1、P.10P.10 课件制作：课件制作：重庆市涪陵区职教中心重庆市涪陵区职教中心 数控组数控组 胡云天胡云天全国中职机械类规划新教材全国中职机械类规划新教材（高教版）（高教版）（第（第2版）版）任务描述任务描述第第1 1章章 金属材料的力学性能金属材料的力学性能P.10P.10 本本章主要介绍金属材料力学性能指标的分类、含义、使用范围等内容。在学章主要介绍金属材料力学性能指标的分类、含义、使用范围等内容。在学习中习中,要注意以下几个方面要注意以下几个方面:第一第一，要准确理解有关名词的定义要准确理解有关名词的定义；第二第二，要学会利要学会利用掌握的知识对日常生活中的现象进行分析和思考用掌握的知识
2、对日常生活中的现象进行分析和思考，试一试能否用学到的理论知试一试能否用学到的理论知识对遇到的实际问题或现象进行科学解释。识对遇到的实际问题或现象进行科学解释。P.10P.10第第1 1章章 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 强度与塑性强度与塑性金金属属材材料料的的力力学学性性能能力学性能的概念力学性能的概念拉伸试验过程分析拉伸试验过程分析强度强度塑性塑性硬硬 度度布氏硬度布氏硬度 HB洛氏硬度洛氏硬度 HR(C)维氏硬度维氏硬度 HV 韧韧 性性冲击试样冲击试样摆锤冲出试验摆锤冲出试验温度对吸收能量的影响温度对吸收能量的影响疲劳强度疲劳强度疲劳现象疲劳现象疲劳强度疲劳强度本章知识结构本章知
3、识结构教学要求教学要求P.10P.10 通过实验或采用多媒体等教学手段通过实验或采用多媒体等教学手段：（1）理解金属材料的力学性能及强度、塑性、硬度、韧性的概念理解金属材料的力学性能及强度、塑性、硬度、韧性的概念；（2）了解金属疲劳的现象了解金属疲劳的现象。第第1 1章章 金属材料的力学性能金属材料的力学性能P.10P.10第第1 1章章 金属材料的力学性能金属材料的力学性能金属材料性能金属材料性能使用性能使用性能工艺性能工艺性能 物理、化学性能物理、化学性能力学性能力学性能 强度、塑性、硬度强度、塑性、硬度.金属材料性能金属材料性能 金属材料在给定外界条件下的抵抗能力。金属材料在给定外界条件
4、下的抵抗能力。铸、锻、焊、切削加工铸、锻、焊、切削加工.力学性能力学性能：是指金属材料在是指金属材料在外外力力作用下表现出来的一系列性能指标，又称作用下表现出来的一系列性能指标，又称机械性能机械性能。力学性能力学性能主要主要包括强包括强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。P.10P.10第一节第一节 金属材料的强度与塑性金属材料的强度与塑性 一、一、力学性能的概念力学性能的概念 内力：内力：导致物体内部之间产生的相互作用的力导致物体内部之间产生的相互作用的力，单位，单位 N；应力：应力：单位面积上的内力单位面积上的内力 ；应变：应变：由外力所引起的物体原始尺寸或
5、形状的相对变化。由外力所引起的物体原始尺寸或形状的相对变化。金属材料的力学性能金属材料的力学性能,是评定金属材料质量的主要依据是评定金属材料质量的主要依据,也是金属构件设计也是金属构件设计时选材和进行强度计算的主要依据。时选材和进行强度计算的主要依据。单位：NaFMPAP.10P.10第一节第一节 金属材料的强度与塑性金属材料的强度与塑性 二二、拉伸试验过程分析拉伸试验过程分析 圆形拉伸试样图圆形拉伸试样图 拉伸试验拉伸试验:强度指标获得的方法强度指标获得的方法.试样、试验机试样、试验机 试验结果：试验结果：拉伸曲线拉伸曲线P.11P.11第一节第一节 金属材料的强度与塑性金属材料的强度与塑性
