1、 工工 程程 材材 料料 学学南京航空航天大学 梁文萍n材料的静载力学性能材料的静载力学性能 拉伸试验拉伸试验 硬度硬度第一章 材料的力学性能n材料的动载载力学性能材料的动载载力学性能 冲击试验冲击试验 疲劳试验疲劳试验n断裂韧性断裂韧性学习目的和要求1.理解材料常用力学性能指标的理解材料常用力学性能指标的物理意义物理意义。2. 了解了解强度强度、塑性塑性、硬度硬度及及冲击韧性冲击韧性指标的指标的测试方法测试方法以以 及使用这些指标时应注意的及使用这些指标时应注意的局限性局限性，重点掌握，重点掌握布氏硬度布氏硬度和和洛氏硬度洛氏硬度的的优缺点优缺点、相互关系相互关系以及以及应用场合应用场合。材
2、料的性能：材料的性能：材料在外界因素作用下所表现材料在外界因素作用下所表现出来的行为。出来的行为。n力学性能力学性能n物理性能物理性能n化学性能化学性能n工艺性能工艺性能11 材料的力学性能材料的力学性能1.1.1 1.1.1 概念与定义概念与定义材料的力学性能：材料的力学性能：1.1.1 1.1.1 概念与定义概念与定义材料在一定环境因素下承受外加载荷所表材料在一定环境因素下承受外加载荷所表现出来的行为，通常表现为变形（几何形状和现出来的行为，通常表现为变形（几何形状和尺寸的变化）与断裂。尺寸的变化）与断裂。材料的力学性能：材料的力学性能： n不同的工作条件和环境下，对力学性能的要求与侧重各
3、有不同的工作条件和环境下，对力学性能的要求与侧重各有不同。不同。1.1.1 1.1.1 概念与定义概念与定义n材料用于结构零件时，其力学性能是工程设计的基本依据；材料用于结构零件时，其力学性能是工程设计的基本依据；以其它性能如物理、化学性能作为主要使用要求时，其力以其它性能如物理、化学性能作为主要使用要求时，其力学性能同样也是设计的重要参考依据。学性能同样也是设计的重要参考依据。1.1.2 1.1.2 材料力学性能指标材料力学性能指标12 材料的静载力学性能材料的静载力学性能静载荷：静载荷： 是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。材料的静载力学性能指标：材料的静载
4、力学性能指标： 主要有主要有强度、塑性、硬度强度、塑性、硬度等。等。1.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验1.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验标标 准准 拉拉 伸伸 试试 样样GB/T228-2002GB/T228-2002拉伸曲线拉伸曲线应力应力- -应变曲线应变曲线应力应力F / S0 应变应变l / l01.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验1.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验试样在拉伸时的伸长和断裂过程试样在拉伸时的伸长和断裂过程a a）试样）试样 b b）伸长）伸长 c c）产生缩颈）产生缩颈 d d）断裂）断裂 拉伸曲线拉伸曲线分成分成弹性变形弹性变形、屈服屈服、均匀塑
5、性变形均匀塑性变形和和局部塑局部塑性变形性变形等四个阶段。等四个阶段。1.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验4545号钢的外力号钢的外力- -伸长曲线伸长曲线 1.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验1弹性变形阶段（曲线弹性变形阶段（曲线ob段）段）在这个阶段中试样的变形是弹性的。如果在试验过程中卸除拉在这个阶段中试样的变形是弹性的。如果在试验过程中卸除拉力力F，则试样的伸长便消失，试样标距恢复到原长，则试样的伸长便消失，试样标距恢复到原长L0，不产生，不产生残余伸长。超过残余伸长。超过b点它就会产生塑性变形。点它就会产生塑性变形。b点所对应的外力为点所对应的外力为试样产生试样产生弹性变形的
