才明显。如：碳素钢工作温度高于高于300；合金钢工作温度高于；合金钢工作温度高于400时必须考虑蠕变时必须考虑蠕变现象的影响。现象的影响。 对于某些有机高分子材料在室温下亦会发生明显的对于某些有机高分子材料在室温下亦会发生明显的蠕变现象。这是使用高分子材料制作构件时要加以注意蠕变现象。这是使用高分子材料制作构件时要加以注意的。的。 14:40:31