6、 二二、拉伸试验过程分析拉伸试验过程分析 载荷载荷F F和伸长量和伸长量L L之间的关系曲之间的关系曲线，称为拉伸曲线。线，称为拉伸曲线。曲线曲线的的几个变形阶段几个变形阶段：弹性变形阶段Oe 屈服阶段强化阶段明显塑性变形阶段缩颈阶段试样发生断裂essddbbzb 拉伸曲线拉伸曲线P.11P.11第一节第一节 金属材料的强度与塑性金属材料的强度与塑性 三三、强度强度 1.1.屈服强度和规定残余延伸强度屈服强度和规定残余延伸强度 屈服极限屈服极限 表示在外力作用下，材料刚表示在外力作用下，材料刚开始产生塑性变形时的最小应力值，以开始产生塑性变形时的最小应力值，以 R Re 表表示，即示，即:0s
7、eFRMPaS 屈服强度是工程技术上重要的力学性屈服强度是工程技术上重要的力学性能能试试验验指标之一指标之一,也是大多数机械零件选材和设也是大多数机械零件选材和设计的依据。计的依据。强度强度 强度是指金属材料在强度是指金属材料在静载静载荷作用下荷作用下抵抗永久变形和断裂抵抗永久变形和断裂的能力的能力.P.11P.11第一节第一节 金属材料的强度与塑性金属材料的强度与塑性 三三、强度强度 残余延伸强度残余延伸强度 一些脆性材料（一些脆性材料（如高碳钢、铸铁等如高碳钢、铸铁等）,没没有明显的屈服现象有明显的屈服现象，可用残余延伸强度来代替，可用残余延伸强度来代替其屈服强度。其屈服强度。1.1.屈服
8、强度和规定残余延伸强度屈服强度和规定残余延伸强度P.11P.11第一节第一节 金属材料的强度与塑性金属材料的强度与塑性 三三、强度强度 2.2.抗拉抗拉强度强度 抗拉抗拉强度强度也也是工程技术上重要的力学性是工程技术上重要的力学性能能试试验验指标之一指标之一,是脆性材料（如铸铁等）是脆性材料（如铸铁等）零件选零件选材和设计的依据。材和设计的依据。抗拉强度是指拉伸试样拉断前所承受的最抗拉强度是指拉伸试样拉断前所承受的最大标称拉应力大标称拉应力,用符号用符号 Rm 表示。表示。0bmFRMPaSP.11P.11第一节第一节 金属材料的强度与塑性金属材料的强度与塑性 四四、塑性塑性 塑性塑性是金属在
9、外力作用下，断裂前产生永久变形而不被破坏的能力是金属在外力作用下，断裂前产生永久变形而不被破坏的能力。塑性塑性指标也由拉伸曲线试验数据确定，有断后伸长率和断面收缩率两个指指标也由拉伸曲线试验数据确定，有断后伸长率和断面收缩率两个指标。标。1 1.断后伸长率断后伸长率 试样拉断后标距长度的伸长量与其原始标距之比值的百试样拉断后标距长度的伸长量与其原始标距之比值的百分率，用符号分率，用符号A A表示。表示。100100%LLALP.11P.11第一节第一节 金属材料的强度与塑性金属材料的强度与塑性 四四、塑性塑性 2.2.断面收缩率断面收缩率 试件拉断后断口处试件拉断后断口处（缩紧处）横截面积的最
10、大缩减量与原（缩紧处）横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号始横截面积的百分比，用符号 Z Z 表示。表示。010100%SSZS 材料的塑性表示材料在断裂前能够发生塑性变形的程度，对材料的加工性能材料的塑性表示材料在断裂前能够发生塑性变形的程度，对材料的加工性能（如锻压性等）影响较大，通常要求机械零件除强度外，还要具有一定的塑性。（如锻压性等）影响较大，通常要求机械零件除强度外，还要具有一定的塑性。按材料的塑性不同，可把材料分为：按材料的塑性不同，可把材料分为：塑性材料：塑性材料：A 5%,A 5%,以低碳钢为代表，还有金、银、铝合金、铜合金等。以低碳钢为代表，还有金、银、铝合金
