1、第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能第一章 金属材料的力学性能 n第一节 强度、刚度、弹性及塑性n第二节 硬度n第三节 冲击韧性n第四节 断裂韧度n第五节 疲劳第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能 材料的性能是表征材料在外界条件作用材料的性能是表征材料在外界条件作用下的行为。下的行为。材料的性能主要体现在两个方面材料的性能主要体现在两个方面:1.使用性能：使用性能：2.工艺性能：工艺性能：第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能金属材料的性能金属材料的性能1）使用性能使用性能力学性能、物理性能、化学性能。力学性能力学性能（机械性能）材料在不同环境因素 下抵抗外加载荷作用的能
2、力。(强度、塑性、刚度、弹性、硬度、冲击韧性、断裂韧度、疲劳等)2 2）工艺性能）工艺性能：在各种加工过程中表现出来的性能。(铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削性能)第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能第一节第一节 强度、刚度、弹性及塑性强度、刚度、弹性及塑性n静载荷静载荷是指对材料缓慢地施加载荷，使材是指对材料缓慢地施加载荷，使材料的相对变形速度较小（一般小于料的相对变形速度较小（一般小于0.010.01mm/smm/s）。）。n动载荷动载荷（1）是指加载速度比较快，使材）是指加载速度比较快，使材料的塑性变形速度也较快的冲击载荷。料的塑性变形速度也较快的冲击载荷。（2）作用力大小与方
3、向作周期性变化的交变载）作用力大小与方向作周期性变化的交变载荷。荷。第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能一、低碳钢应力应变曲线标准拉伸试样（GB2282002）l L0试样原始标距长度试样原始标距长度（mm）l d0试样的原始直径（试样的原始直径（mm）l长试样长试样L0=10d0 ；短试样短试样L0=5d0第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能静拉伸试验机第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能1、低碳钢拉伸曲线第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能曲线分为曲线分为四阶段：四阶段：1 1弹性变弹性变形阶段形阶段拉力加大拉力加
4、大到到FpFp时时,为直为直线阶段。线阶段。第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能2 2阶段阶段 屈服变形屈服变形屈服拉力：屈服拉力：FsFs第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能3 3阶段阶段IIIIII为较均匀的塑为较均匀的塑性变形阶段性变形阶段 F Fb b为材料所能为材料所能承受的最大载承受的最大载荷荷 第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能4 4阶段阶段IVIV局部集中塑局部集中塑性变形出现性变形出现颈缩颈缩 断断裂裂第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能2、低碳钢应力应变曲线=F/A0=L/L0L=Lk L0 低碳钢拉伸曲线低碳钢拉伸曲线第一章金属材料力学性
5、能第一章金属材料力学性能低碳钢应力应变曲线第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能n弹性变形弹性变形是指当外力解除后变形能够全部消是指当外力解除后变形能够全部消除恢复原状的变形。除恢复原状的变形。n弹性模量弹性模量材料产生单位弹性变形所需应力。材料产生单位弹性变形所需应力。E=/=tgn材料刚度材料刚度工程上表征材料抵抗弹性变形能力。工程上表征材料抵抗弹性变形能力。二、刚度和弹性二、刚度和弹性1 1、弹性模量、弹性模量第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能n弹性极限弹性极限 e=Fe/A0 n物理意义物理意义材料在不产生塑性变形时材料在不产生塑性变形时所能承受的最大应力值。所能承受的
