1、机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能 本章提要1、学习目的和要求 通过本章学习，了解工程材料的主要力学性能。2、课程内容 （1）材料的强度和塑性；（2）材料的硬度；（3）材料的冲击韧度；（4）材料的疲劳强度；（5）材料的断裂韧度。机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能 工程材料的性能 使用性能、工艺性能 使用性能：材料在不同的条件下使用，如在载荷、温度、介质、电磁场等作用下将表现出不同的行为，即为材料的使用性能。工艺性能：材料在加工过程中对所涉及的加工工艺所表面出来的适应性。机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能 工程材料的力学性能（机械性能）是指金属在外
2、力的作用下，抵抗变形和破坏的能力。工程材料的力学性能主要有强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。强度与塑性 硬度 冲击韧度 疲劳强度静载时材料的力学性能动载时材料的力学性能机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能第一节 材料的强度与塑性第二节 材料的硬度第三节 材料的冲击韧度第四节 材料的疲劳强度第五节 材料的断裂韧度机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能第一节 材料的强度与塑性一、拉伸实验及拉伸曲线拉伸试验机拉伸试验机机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能 低碳钢拉伸曲线低碳钢拉伸曲线拉伸试样的颈缩现象拉伸试样
3、的颈缩现象机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能 LF0 0低碳钢拉伸曲线低碳钢拉伸曲线脆性材料拉伸曲线脆性材料拉伸曲线机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能1淬火、高温回火后的高碳钢：淬火、高温回火后的高碳钢：只只有弹性形变、少量的均匀塑性形变有弹性形变、少量的均匀塑性形变；2低合金结构钢：低合金结构钢：与低碳钢类似；与低碳钢类似；3黄铜：黄铜：弹性形变、均匀塑性形变弹性形变、均匀塑性形变和不均匀集中塑性形变；和不均匀集中塑性形变；4陶瓷、玻璃类材料：陶瓷、玻璃类材料：只有弹性变只有弹性变形而没有明显的塑性形变形而没有明显的塑性形变；5橡胶类材料：橡胶类材料：弹性形变
4、量很大，弹性形变量很大，高达高达 100%；6工程塑料：工程塑料：弹性形变、均匀塑性弹性形变、均匀塑性变形和不均匀集中塑性变形。变形和不均匀集中塑性变形。机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义(一）强度指标1.弹性模量E 表征材料在受力时，抵抗弹性变形的能力。E=/2.比例极限p 表征应变保持线性关系的极限应力值 p=Fp/Ao 3.弹性极限e 表征不产永久变形的最大抗力。e=Fe/Ao 机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义(一）强度指标4.屈服强度s 表征材料发生微量塑性变形时的应力值。s=
5、Fs/Ao5.抗拉强度b 表征材料断裂前所承受的最大应力值。b=Fb/Ao 机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义(一）强度指标新老标准中强度指标的区别：（1）老标准内原有的微量塑性变形抗力指标“比例极限”和“弹性极限”在新标准上已由“规定塑性延伸强度Rp”所取代。规定塑性延伸强度是指试样在加载过程中，塑性延伸率等于规定的引伸计标距百分率时的应力。对于没有明显屈服现象的金属材料，屈服强度0.2（老标准的指标），在新标准中已由“规定残余延伸强度Rr0.2”所取代。机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及
6、意义(一）强度指标新老标准中强度指标的区别：（2）新标准中统一用“强度”一词来取代原来经常使用的“点”、“应力”、“强度”等术语。例如用“屈服强度”取代“屈服点”，并且进一步细分为“上屈服强度ReX”和“下屈服强度ReL”。（3）新标准中统一用符号“R”来表示强度，取代原来使用多处的“”（应力仍然用符号“”）表示。例如用“抗拉强度Rm”取代“抗拉强度”机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义(一）强度指标新老标准中强度指标的区别：（3）新标准中取消了”屈服力Fs“、“上屈服力Fsu”和下屈服力FsL“的符号，但考虑到在实际工作中仍需测试”上屈服力