6、极限外力弹性变形的极限外力，以，以Fe表示。表示。 1.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验1弹性变形阶段（曲线弹性变形阶段（曲线ob段）段）在弹性变形阶段内的在弹性变形阶段内的oa段，试样的伸长与外力成正比例直线关段，试样的伸长与外力成正比例直线关系，即每增加一定外力，就对应一定的伸长量，因此，系，即每增加一定外力，就对应一定的伸长量，因此，oa段也段也称为线弹性变形阶段。一旦外力超过曲线上的称为线弹性变形阶段。一旦外力超过曲线上的a点时，正比例关点时，正比例关系就破坏了。而该点对应的外力系就破坏了。而该点对应的外力Fp称为称为比例变形的极限外力比例变形的极限外力。ab段为弹性变形的非线性阶
7、段，此阶段很短，一般不容易观察段为弹性变形的非线性阶段，此阶段很短，一般不容易观察到。到。 2屈服阶段（曲线屈服阶段（曲线cd段）段）1.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验当拉力超过当拉力超过Fe后继续增加，达到后继续增加，达到Fs（即曲线上（即曲线上c点）时，试样点）时，试样的伸长突然增加。在拉伸曲线上表现为一横平线段的伸长突然增加。在拉伸曲线上表现为一横平线段cd。它说明。它说明此时拉力虽然没有增加，但试样好象屈服于外力而自行伸长，此时拉力虽然没有增加，但试样好象屈服于外力而自行伸长，这种现象称为屈服现象。这种现象称为屈服现象。cd段称为段称为屈服阶段屈服阶段，它所对应的外力，它所对应的
8、外力称为屈服力，以称为屈服力，以Fs表示。表示。2屈服阶段（曲线屈服阶段（曲线cd段）段）1.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验其实，试样在超过弹性极限的外力作用下，即在其实，试样在超过弹性极限的外力作用下，即在bc段就已开段就已开始产生塑性变形。不过，此时所产生的塑性变形量甚微，不易始产生塑性变形。不过，此时所产生的塑性变形量甚微，不易觉察罢了。而当达到屈服阶段时，则塑性变形突然增加。因此，觉察罢了。而当达到屈服阶段时，则塑性变形突然增加。因此，可以把这种可以把这种拉力不增加而变形仍能继续增加的现象拉力不增加而变形仍能继续增加的现象，表观上看，表观上看作是金属从弹性变形阶段到塑性变形阶段的
9、作是金属从弹性变形阶段到塑性变形阶段的个明显标志。个明显标志。3均匀塑形变形阶段（曲线均匀塑形变形阶段（曲线de段）段） 1.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验试样在屈服力试样在屈服力Fs作用下，屈服变形直至作用下，屈服变形直至d点，至此，屈服阶段点，至此，屈服阶段已告结束。此后必须进一步增加拉力才能使试样进一步伸长。已告结束。此后必须进一步增加拉力才能使试样进一步伸长。在在de这一阶段中，金属变形具有另一种特点即这一阶段中，金属变形具有另一种特点即随着变形量的随着变形量的增加金属不断强化增加金属不断强化，这种现象称为，这种现象称为加工硬化加工硬化（或变形强化）。（或变形强化）。表现在拉伸曲
10、线上就是表现在拉伸曲线上就是de段不断上升。段不断上升。 3均匀塑形变形阶段（曲线均匀塑形变形阶段（曲线de段）段） 1.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验在此阶段中，试样的一部分产生塑性变形，虽然这一部分截面在此阶段中，试样的一部分产生塑性变形，虽然这一部分截面减小，使此处承受负荷能力下降。但由于变形强化的作用而阻减小，使此处承受负荷能力下降。但由于变形强化的作用而阻止塑性变形在此处继续发展，使变形推移到试样的其它部位。止塑性变形在此处继续发展，使变形推移到试样的其它部位。这样、变形和强化交替进行，就使试样各部位产生了宏观上均这样、变形和强化交替进行，就使试样各部位产生了宏观上均匀的塑性变
11、形。曲线上的匀的塑性变形。曲线上的d点是屈服阶段结束点也是点是屈服阶段结束点也是加工硬化开加工硬化开始点始点。4局部塑形变形阶段（曲线局部塑形变形阶段（曲线ef段）段） 1.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验在在de里，随着变形量的增加，变形强化能力逐渐减小，终于发里，随着变形量的增加，变形强化能力逐渐减小，终于发生变形强化跟不上变形的发展，从而塑性变形集中在试样的某生变形强化跟不上变形的发展，从而塑性变形集中在试样的某一部位进行，致使该处截面不断减小，而形成一部位进行，致使该处截面不断减小，而形成“缩颈缩颈”现象。现象。这样，试样从产生缩颈开始就结束了均匀塑性变形阶段而进入这样，试样从产生