6、最大应力值。n（极）微量塑性变形零件设计与选材的（极）微量塑性变形零件设计与选材的重要依据。重要依据。2 2、弹性极限、弹性极限 第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能n强度强度是指在外力作用下，材料抵抗永久变是指在外力作用下，材料抵抗永久变形和断裂的能力。形和断裂的能力。n屈服点（屈服强度）屈服点（屈服强度）：s=Fs/A0n物理意义物理意义材料在外力作用下开始产生明显材料在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力，即材料抵抗微量塑性变塑性变形的最小应力，即材料抵抗微量塑性变形的能力。形的能力。n屈服强度是机械零件设计的主要依据。屈服强度是机械零件设计的主要依据。三、材料的强度1、屈服
7、点s第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能n许多材料在受力时许多材料在受力时无明显屈服点，如无明显屈服点，如中高碳钢、合金钢中高碳钢、合金钢和有色合金材料等。和有色合金材料等。将发生将发生0.2%残余残余应变时的应力作为应变时的应力作为屈服强度，用屈服强度，用0.2 表示。表示。第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能2、抗拉强度n抗拉强度抗拉强度 b=Fb/A0n物理意义物理意义材料断裂前所承受的最大材料断裂前所承受的最大应力值，表示材料抵抗断裂的能力。应力值，表示材料抵抗断裂的能力。n屈强比屈强比 s /b 材料的屈强比愈小，构件的可靠性愈高。材料的屈强比愈小，构件的可靠性愈高。
8、第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能四、材料的塑性四、材料的塑性1 1、伸长率、伸长率n材料塑性材料塑性：材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。n伸长率伸长率：试样拉断后标距长度的相对伸长值。短试样的伸长率记为5（L0=5d0）长试样的伸长率记为10或（L0=10d0）对于同一种塑性材料510%100%100000lllllk第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能2 2、断面收缩率、断面收缩率n断面收缩率断面收缩率：是指试样拉断后断口处横截面积的相对收缩值。n断面收缩率与试样尺寸无关；n金属材料只有具备足够的塑性才能承受各种变形加工。%100%1000010AAAAA第一章
9、金属材料力学性能第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能第二节第二节 硬度硬度n硬度硬度是衡量材料软硬程度的力学性能指标，是材料抵抗局部塑性变形的能力，或者说抵抗硬物压入的能力。n重要零件或零件的重要部位大多规定硬度值：（1）硬度测量简便迅速，不需做试样,不需破坏试件；（2）多数金属材料抗拉强度可根据硬度值进行估算；（3）硬度与材料的加工性能存在一定的联系。n硬度计种类：硬度计种类：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、维氏硬度（HV）第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能 一、布氏硬度（HB）n物理意义：压痕表面上单位面积所承受的压力。物理意义：压痕表面上单位面
10、积所承受的压力。第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能布氏硬度测量原理及计算AFHB 222dDDDA图 3 布氏硬度原理图工件压头第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能 布氏硬度的表示方法n标准写法：布氏硬度值，布氏硬度符号，测试条件（压头直径mm/试验力kgf/试验力作用时间s）。如：200HBS 2.5/187.5/30n简单写法：200HBSn淬火钢球压头HBS最大有效测量值为450HBSn硬质合金压头HBW最大有效测量值为650HBW 第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能 二、洛氏硬度（HR）n洛氏硬度洛氏硬度是以压头压入金属材料的压痕深度压痕深度来表征材料的硬度
11、。n压头压头：1）锥顶角为120的金刚石圆锥；2）1.588mm的淬火钢球。n压痕的深度直接可用百分表测出来，不需另外的测量和计算，十分方便，效率高效率高，是实际生产中使用最普遍的一种硬度测量方法。第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能 洛氏硬度计洛氏硬度计洛氏硬度测量原理002.0ekHRl h h为压痕深度为压痕深度l 金刚石压头金刚石压头k=0.2 k=0.2 l 刚球压头刚球压头k=0.26k=0.26l P P0 0为初载荷为初载荷l P P1 1为主载荷为主载荷l P=P P=P0 0+P+P1 1图图 4 4 洛氏硬度原理图洛氏硬度原理图h第一章金属材料力学性能第一章金属材