11、、铜合金等。脆性材料：脆性材料：A 5%,A 5%,以铸铁为代表，还有淬火钢、形变铝、纯铜、黄铜等。以铸铁为代表，还有淬火钢、形变铝、纯铜、黄铜等。P.14P.14第二节第二节 金属材料的硬度金属材料的硬度 硬度硬度是衡量软硬程度的指标，表示抵抗局部变形和破坏的能力，是重要的是衡量软硬程度的指标，表示抵抗局部变形和破坏的能力，是重要的力学性能指标之一。力学性能指标之一。硬度指标硬度指标分分类类：洛氏硬度、布氏硬度和维氏硬度，其中应洛氏硬度、布氏硬度和维氏硬度，其中应用最广泛的是用最广泛的是洛氏硬度洛氏硬度 HRC HRC 和和布氏硬度布氏硬度 HB HB。硬度硬度应用应用广泛：广泛：试验基本上
12、不损伤工件试验基本上不损伤工件,操作简便、迅速操作简便、迅速,可可直接在工件上进行测试直接在工件上进行测试；同时同时,硬度又是一项综合力学性能指标硬度又是一项综合力学性能指标,硬度高低与硬度高低与强度和塑性强度和塑性相关；而且，硬度高低与零件耐磨性正相相关；而且，硬度高低与零件耐磨性正相关；关；因此因此,在零件图上经常标注出各种硬度指标作为技术要求。在零件图上经常标注出各种硬度指标作为技术要求。试验试验方法方法：车间现场：车间现场常用压入法测定硬度常用压入法测定硬度，也有其它方法，也有其它方法。P.14P.14第二节第二节 金属材料的硬度金属材料的硬度 一一、布氏硬度（布氏硬度（HBWHBW）
13、布氏硬度布氏硬度 其其试验原理是用一定直径的硬质合金球试验原理是用一定直径的硬质合金球,以匹配的试验力压入以匹配的试验力压入试样表面试样表面,保持规定的时间后保持规定的时间后,卸除试验力卸除试验力,测量试样表面的压痕直径测量试样表面的压痕直径 d,d,然后然后根据根据压痕直径压痕直径 d d 计算其硬度值的方法计算其硬度值的方法。布氏硬度布氏硬度指标指标 HBWHBW 布氏硬度布氏硬度标注标注 P.15P.15第二节第二节 金属材料的硬度金属材料的硬度 一一、布氏硬度（布氏硬度（HBWHBW）试验时金属材料表面压痕大试验时金属材料表面压痕大,能在较大范围内反映被测金属材料的平均硬能在较大范围内
14、反映被测金属材料的平均硬度度,测得的硬度值比较准确测得的硬度值比较准确,数据稳定。数据稳定。但由于压痕较大但由于压痕较大,对金属表面的损伤较大对金属表面的损伤较大,不宜测定不宜测定太小或太薄的试样。太小或太薄的试样。试验主要用于测定原材料的硬度试验主要用于测定原材料的硬度,如铸铁、非铁金属、经退火处理或正火处如铸铁、非铁金属、经退火处理或正火处理的金属材料及其半成品。理的金属材料及其半成品。布氏硬度试验的特点布氏硬度试验的特点 布氏硬度布氏硬度应用应用P.15P.15第二节第二节 金属材料的硬度金属材料的硬度 二二、洛氏硬度（洛氏硬度（HRHR）洛氏硬度洛氏硬度 其其试验原理是将锥角为试验原理
15、是将锥角为 120 120 的金刚石圆锥体的金刚石圆锥体或球或球(淬火钢球或硬质合金球淬火钢球或硬质合金球)，分两个步骤压入试样表面分两个步骤压入试样表面,经经规定保持时间后规定保持时间后,卸除主试验力卸除主试验力,测量在初试验力下的残余压痕测量在初试验力下的残余压痕深度深度,根据试样残余根据试样残余压痕深度压痕深度增量来衡量试样硬度的大小。增量来衡量试样硬度的大小。洛洛氏硬度氏硬度指标指标 有三个标尺：有三个标尺：HRAHRA、HRBHRB、HRCHRC（多用）（多用）洛洛氏硬度氏硬度标注标注 50HRC50HRC 如：淬火硬度如：淬火硬度 50HRC50HRC、刀具硬度、刀具硬度 62HR