12、缩颈开始就结束了均匀塑性变形阶段而进入局部塑性变形阶段，其分界处就是拉伸曲线上最高的局部塑性变形阶段，其分界处就是拉伸曲线上最高的e点。点。4局部塑形变形阶段（曲线局部塑形变形阶段（曲线ef段）段） 1.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验在这一阶段，变形将全部局限于试样的缩颈处使缩颈部位的在这一阶段，变形将全部局限于试样的缩颈处使缩颈部位的横截面积急剧减小。因此外力横截面积急剧减小。因此外力F不断降低，缩颈部位仍继续伸不断降低，缩颈部位仍继续伸长，最后就在缩颈处产生断裂。拉伸曲线上与长，最后就在缩颈处产生断裂。拉伸曲线上与e点相对应的外力点相对应的外力Fb为试样为试样断裂前所能承受的最大拉力
13、断裂前所能承受的最大拉力。1.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验应力应力-应变曲线应变曲线低碳钢的应力低碳钢的应力- -应变曲线应变曲线1.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验应力应力-应变曲线应变曲线将拉伸力将拉伸力伸长曲线的纵、横坐标分别用拉伸试样的原伸长曲线的纵、横坐标分别用拉伸试样的原始截面积始截面积S0和原始标距长度和原始标距长度L0去除，则得到应力去除，则得到应力-应变曲应变曲线。因均系以一常数相除，故曲线形状不变。这样的曲线。因均系以一常数相除，故曲线形状不变。这样的曲线称为工程应力线称为工程应力-应变曲线。应变曲线。 应力应力F / S0 应变应变L/ L01. 弹性指标：弹
14、性指标：弹性变形弹性变形: : 随完全卸载而消失的变形。随完全卸载而消失的变形。 弹性弹性: : 金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢复到金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。原来形状及尺寸的性能。 刚性刚性: : 材料抵抗弹性变形的能力。材料抵抗弹性变形的能力。 比例极限比例极限p ： 金属拉伸曲线的初始阶段，力与变形成直线比例关系，而这个阶段金属拉伸曲线的初始阶段，力与变形成直线比例关系，而这个阶段的最大应力称为比例极限。的最大应力称为比例极限。弹性极限弹性极限e ： 完全卸载后不出现任何明显残余应变的最大应力完全卸载后不出现任何明显残余应变的最
15、大应力, , 即即: :1. 弹性指标：弹性指标：oeeSF弹性模量弹性模量E（在工程上也称材料的刚度在工程上也称材料的刚度） ： 应力应力- -应变曲线上完全弹性变形阶段应变曲线上完全弹性变形阶段, ,应力与应变的比值应力与应变的比值, ,即即: :E E主要取决于金属的本身性质，难以通过合金化、热处理和主要取决于金属的本身性质，难以通过合金化、热处理和加工的办法使之改变。加工的办法使之改变。1. 弹性指标：弹性指标：弹性模量弹性模量E （在工程上也称材料的刚度在工程上也称材料的刚度） ：1. 弹性指标：弹性指标：它表示材料在外载荷它表示材料在外载荷F作用下作用下抵抗弹性变形的能力抵抗弹性变
16、形的能力。材料的弹性模量。材料的弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对主要取决于结合键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，所以说它是一个它的影响不大，所以说它是一个对组织不敏感的性能指标对组织不敏感的性能指标，这是弹性，这是弹性模量在性能上的主要特点。改变材料的成分和组织会对材料的强度模量在性能上的主要特点。改变材料的成分和组织会对材料的强度（如屈服强度、抗拉强度）有显著影响，但对材料的刚度影响不大。（如屈服强度、抗拉强度）有显著影响，但对材料的刚度影响不大。 2. 强度指标：强度指标：强度：强度： 表征材料对变形和断裂的抗力的指标，单位为表
