1、第一章 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 材 料 的 性 能使用性能工艺性能力学性能物理性能化学性能铸造性能锻压性能热处理性能焊接性能力学性能力学性能定义定义:是指金属材料在外力的作用是指金属材料在外力的作用下所表现出来的抵抗能力。下所表现出来的抵抗能力。力 学 性 能强度硬度断裂韧度疲劳主要指标：主要指标：塑性韧性w第一节第一节 强度与塑性强度与塑性w强度强度w塑性塑性拉伸试验拉伸试验拉伸试验拉伸试验拉伸试验拉伸试验机机液压式万能电子材料试验机*拉伸试样：长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0d0L0力力伸长曲线伸长曲线FesbkLFsFbO屈服屈服弹弹性性变变形形缩颈缩颈断裂断裂塑
2、塑性性变变形形塑性变形塑性变形:外力外力去除后不能消失去除后不能消失的变形的变形弹性弹性(elasticity):金属材料受外力作金属材料受外力作 用时产生变形用时产生变形,当外力去掉后能恢复当外力去掉后能恢复 到原来形状及尺寸的性能。到原来形状及尺寸的性能。弹性变形弹性变形(elastic deformation):随载荷撤除而消失的变形。随载荷撤除而消失的变形。弹性极限弹性极限(elastic limit):Fe 弹性极限载荷弹性极限载荷(N)e=(M pa)S0 试样原始横截面积试样原始横截面积(mm2)拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象力力伸长曲线伸长曲线FesbkLFsFbO屈服屈
3、服弹弹性性变变形形缩颈缩颈断裂断裂塑塑性性变变形形强度强度(strength):材料在力的作用下抵抗材料在力的作用下抵抗 变形和破坏的能力。变形和破坏的能力。(1)种类种类:抗拉强度、抗拉强度、抗压强度、抗压强度、抗弯强抗弯强(2)度度、抗剪强度抗剪强度、抗扭强度等。抗扭强度等。(2)屈服强度屈服强度(yield strength):屈服点屈服点 S Fs s=(M pa)S0试样屈服时的载荷试样屈服时的载荷(N)试样试样原始横截面积原始横截面积(mm2)规定残余伸长应力：r0.2=Fr0.2/S 0slF0.20.2%l0o(3)抗拉强度抗拉强度(tensile strength):试样在断
4、裂前所能承受的最大应力。试样在断裂前所能承受的最大应力。F b 试样断裂前的最大载荷试样断裂前的最大载荷(N)b=(M pa)S 0 试样原始横截面积试样原始横截面积(mm2)力 学 性 能强度硬度韧性断裂韧度疲劳主要指标：主要指标：塑性塑性塑性(plasticity):是指材料在载荷作用下是指材料在载荷作用下 产生塑性变形而不被破坏的能力。产生塑性变形而不被破坏的能力。(1)断面收缩率断面收缩率(percentage reduction in area):是指试样拉断处横截面积是指试样拉断处横截面积S 1 的收缩量与原始横截面积的收缩量与原始横截面积S0之比。之比。S0-S 1 =100%S
5、0(2)断后伸长率断后伸长率(延伸率延伸率)specific elongation:是指试样拉断后的标距伸长量是指试样拉断后的标距伸长量L 1与与原始标距原始标距L 0之比。之比。L 1 L 0 =100%L 0 10%属塑性材料属塑性材料长试样：10 简写为简写为短试样：5 w同一种材料的5 10第二节第二节 硬度硬度(hardness)(hardness)1.1.定义定义：是指材料抵抗其它更硬物体是指材料抵抗其它更硬物体压入其表面的能力。压入其表面的能力。2.2.硬度试验方法：硬度试验方法：（1 1）压入法）压入法（2 2）划痕法）划痕法（3 3）回跳法）回跳法 布氏硬度布氏硬度HB HB
6、 洛氏硬度洛氏硬度HR HR 维氏硬度维氏硬度HVHV压入法压入法(一一)布氏硬度布氏硬度HB(BrinellHB(Brinell-hardness)-hardness)布氏硬度计布氏硬度计 观看布氏硬度观看布氏硬度1.1.压头：压头：淬火钢球淬火钢球 HBSHBS硬质合金钢球硬质合金钢球 HBWHBW2.2.试验原理：试验原理：用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后，测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值。F F HB=S Dh D h=2 D d 2 2 22布氏硬度值布氏硬度值 450450的材料的材料 选用选用淬火钢球淬火钢球压头压头例如：例如：200H
7、BS200HBS 350HBS 350HBS布氏硬度值布氏硬度值450450650650的材料的材料 选用选用硬质合金球压头压头例如：例如：550HBW550HBW 600HBW 600HBW3.3.标注：标注：符号符号HBS或或HBW之前的数字表示之前的数字表示硬度值硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示符号后面的数字按顺序分别表示球体直径球体直径、载荷载荷及及载荷保持时间载荷保持时间。如如:120HBS10/1000/30表示表示直径为直径为10mm的钢的钢球球在在1000kgf（9.807kN）载荷载荷作用下作用下保持保持30s测得的测得的布氏硬度值为布氏硬度值为120。4.特点：优点：测