16、C62HRCP.15P.15第二节第二节 金属材料的硬度金属材料的硬度 二二、洛氏硬度（洛氏硬度（HRHR）洛氏硬度试验特点洛氏硬度试验特点：洛氏硬度洛氏硬度应用：应用：硬度试验压痕小硬度试验压痕小，表面损伤小表面损伤小,常用来直接检验成品或常用来直接检验成品或半成品零件的硬度半成品零件的硬度,尤其是经过淬火处理的零件尤其是经过淬火处理的零件,常采用洛常采用洛氏硬度计进行测试氏硬度计进行测试；另外另外,试验操作简便试验操作简便,可直接从试验机上读取硬度值。但是可直接从试验机上读取硬度值。但是,由于压痕小由于压痕小，硬度硬度值的准确性不如布氏硬度高值的准确性不如布氏硬度高,数据重复性差。因此数据
17、重复性差。因此,在测试时要选取不同位在测试时要选取不同位置的三点测出硬度值置的三点测出硬度值,将三点硬度的平均值作为被测金属材料的洛氏硬度值。将三点硬度的平均值作为被测金属材料的洛氏硬度值。洛氏硬度洛氏硬度是生产中广泛应用的一种硬度试验方法是生产中广泛应用的一种硬度试验方法，HRC 标尺标尺多用于测定淬火钢、工具（刃具、量具、模具）的硬度。多用于测定淬火钢、工具（刃具、量具、模具）的硬度。P.16P.16第二节第二节 金属材料的硬度金属材料的硬度 三三、维氏硬度（维氏硬度（HVHV）维氏硬度维氏硬度 维氏硬度的测定原理与布氏硬度的测定原理相维氏硬度的测定原理与布氏硬度的测定原理相似似,用用正四
18、棱锥体金刚石作为压头正四棱锥体金刚石作为压头,在规定试验在规定试验作作用下用下,压入试样压入试样表面表面,保持规定时间后保持规定时间后,卸除试验力卸除试验力,用测微仪器测出压痕的对角用测微仪器测出压痕的对角线长度线长度,查查硬度值表即可得出维氏硬度值。硬度值表即可得出维氏硬度值。维维氏硬度氏硬度指标指标 HV5-1000HV5-1000，一个指标从极软到极硬拉通。，一个指标从极软到极硬拉通。维维氏硬度氏硬度标注标注 如：如：640HV30640HV30 维维氏硬度试验特点氏硬度试验特点：维氏硬度试验法适用范围宽维氏硬度试验法适用范围宽,从很软从很软的材料到很硬的材料都可以测量的材料到很硬的材料
19、都可以测量,其测量结果精确可靠。但测其测量结果精确可靠。但测取维氏硬度取维氏硬度操作较麻烦，操作较麻烦，对试样表面的质量要求对试样表面的质量要求也也高高,测测 量效量效率较低。因此率较低。因此,维氏硬度没有维氏硬度没有布氏、布氏、洛氏硬度使用方便。洛氏硬度使用方便。维氏硬度试验维氏硬度试验主要用于精密、极薄板、渗碳层深度以及主要用于精密、极薄板、渗碳层深度以及科研实验室等场合。科研实验室等场合。P.17P.17第三节第三节 金属材料的韧性金属材料的韧性 工作在工作在冲击载荷作用下的冲击载荷作用下的零件，零件，如锻锤的锤杆、冲床的冲头等。这些零如锻锤的锤杆、冲床的冲头等。这些零件除要求具备足够的
20、强度、塑性、硬度外件除要求具备足够的强度、塑性、硬度外,还应有足够的韧性。还应有足够的韧性。韧性韧性 是金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。是金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。冲击试验冲击试验 金属材料韧性的大小通常采用吸收能量金属材料韧性的大小通常采用吸收能量 K(单位为焦耳单位为焦耳)指标来指标来衡量衡量,而测定金属材料的吸收能量而测定金属材料的吸收能量,通常采用夏比摆锤冲击试验方法来测定。通常采用夏比摆锤冲击试验方法来测定。P.17P.17第三节第三节 金属材料的韧性金属材料的韧性一、夏比摆锤冲击试样一、夏比摆锤冲击试样 夏比摆锤冲击试样有夏比摆锤冲击试样有 V 形缺口试样和形缺口试样