17、征材料对变形和断裂的抗力的指标，单位为MPa或或N/mm2。屈服强度屈服强度 s： 试样屈服时承受的最小应力试样屈服时承受的最小应力 。表征材料对明显塑性变形的抗力。表征材料对明显塑性变形的抗力。屈服是指拉伸过程中，应力不增加或有所下降而试样能继续变形的屈服是指拉伸过程中，应力不增加或有所下降而试样能继续变形的状态。状态。2. 强度指标：强度指标：条件屈服强度条件屈服强度0.2 ： 某些材料在拉伸试验中没有明显的屈服现象，规定产生某些材料在拉伸试验中没有明显的屈服现象，规定产生0.2%的残余变形时材料所承受的应力。的残余变形时材料所承受的应力。 强度极限（抗拉强度）强度极限（抗拉强度）b ：
18、试样能承受的最大应力。表征材料对最大均匀变形的抗力。试样能承受的最大应力。表征材料对最大均匀变形的抗力。 2. 强度指标：强度指标：比强度比强度 ： 材料的强度值与密度值之比材料的强度值与密度值之比名称名称密度密度(g / cm(g / cm3 3) )强度强度( MPa )( MPa )比强度比强度纯铝纯铝2.72.7808010010030303737纯铁纯铁7.877.8718018028028023233636纯钛纯钛4.54.54054055005009090111111塑性变形：塑性变形： 不可恢复的永久变形。塑性是表征材料断裂前具有塑性变不可恢复的永久变形。塑性是表征材料断裂前具
19、有塑性变形的能力。形的能力。 3. 塑性指标：塑性指标：断后伸长率断后伸长率（5、10）： 断后试样标距伸长量与原始标距之比的百分率，断后试样标距伸长量与原始标距之比的百分率，即：即：%10000LLLK 10% 属塑性材料属塑性材料3. 塑性指标：塑性指标： 断面收缩率断面收缩率： 断后试样横截面积的最大缩减量与原始横截面积之比的百分率，断后试样横截面积的最大缩减量与原始横截面积之比的百分率，即：即：%10000SSSK 材料的塑性指标一般不直接用于机械设计计算。材料的塑性指标一般不直接用于机械设计计算。3. 塑性指标：塑性指标：零件遭受意外过载或冲击时，通过塑性变形可以避免突然断裂。零件遭
20、受意外过载或冲击时，通过塑性变形可以避免突然断裂。材料具有一定塑性可保证某些成型工艺（如冷冲压、轧制、冷弯材料具有一定塑性可保证某些成型工艺（如冷冲压、轧制、冷弯等）顺利进行。等）顺利进行。对于金属材料，塑性指标还反映了其冶金质量的好坏。对于金属材料，塑性指标还反映了其冶金质量的好坏。力学性能力学性能性能指标性能指标说说 明明符号符号名称名称强度强度b抗拉强度抗拉强度试样在拉断前承受的最大应力值试样在拉断前承受的最大应力值s 屈服强度屈服强度材料开始产生屈服现象时的应力材料开始产生屈服现象时的应力0.2 条件屈服强度条件屈服强度对于无明显屈服的材料，规定残余应变为对于无明显屈服的材料，规定残余
21、应变为0.20.2时所对应的应力值时所对应的应力值塑性塑性（ 5、10）断后伸长率断后伸长率试样断后标距与原始标距之比的百分率，试样的长度试样断后标距与原始标距之比的百分率，试样的长度/ /直径比为直径比为5 5、1010时记为时记为5 5、1010断面收缩率断面收缩率试样拉断处横截面积减缩量与原始横截面积的百分比试样拉断处横截面积减缩量与原始横截面积的百分比弹性弹性e弹性极限弹性极限产生完全弹性变形时所能承受的最大应力产生完全弹性变形时所能承受的最大应力p比例极限比例极限产生弹性变形并完全符合虎克定律时所能承受的最大应力产生弹性变形并完全符合虎克定律时所能承受的最大应力刚性刚性E弹性模量弹性
22、模量完全弹性变形时应力与应变的比值，表征材料对弹性变形的抗力完全弹性变形时应力与应变的比值，表征材料对弹性变形的抗力拉伸试验的主要力学性能指标小结拉伸试验的主要力学性能指标小结1.2.2 1.2.2 硬度硬度n硬度是材料表面抵抗局部压入变形或刻划破裂等的硬度是材料表面抵抗局部压入变形或刻划破裂等的能力。能力。n工程中常用的硬度指标有：工程中常用的硬度指标有： 布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度硬度的种类及测试方法硬度的种类及测试方法硬度硬度试验试验方法方法压入法压入法划痕法划痕法加载速加载速率率静载静载 试验法试验法动载动载 试验法试验法布氏硬度布氏硬度洛氏硬度洛氏硬度维