12、料力学性能三种洛氏硬度试验条件标值标值压头类型压头类型初载荷初载荷（kgfkgf）总载荷总载荷（kgfkgf）测试范围测试范围应用举例应用举例HRA1200金刚石圆锥10602088硬质合金、表面淬硬层、渗碳层HRB1.588mm淬火钢球1010020100有色金属、退火钢、正火钢HRC1200金刚石圆锥101502070淬火钢、调质钢 总载荷总载荷=初载荷初载荷+主载荷主载荷第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕三、维氏硬度（HV）第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能维氏硬度原理（HV）1、维氏硬度：、
13、维氏硬度：以正四棱锥金刚石 为压头的硬度测量方法。2、维氏硬度维氏硬度定义：定义：与布氏硬度相 同，即压痕表面上单位面积所 承受的压力。3、硬度值计算公式：2102.08544.1dFAFHV图图 5 5 维氏硬度原理图维氏硬度原理图第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能n布氏硬度压痕面积大，代表性好（准确），效率低；适合测试硬度较低的材料；不适合测量薄件和成品件。n洛氏硬度压痕面积小，代表性较差，通常要取三点平均值作为测试结果；测试极为方便，最为常用；一般用于较高硬度的测量。n维氏硬度非常准确；从低硬度到高硬度均可测量；测试设备昂贵，科学研究用该方法较多。n各种硬度值可进行粗略换算：三
14、种硬度测试方法优缺点HBWHV10HRC第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能第三节 冲击韧性n静载荷静载荷 是指对材料缓慢地施加载荷，使材料的相对变形速度较小时的载荷（一般是小于0.01mm/s）。n动载荷动载荷 （1）是指加载速度比较快，使材料的塑性变形速度较快的冲击载荷，锻床、冲床等。（2）作用力大小与方向作周期性变化的交变载荷，如轴、弹簧、齿轮等。第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能一、冲击韧性n冲击韧性冲击韧性：金属材料在冲击载荷作用下，抵抗破坏的能力。用冲击吸收功来衡量材料的冲击韧性。n计算公式：n冲击韧度：0AAakkAk=mgH第一章金属材料力学性能第一章金属材料
15、力学性能 摆锤冲击试验摆锤冲击试验第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能试样种类尺寸：10mm10mm55mm 无缺口V型缺口U型缺口第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能n对于一般常用钢材来说，冲击吸收功越大，材料的韧性越好。n材料的冲击韧度值除了取决于材料本身之外，还与环境温度环境温度及缺口的状况缺口的状况密切相关。n冲击韧度除了用来表征材料的韧性大小外，还用来测量韧脆转变温度韧脆转变温度。n冲击韧度反映材料的冶金质量冶金质量和热加工产品质热加工产品质量量。二、冲击试验应用 第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能韧脆转变温度韧脆转变温度第一章金属材料力学性能第一章金属材料
16、力学性能 Ductile and Brittle FracturesDuctile fractureBrittle Fracture39第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂第四节第四节 断裂韧度断裂韧度 材料在屈服强度以下发生材料在屈服强度以下发生的断裂称为低应力脆断。的断裂称为低应力脆断。材料中总是存在缺陷，在应材料中总是存在缺陷，在应力作用下，裂纹将发生扩展，力作用下，裂纹将发生扩展，一旦扩展失稳，就会发生低应一旦扩展失稳，就会发生低应力脆性断裂。力脆性断裂。材料抵抗内部裂纹失稳扩展材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力称为断裂韧度。的能力