7、”和“下屈服力”，所以可分别用“FeH”和“FeL”表示。（4）新版本标准对“伸长”和“延伸”作了区别。“伸长率”为原始标距的伸长与原始标距(L0)之比的百分率。“延伸率”为引伸计标距所表示的延伸百分率。（5）新旧标准中个别性能指标的单位有所变化。新标准中，力的单位为N，强度的单位为N/mm2(MPa)，替代了旧标准中kgf和kgf/mm2的表机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能断后伸长率断后伸长率(A)：断后标距：断后标距的残余伸长与原始标距之的残余伸长与原始标距之比的百分率。比的百分率。断裂总伸长率（断裂总伸长率（At）：断）：断裂时刻原始标距的总伸长裂时刻原始标距的总伸长（
8、弹性伸长加塑性伸长）（弹性伸长加塑性伸长）与原始标距之比的百分率与原始标距之比的百分率最大力伸长率（最大力伸长率（Agt)：最大：最大力时原始标距的伸长与原力时原始标距的伸长与原始标距之比的百分率。始标距之比的百分率。最大力非比例伸长率（最大力非比例伸长率（Ag)二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义 断后收缩率（断后收缩率（Z）：断裂后试样横截面积的最大缩减量与原始横截面）：断裂后试样横截面积的最大缩减量与原始横截面各之比的百分率。各之比的百分率。机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能第二节
9、材料的硬度 材料抵抗其他硬物压入其表面的能力称为硬度，它是衡量材料软硬程序的力学性能指标。可用硬度试验机测定，常用的硬度指标有布氏硬度HBW、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度HV机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能第二节 材料的硬度一、布氏硬度HBW（一）试验原理机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能布氏硬度试验规范布氏硬度试验规范 38机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能第二节 材料的硬度一、布氏硬度HBW（二）应用范围 布氏硬度主要用于组织不均匀的锻钢和铸铁的硬度测试，锻钢和灰铸铁的布氏
10、硬度与拉伸试验有着较好的对应关系。布氏硬度试验还可用于有色金属和软钢，采用小直径球压头可以测量小尺寸和较薄材料。布氏硬度计多用于原材料和半成品的检测，由于压痕较大，一般不用于成品检测。表示方式：600HBW1/30/20 350HBW5/750 机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能第二节 材料的硬度一、布氏硬度HBW补充说明：（1）硬度超过HB650的材料，不能做布氏硬度试验，这是因为所采用的压头，会产生过大的弹性变形，甚至永久变形，影响实验结果的准确性，这时应改用洛氏和维氏硬度试验。（2）每个试样至少试验3次。试验时应保证两相邻压痕中心的距离不小于压痕平均直径的4倍，对于较软的
11、金属则不得小于6倍。压痕中心距试样边缘的距离不得小于压痕直径的2.5倍，对于软金属则不得小于3倍机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能第二节第二节 材料的硬度材料的硬度二、洛氏硬度二、洛氏硬度HR（一）实验原理（一）实验原理洛氏硬度计洛氏硬度计机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能第二节第二节 材料的硬度材料的硬度二、洛氏硬度二、洛氏硬度HR(二二)应用范围（共应用范围（共1515个标尺）个标尺）示例：示例：60HRBW60HRBW标尺标尺硬度符硬度符号号 所用压头所用压头 总试验力总试验力F/NF/N适用范围适用范围H
12、RHR应用范围应用范围 A AHRAHRA金刚石圆金刚石圆锥锥 588.4588.420882088硬、薄试件，硬、薄试件，如硬质合金、如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。表面淬火层和渗碳层。B B HRB HRB1.58751.5875mmmm球球 980.7980.72010020100轻金属，未淬火钢，轻金属，未淬火钢，如有色如有色金属和退火、正火钢等。金属和退火、正火钢等。C C HRC HRC金刚石圆金刚石圆锥锥1471147120-7020-70较硬，淬硬钢制品；较硬，淬硬钢制品；如调质如调质钢、淬火钢等。钢、淬火钢等。硬质合金硬质合金 淬火钢球淬火钢球机械工程材料机械工程材料第一章