23、氏硬度维氏硬度显微硬度显微硬度肖氏硬度肖氏硬度锤击布氏硬锤击布氏硬度度莫氏硬度莫氏硬度材料抵抗破断的能力材料抵抗破断的能力材料变形功的材料变形功的大小大小材料表明局部地区材料表明局部地区抵抗变形的能力抵抗变形的能力HB=F/SHB=F/S压痕深度压痕深度布氏硬度计布氏硬度计 1. 1. 布氏硬度布氏硬度( Brinell-hardness )( Brinell-hardness )n用于测定硬度不高的金属材料。用于测定硬度不高的金属材料。主要有铸铁、有色金属、低合主要有铸铁、有色金属、低合金结构钢、结构调质钢等。金结构钢、结构调质钢等。测定原理：测定原理： 用一定大小的载荷用一定大小的载荷P
24、P，把直径为，把直径为D D的淬的淬火钢球压入被测金属的表面，保持一定的火钢球压入被测金属的表面，保持一定的时间后卸除载荷，用金属压痕的表面积，时间后卸除载荷，用金属压痕的表面积，除载荷所得的商值即为布氏硬度值。除载荷所得的商值即为布氏硬度值。1. 1. 布氏硬度布氏硬度( Brinell-hardness )( Brinell-hardness )布氏硬度测量示意图布氏硬度测量示意图)(222dDDDFSFHBW适用范围适用范围: :v 450HBS450HBSv 650HBW650HBW布氏硬度测试规范：布氏硬度测试规范： 根据材料的软硬和试样的不同选择合适的载荷根据材料的软硬和试样的不同
25、选择合适的载荷P与钢球直径与钢球直径D。d/D应在应在0.240.6之间。之间。布氏硬度值的表示方法布氏硬度值的表示方法 符号符号HBS或或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序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分别表示球体直径（mm）、载荷及、载荷及（N）载荷保持时间载荷保持时间（s） 。 如如:120HBS10/1000/30表示直径为表示直径为10mm的钢球在的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120。 为了使同一材料用不同的为了使同一材料用不同的P P和和D D值测得的值测得的H
26、BHB值相同，值相同，应使应使P/DP/D2 2= =常数。常数。 压坑面积大，误差小，压坑面积大，误差小， 但不宜检验成品、小件、薄件；但不宜检验成品、小件、薄件； HBHB 650 650 不适；不适； 多用于毛坯及原材料。多用于毛坯及原材料。h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图2. 2.洛氏硬度洛氏硬度 HR ( Rockwell hardness )HR ( Rockwell hardness ) n测试原理：测试原理：用一定规格的压头，在一定载荷作用下压入试样表面，用一定规格的压头，在一定载荷作用下压入试样表面，然后测定压痕的深度来计算并表示其硬度的大小，用符号然后测定压痕
27、的深度来计算并表示其硬度的大小，用符号HRHR来表来表示。示。 2. 2.洛氏硬度洛氏硬度 HR ( Rockwell hardness )HR ( Rockwell hardness ) n主要有主要有HRAHRA、HRBHRB、HRCHRC、HRFHRF等。等。 洛氏硬度值的表示方法洛氏硬度值的表示方法 硬度值可从洛氏硬度计的百分度盘上直接读硬度值可从洛氏硬度计的百分度盘上直接读 出，标记时将硬度值置于出，标记时将硬度值置于HRHR前。前。 例：例：60HRC60HRC、75HRA75HRA迅速方便，可直接读数；迅速方便，可直接读数；压坑小，适于薄材或成品的检测；压坑小，适于薄材或成品的检
28、测；误差稍大，宜不同部位多点测量取平均值。误差稍大，宜不同部位多点测量取平均值。2. 2.洛氏硬度洛氏硬度 HR ( Rockwell hardness )HR ( Rockwell hardness )3. 3. 维氏硬度维氏硬度 HV (VikerHV (Vikers hardness)s hardness) 测试原理：测试原理： 维氏硬度测试原理与布氏硬度相同，维氏硬度测试原理与布氏硬度相同，不同点是压头为金刚石四方角锥体，所加不同点是压头为金刚石四方角锥体，所加负荷较小。所测硬度值精确。改变负荷可负荷较小。所测硬度值精确。改变负荷可测定从极软到极硬材料的硬度。测定从极软到极硬材料的硬度