17、称为断裂韧度。第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能一、裂纹扩展形式一、裂纹扩展形式nMode：张开型：张开型nMode：滑开型：滑开型nMode：撕开型：撕开型第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能n材料存在缺陷，使材料内部结构不连续，可把缺陷看成是材料的裂纹，在裂纹尖端前沿有应力集中产生，形成一个裂纹尖端应力场。在材料承受载荷后，可能导致已有微裂纹的扩展，当裂纹尺寸到达某个临界值时突然断裂。第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能 二、应力场强度因子与断裂韧度二、应力场强度因子与断裂韧度n裂纹的尖端前沿存在应力集中，形成裂纹尖端的应力场，大小可用应力强度因子K1来描述：n应
18、力强度因子的临界值称为材料的断裂韧度，用K KIcIc表示。n它反应材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力，是强度和韧性的综合体现。K K1 1=Ya=Ya第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能式中式中 c-裂纹扩展时的临界状态所对应的断裂应力裂纹扩展时的临界状态所对应的断裂应力 ac-裂纹扩展时的临界状态所对应的临界裂纹尺寸裂纹扩展时的临界状态所对应的临界裂纹尺寸1.测定测定KIc和和ac后，可确定后，可确定c，为载荷设计提供依据。，为载荷设计提供依据。2.已知已知KIc和临界工作应力和临界工作应力c，可确定最大裂纹尺寸，可确定最大裂纹尺寸ac。3.根据根据c及及ac，可确定材料应有的断裂
19、韧度，可确定材料应有的断裂韧度KIc 正确选材料正确选材料。ccIcaYK三、断裂韧度及应用三、断裂韧度及应用第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能第五节 疲劳强度n疲劳：工程上一些机件工作时受交变应力或循环应力作用，即使工作应力低于材料的屈服强度，但经过一定循环周次后仍会发生断裂，称之为疲劳疲劳断裂。第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能轴的疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳辉纹（扫描电镜照片）第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能一、疲劳强度的测试n在疲劳试验机上，用较多的试棒，在不同交变载荷下进行试验，作出疲劳曲线。第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学
20、性能第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能一、疲劳强度的测试疲劳极限：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称为材料的疲疲劳极限劳极限。应力循 环 次 数 金属材料的疲劳曲线（S-N曲线）示意图钢铁材料钢铁材料有色金属有色金属第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能应力循环对称因数：=-1 疲劳强度疲劳强度-1-1 （轴类所受到的交变弯曲应力）脉动循环交变应力：=0 疲劳强度疲劳强度0 0（齿轮齿根受到的循环弯曲应力）工程上规定，对于钢铁材料N0 0为107次；有色金属材料为108次,腐蚀性介质作用下为106次。二、疲劳曲线与疲劳极限第一章金属材料力学性能第一章金属材料力
21、学性能三、其他疲劳三、其他疲劳n低周疲劳：承受交变应力较高，加载频率较低，并经受低周疲劳：承受交变应力较高，加载频率较低，并经受循环次数较低；循环次数较低；n冲击疲劳：多次冲击载荷引起的损伤积累和裂纹扩展；冲击疲劳：多次冲击载荷引起的损伤积累和裂纹扩展；n热疲劳：温度循环变化而产生循环热应力导致的疲劳；热疲劳：温度循环变化而产生循环热应力导致的疲劳；n接触疲劳：接触表面在接触应力的长期作用下表面产生接触疲劳：接触表面在接触应力的长期作用下表面产生的小片金属剥落；的小片金属剥落；n腐蚀疲劳：腐蚀性介质中承受变动载荷所产生的疲劳。腐蚀疲劳：腐蚀性介质中承受变动载荷所产生的疲劳。第一章金属材料力学性
22、能第一章金属材料力学性能四、影响因素及提高疲劳极限的途径n疲劳强度的影响因素疲劳强度的影响因素：1）材料本身的组织结构状态；2）表面粗糙度和应力状态。n提高零件疲劳强度的措施提高零件疲劳强度的措施：1）改善内部组织；2）设计上减小应力集中，避免锐角、缺口和截面突变；3）降低零件表面粗糙度，提高表面加工质量；4）强化表面，如渗碳、表面淬火、喷丸、滚压等。第一章金属材料力学性能第一章金属材料力学性能本章重点本章重点1、低碳钢应力、低碳钢应力-应变曲线。应变曲线。2、强度、刚度、弹性、塑性概念及其力学性能指标。、强度、刚度、弹性、塑性概念及其力学性能指标。3、硬度的概念，常用的硬度测试方法及表示方法。、硬度的概念，常用的硬度测试方法及表示方法。