21、和 U 形缺口形缺口试样两种试样两种，在试样上开缺口的目的在试样上开缺口的目的:在缺口附近造在缺口附近造成应力集中成应力集中,并保证在缺口处发生断裂并保证在缺口处发生断裂,以便正确测以便正确测定金属材料承受冲击载荷的能力。定金属材料承受冲击载荷的能力。试样安放试样安放 装置示意图装置示意图 冲击实验装置示意图冲击实验装置示意图二、夏比摆锤冲击试验方法二、夏比摆锤冲击试验方法 夏比摆锤冲击试验是在摆锤式冲击试验机夏比摆锤冲击试验是在摆锤式冲击试验机上进行的。上进行的。韧性指标：韧性指标：冲击功冲击功 KV 2=Epv1 Epv2 三、温度对吸收能量的影响三、温度对吸收能量的影响 冷脆现象：冷脆现
22、象：当温度越低时，金属材当温度越低时，金属材料的韧性下降，脆性就增大。料的韧性下降，脆性就增大。P.20P.20第四节第四节 金属材料的疲劳强度金属材料的疲劳强度 一、疲劳现象一、疲劳现象 循环（交变）应力循环（交变）应力 疲劳现象疲劳现象 载荷的形式不仅有静载载荷的形式不仅有静载荷、冲击载荷荷、冲击载荷,还有循环载荷还有循环载荷（循环应力）。（循环应力）。常常见的循环应力是对称循环应力见的循环应力是对称循环应力，其应力，其应力的大小、的大小、方向都随时间发生周期性变化的应力方向都随时间发生周期性变化的应力。部分机械零件部分机械零件(如轴、齿轮、弹簧等如轴、齿轮、弹簧等)是在是在循环应力循环应
23、力作用下工作的。零件在低于材料的屈作用下工作的。零件在低于材料的屈服强度的循环应力作用下服强度的循环应力作用下,经过一定经过一定工作时间工作时间后会发后会发生生突然断裂突然断裂,这种现象称为金属材料的疲劳。这种现象称为金属材料的疲劳。注意：注意：疲劳破坏不同于零件一次超载引起的强度破坏。疲劳破坏不同于零件一次超载引起的强度破坏。P.20P.20第四节第四节 金属材料的疲劳强度金属材料的疲劳强度 一、疲劳现象一、疲劳现象 疲劳破坏的危害疲劳破坏的危害 疲劳断口疲劳断口 疲劳断口特征明显，有疲劳源、疲劳断口特征明显，有疲劳源、疲劳裂纹扩展区（光滑、面积较大）、最后脆断疲劳裂纹扩展区（光滑、面积较大
24、）、最后脆断区（粗糙新断，面积较小）。区（粗糙新断，面积较小）。在工作应力低于正常值下发生突然断裂，断前无预兆，在工作应力低于正常值下发生突然断裂，断前无预兆，易造成严重事故。机器零件损坏中的易造成严重事故。机器零件损坏中的 80%是疲劳破坏。国家规定是疲劳破坏。国家规定20年的轿车年的轿车强制报废，就有避免零件疲劳的原因。强制报废，就有避免零件疲劳的原因。P.20P.20第四节第四节 金属材料的疲劳强度金属材料的疲劳强度 二、疲劳强度二、疲劳强度 金属材料在循环应力作用下能经受金属材料在循环应力作用下能经受无限多次循环而不的最大应力值称为金属材料的无限多次循环而不的最大应力值称为金属材料的疲
25、疲劳强度。劳强度。对结构钢，疲劳强度约为其抗拉强度的二分之一。对结构钢，疲劳强度约为其抗拉强度的二分之一。防止零件发生疲劳破坏的措施：防止零件发生疲劳破坏的措施：疲劳试验曲线疲劳试验曲线疲劳试验机疲劳试验机 疲劳强度：疲劳强度：疲劳试验：疲劳试验：影响疲劳强度的因素很多影响疲劳强度的因素很多,在在设计时在结构上设计时在结构上注意避免零件应力集中注意避免零件应力集中；通过改善零件表面粗糙度通过改善零件表面粗糙度值和表面残余应力状态值和表面残余应力状态，减小缺口效应减小缺口效应，从而提高从而提高零件的疲劳强度。零件的疲劳强度。例如例如,采用高频淬火、化学热处理采用高频淬火、化学热处理（如（如渗碳渗碳等）等）以及各种表面复合强化工艺等都可改变零件表层的以及各种表面复合强化工艺等都可改变零件表层的残余应力状态残余应力状态,从而提高零件的疲劳强度。从而提高零件的疲劳强度。全国中职机械类规划新教材（高教版）全国中职机械类规划新教材（高教版）