29、。3. 3. 维氏硬度维氏硬度 HV (VikerHV (Vikers hardness)s hardness)维氏硬度值的表示方法维氏硬度值的表示方法适用范围适用范围: : 测量薄板类测量薄板类 HVHBSHVHBS 硬度值硬度值+HV+HV+试验力（试验力（kgfkgf）数字）数字+ +载荷保持时间载荷保持时间例：例：640HV30/20640HV30/20 HV HV值不随载荷变化，即不同载荷下的值不随载荷变化，即不同载荷下的HVHV可相互比较；可相互比较；测量精度高，测量范围广；测量精度高，测量范围广； 特别适用于测定工件表面硬化层、金属镀层及薄片金属的特别适用于测定工件表面硬化层、金
30、属镀层及薄片金属的硬度。硬度。4. 4. 显微硬度显微硬度测试原理：测试原理： 与维氏硬度完全相同，与维氏硬度完全相同，只是所用载荷要小得多。只是所用载荷要小得多。常用于测定材料中某个相常用于测定材料中某个相的硬度。的硬度。测试原理：测试原理： 里氏硬度试验也是动载荷试验法，它是用规定质量的冲里氏硬度试验也是动载荷试验法，它是用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定速度冲击试样表面，用冲头击体在弹力作用下以一定速度冲击试样表面，用冲头(碳化钨球碳化钨球)的回弹速度表征金属的硬度值。里氏硬度的符号为的回弹速度表征金属的硬度值。里氏硬度的符号为HL。5. 5. 里氏硬度（里氏硬度（LeebLeebs
31、hardnesss hardness）: : 里氏硬度计均为手提式，使用方便，可在现场测量大型里氏硬度计均为手提式，使用方便，可在现场测量大型工件的硬度。工件的硬度。5. 5. 里氏硬度（里氏硬度（LeebLeebs hardnesss hardness）: :1000ARvvHL几种硬度指标小结几种硬度指标小结硬度种类硬度种类硬度符号硬度符号压头类型压头类型载荷载荷/kgf/kgf硬度值有效范硬度值有效范围围典型应用典型应用布氏布氏HBSHBS 10mm10mm淬火淬火钢球钢球10001000450450退火、正火或调质退火、正火或调质钢件钢件HBWHBW 10mm10mm硬质硬质合金球合金
32、球10001000650650淬火钢等较硬材料淬火钢等较硬材料洛氏洛氏HRAHRA120120。金刚石金刚石圆锥圆锥606070-8570-85硬质合金、表面淬硬质合金、表面淬火钢火钢HRBHRB 1 1.588.588mmmm淬淬火钢球火钢球10010025-10025-100退火钢、有色合金退火钢、有色合金HRCHRC120120。金刚石金刚石圆锥圆锥15015020-6720-67一般淬火钢件一般淬火钢件维氏维氏HVHV136136 金刚石四金刚石四棱锥棱锥5 51201200-10000-1000经表面处理后的材经表面处理后的材料表面层料表面层13 动载力学性能动载力学性能n动载荷是指
33、由于运动而产生的作用在构件上的力。动载荷是指由于运动而产生的作用在构件上的力。n根据作用的性质不同分为交变载荷与冲击载荷。根据作用的性质不同分为交变载荷与冲击载荷。n动载力学性能指标主要有冲击韧性和疲劳强度。动载力学性能指标主要有冲击韧性和疲劳强度。1.3.1 1.3.1 冲击韧性冲击韧性韧性：韧性： 材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。 冲击韧性：冲击韧性： 是材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。常用一次是材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。常用一次弯曲冲击韧性试验弯曲冲击韧性试验ak值来表示。值来表示。 ak值值是带缺口标准试样快