13、工程材料的力学性能第二节第二节 材料的硬度材料的硬度三、维氏硬度HV（一）实验原理维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度计维氏硬度计机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能第二节 材料的硬度三、维氏硬度HV（二）应用范围 维氏硬度试验主要用于材料研究和科学试验方面，小负荷维氏硬度试验主要用于测试小型精密零件的硬度，表面硬化层硬度和有效硬化层深度，镀层的表面硬度，薄片材料和细线材的硬度，刀刃附近的硬度，牙科材料的硬度等。显微维氏硬氏试验主要用于金属学和金相学研究，用于测定金属组织中各组成相的硬度，研究难熔化合物脆性等。显微维氏硬度试验还用于极小或极薄零件的测试，零件厚度可薄至3m。表
14、示方式：640HV30/20机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能 关于硬度实验的几点说明关于硬度实验的几点说明1、在静态力测定硬度的方法中，维氏实验方法是最精确的一、在静态力测定硬度的方法中，维氏实验方法是最精确的一种，这种方法测量硬度的范围较宽，可以测定目前所有使用的种，这种方法测量硬度的范围较宽，可以测定目前所有使用的绝大部分金属材料的硬度绝大部分金属材料的硬度2、各种不同方法测的硬度值之间可通过查表的方法进行互换，、各种不同方法测的硬度值之间可通过查表的方法进行互换，不可直接比较不可直接比较3、金属材料的硬度是由塑性变形抗力决定的，所以硬度值和、金属材料的硬度是由塑性变形抗
15、力决定的，所以硬度值和强度值之间有某种近似的对应关系，所以零件度纸上通常只标强度值之间有某种近似的对应关系，所以零件度纸上通常只标注硬度要求注硬度要求机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能第三节 材料的冲击韧度 机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能第三节 材料的冲击韧度 材料的韧度是指材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力，是材料塑性和强度的综合表现。材料的冲击韧度是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。指标为冲击韧性值ak。常用一次摆锤冲击试验方法测定。冲击韧度指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾向。机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能KA/FA=
16、(GH1-GH2)9.8J/cm2其中：K（J/cm2）H（m）A（m2）G（kg）缺口型式：KU KV 第三节 材料的冲击韧度（一）实验原理 机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能第三节 材料的冲击韧度（一）实验原理 机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能第四节 材料的疲劳强度 许多机械零件，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力（也称循环应力）。机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能第四节 材料的疲劳强度（一）实验原理 疲劳强度
17、是指金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力。实际上，金属材料并不可能作无限多次交变载荷试验。一般试验时规定，钢在经受107次、非铁（有色）金属材料经受108次交变载荷作用时不产生断裂时的最大应力称为疲劳强度。当施加的交变应力是对称循环应力时，所得的疲劳强度用1表示。机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能部分工程材料的疲劳极限-1（MPa）机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能零件工作条件主要失效方式主要力学性能指标紧固螺栓拉应力，剪切应力过量塑性变形，断裂弹簧交变弯曲或扭转应力，冲击过量变形，疲劳本章练习1、分析下列零件的主要力学性能指标机械工程材料机械工程材料第一章 工程材料的力学性能本章练习2、在设计机械时多用哪两种强度指标？为什么？3、下列各工件应该采用何种硬度试验方法测定其硬度？（1）锉刀（2）黄铜轴套（3）供应状态的各种碳钢钢材（4）硬质合金的刀片4、拉伸试验、疲劳试验、冲击试验在试样承受的应力类型、测定的性能指标，试验的适合场合等方面区别何在？5、拉力试样的原标距长度为50mm，直径为10mm，经拉力试验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为79mm，颈缩区的最小直径为4.9mm，试求该材料的延伸率和断面收缩率的值？