34、速冲断是带缺口标准试样快速冲断时，单位横截面积吸收的功。冲击韧性是材料强度和塑性综合作时，单位横截面积吸收的功。冲击韧性是材料强度和塑性综合作用的结果。用的结果。一次弯曲冲击韧性试验一次弯曲冲击韧性试验试样：夏比试样：夏比U U型缺口试样（梅氏试样）型缺口试样（梅氏试样） 夏比夏比V V型缺口试样（夏氏试样）型缺口试样（夏氏试样）试样冲断时所消耗的冲击功试样冲断时所消耗的冲击功Ak为为: A k = m g H m g h (J)冲击韧性值冲击韧性值ak：SAKK（J/cm2）Hh材料的韧性，表示材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的材料的韧性，表示材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力能力；
35、 对材料内部缺陷、显微组织变化敏感，可检验材料冶金质量对材料内部缺陷、显微组织变化敏感，可检验材料冶金质量与热加工质量与热加工质量; 受大能量冲击的机件，需一定受大能量冲击的机件，需一定 k以保证安全，但以保证安全，但 k值无法用值无法用于零件设计计算，只能根据经验提出于零件设计计算，只能根据经验提出 k值要求。值要求。1.3.2 1.3.2 疲劳强度疲劳强度交变载荷：交变载荷： 方向、大小随时间呈周期循环性变化的载荷。方向、大小随时间呈周期循环性变化的载荷。循环应力：循环应力：周期性变动载荷作用下产生周期性变动载荷作用下产生循环周次循环周次循环应力特征参数：循环应力特征参数：最大应力最大应力
36、 maxmax、最小应力、最小应力 minmin、 应力半幅应力半幅 a a、平均应力、平均应力 m m 应力循环对称系数应力循环对称系数r= r= minmin / / maxmax疲劳断裂：疲劳断裂：定义定义：机件在交变载荷作用下，在长时间工作后发生突然断裂的现：机件在交变载荷作用下，在长时间工作后发生突然断裂的现象。象。机理机理:在交变载荷作用下，材料表面应力集中处和材料内部缺陷处在交变载荷作用下，材料表面应力集中处和材料内部缺陷处首先产生疲劳裂纹，并随应力循环周次的增加，疲劳裂纹不断扩展，首先产生疲劳裂纹，并随应力循环周次的增加，疲劳裂纹不断扩展，甚至零件的有效横截面面积不能承受外载荷
37、时突然断裂。甚至零件的有效横截面面积不能承受外载荷时突然断裂。特点特点：断裂时的应力远低于静载下的抗拉强度甚至屈服强度；断裂时的应力远低于静载下的抗拉强度甚至屈服强度；无明显塑性变形；无明显塑性变形；无预兆、突然发生。无预兆、突然发生。测定：测定： 旋转弯曲疲劳试验旋转弯曲疲劳试验疲劳强度疲劳强度 ： 材料经无限次循环而不发生断裂的最小应力。表征了材材料经无限次循环而不发生断裂的最小应力。表征了材料抵抗疲劳断裂的能力。料抵抗疲劳断裂的能力。-1-1 ：材料承受对称循环交变应力时的疲劳强度。有色金属的循环次数一般取有色金属的循环次数一般取 N = 10N = 108 8钢材的循环次数一般取钢材的
38、循环次数一般取疲劳断裂的危害性：疲劳断裂的危害性： 机件断裂机件断裂80%80%是疲劳断裂；是疲劳断裂； 突发性，难以防范；突发性，难以防范； 低应力脆断。低应力脆断。影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素 常用的工程材料中，金属的疲劳抗力最高（常用的工程材料中，金属的疲劳抗力最高（钢的钢的-1/b约为约为4050%，有色金属约为，有色金属约为2550%），所以抗疲劳机件几乎都选用），所以抗疲劳机件几乎都选用金属材料；陶瓷与聚合物的疲劳抗力很低，不能用于制造承受交金属材料；陶瓷与聚合物的疲劳抗力很低，不能用于制造承受交变载荷的零件；纤维增强复合材料也有比较好的抗疲劳性能，处变载荷的零件；纤维增强
39、复合材料也有比较好的抗疲劳性能，处于交变载荷下工作的应用正逐渐增多。于交变载荷下工作的应用正逐渐增多。影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素提高零件的疲劳强度可通过如下途径：提高零件的疲劳强度可通过如下途径： 合理选材；合理选材； 改善零件的形状与结构；改善零件的形状与结构； 减少材料的缺陷；减少材料的缺陷； 降低零件表面的粗糙度；降低零件表面的粗糙度； 对零件表面进行强化等。对零件表面进行强化等。14 材料的断裂韧性材料的断裂韧性低应力脆断：低应力脆断： 一些大型零件在远低于材料的屈服强度的应力值作用下发一些大型零件在远低于材料的屈服强度的应力值作用下发生的脆性断裂。生的脆性断裂。 低应力脆断
40、是由于材料本身固有微裂纹，在应力的作用下低应力脆断是由于材料本身固有微裂纹，在应力的作用下失稳扩展的结果。失稳扩展的结果。断裂韧性断裂韧性：材料抵抗裂纹失稳扩展能力的性能指标。材料抵抗裂纹失稳扩展能力的性能指标。裂纹尖端的应力集中现象和应力场强度因子：裂纹尖端的应力集中现象和应力场强度因子：aYKI应力强度因子应力强度因子K是表达裂纹运动规律的函数，是裂纹体所受各种外是表达裂纹运动规律的函数，是裂纹体所受各种外力在裂纹顶端产生效果的综合体现，这种效果通过力在裂纹顶端产生效果的综合体现，这种效果通过 f (Y，a) 表现表现出来。因此，对于一定形状和尺寸的裂纹，在一定的应力环境中，出来。因此，对
41、于一定形状和尺寸的裂纹，在一定的应力环境中，其应力强度因子是惟一确定的，也因此而有确定的运动规律。其应力强度因子是惟一确定的，也因此而有确定的运动规律。断裂韧性（断裂韧性（KI c) )： 一个有裂纹的试样，在所加拉力逐渐增加，或裂纹逐渐扩展时，裂一个有裂纹的试样，在所加拉力逐渐增加，或裂纹逐渐扩展时，裂纹尖端的应力场强度因子纹尖端的应力场强度因子K KI I也随之逐渐增大，当也随之逐渐增大，当K KI I达到临界值时，裂达到临界值时，裂纹将产生突然的失稳扩展，这个应力场强度因子的临界值，称为材纹将产生突然的失稳扩展，这个应力场强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性。如果裂纹尖端处于平面应变状态
42、，则断裂韧性的值料的断裂韧性。如果裂纹尖端处于平面应变状态，则断裂韧性的值最低，称为平面应变断裂韧性，用最低，称为平面应变断裂韧性，用KI c表示。表示。 KI 和和 KIC是两个不同的概念。两者的区别是两个不同的概念。两者的区别类似于类似于与与s 的区别。的区别。 KI 和和对应，都对应，都是是力学参量，只和载荷及力学参量，只和载荷及试样尺寸有关，而和材料无关；试样尺寸有关，而和材料无关； KIC和和s对应，都是力学性能指标，只和对应，都是力学性能指标，只和材料成分、组织结构有关，而和载荷及试样材料成分、组织结构有关，而和载荷及试样尺寸无关。尺寸无关。 金属材料的金属材料的KI c值最高，复
43、合材料次之，高分子材料和陶瓷最值最高，复合材料次之，高分子材料和陶瓷最低。低。 断裂韧性（断裂韧性（ K KI cI c) ) 反映了材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。它与反映了材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。它与裂纹本身的大小、形状以及外加应力的大小均无关。只与材料的裂纹本身的大小、形状以及外加应力的大小均无关。只与材料的成分、热处理及加工工艺有关。成分、热处理及加工工艺有关。断裂断裂K K判据判据 当当K K K K 裂纹失稳扩展而断裂裂纹失稳扩展而断裂15 其他力学性能其他力学性能磨损磨损 黏着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、接触疲劳黏着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、接触疲劳材料的高温性能材料的高温性能 1
44、. 1.蠕变蠕变 材料在长时间的恒温、恒应力作用下，即使应力小于屈服强材料在长时间的恒温、恒应力作用下，即使应力小于屈服强度，也会发生缓慢塑性变形的现象。度，也会发生缓慢塑性变形的现象。2. 2.应力松弛应力松弛 承受弹性变形的零件在工作中总变形量保持不变，但随时承受弹性变形的零件在工作中总变形量保持不变，但随时间的延长工作应力自行衰减的现象。间的延长工作应力自行衰减的现象。3. 3.蠕变强度蠕变强度 材料在一定温度下、一定时间内产生一定永久变形量所能材料在一定温度下、一定时间内产生一定永久变形量所能承受的最大应力。承受的最大应力。4. 4.持久强度持久强度 材料在一定温度下、一定时间内所能承受的最大应力。材料在一定温度下、一定时间内所能承受的最大应力。