8、量误差小（因压痕大），数据稳定，重复性强。缺点：压痕面积较大，测量费时。应用：常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火钢材的硬度。不适于测量成品零件或薄件的硬度。(二二)洛氏硬度洛氏硬度 HR(Rockwll hardness)HR(Rockwll hardness)观看洛氏硬度观看洛氏硬度1.1.压头：压头：120120金刚石圆锥体钢球金刚石圆锥体钢球钢球钢球 HRAHRAHRCHRCHRBHRB2.2.试验原理：试验原理：用锥顶角为120的金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后卸除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值。001
9、12332h1h2h3h1-1 1-1 初载初载10kg h110kg h12-2 2-2 总载总载150kg h2150kg h23-3 3-3 卸载卸载140kg h3140kg h3最后测得：最后测得：残余压痕深度增量 h hHR=C-h/0.002h=h3-h1h=h3-h1HR=h/0.002洛氏硬度值的表示：洛氏硬度值的表示：w7085HRAw25100HRBw2070HRCHRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不可直接比较大小例如：例如：50HRC70HRA 50HRC40HRC 50HRB40HRC 3.3.特点：特点：优点优点：测量操作简单，方便快捷，压痕小；测量范围大，能测
10、较薄工件。缺点缺点：测量精度较低，可比性差，不同标尺的硬度值不能比较。应用：(三三)维氏硬度维氏硬度 HVHV (diamond penetrator hardness)(diamond penetrator hardness)维1.1.压头：压头：锥面夹角为锥面夹角为136136的金刚石的金刚石正四棱锥体正四棱锥体2.2.试验原理：试验原理：与布氏硬度试验原理基本相同。只是压头改用了金刚石四棱锥体。以一定的试验力将压头压入试样表面，保持规定时间卸载后，在试样表面留下一个四方锥形的压痕，测量压痕两对角线长度，以此计算出硬度值。2.2.试验原理：试验原理：用压痕两对角线的平均长度来计算。H V=
11、F/Saad3.3.标注：标注：与布氏硬度基本相同，在后面要标注试验条件试验力和保持时间（1015S不标）。例：580HV30表示用30kgf(294.2N)试验力保持1015S测定的维氏硬度值为580。4.4.特点：特点：优点优点：适用范围广，从极软到极硬材料都可测量;测量精度高，可比性强；能测较薄工件。缺点缺点：测量操作较麻烦，测量效率低。应用应用：广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度检验。不适于大批生产和测量组织不均匀材料。第三节 冲击韧度韧性(toughness):材料在冲击载荷作用下抵抗破坏材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。的能力。1.1.定义：定义：冲击试验机冲击试验机冲击试
12、样和冲击试验示意图冲击试样和冲击试验示意图2.2.金属的夏比冲击试验金属的夏比冲击试验:试样冲断时所消耗的试样冲断时所消耗的冲击功冲击功A k为为:A k=m g H m g h(J)g g 冲击韧度冲击韧度a ak k 就是试样缺口处单位截面积上所消就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸收功。耗的冲击吸收功。AK a k=(J/cm)S03.3.韧脆转变温度韧脆转变温度:-40-20020204060akT(c)TT，a ak k急剧急剧韧性韧性脆性脆性金属材料的韧脆转变温度金属材料的韧脆转变温度，材，材料的低温冲击韧性愈好。料的低温冲击韧性愈好。1、疲劳现象 零件在循环应力的作用，即使工
13、作时承受的应力低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，在经受一定的应力循环后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳。第四节 疲劳（）2、疲劳极限-1:表示金属材料在无数次交变载荷作表示金属材料在无数次交变载荷作 用而不破坏的最大应力。用而不破坏的最大应力。疲劳曲线钢材的循环次数钢材的循环次数一般取一般取 N=107有色金属的循环次数有色金属的循环次数一般取一般取 N=1083、提高疲劳极限途径、提高疲劳极限途径改善零件的结构形状改善零件的结构形状降低表面粗糙度值降低表面粗糙度值采取表面强化采取表面强化1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂第五节 断裂韧度1 1、低应力脆断、低应力脆断 有些
14、零件在工作应力远远低于屈服点时就会发生脆性断裂。这种现象称为低应力脆断。式中：Y_裂纹的几何形状因子;_外加应力（N/mm2）；a_裂纹的半长（mm）；K1_ 强度因子（MPam1/2或MNm-3/2）当K1达到临界值K1C时，零件内裂纹将发生失稳扩展失稳扩展而出现低应力脆性断裂低应力脆性断裂，而K1K1C时，零件安全可靠。K K1 1=YaYa2 2、应力场强度因子、应力场强度因子当K1达到临界值K1C时，零件内裂纹将发生失稳失稳扩展扩展而出现低应力脆性断裂低应力脆性断裂，而K1K1C时，零件安全可靠。3 3、断裂韧度、断裂韧度K K1C1C材料抵抗裂纹扩展的能力断裂韧度材料抵抗裂纹扩展的能
15、力断裂韧度表表示。示。w反应材料有裂纹存在时，抵抗脆性断裂的能力。wK1c可通过试验来测定，它是材料本身的特性，与材料成分、热处理及加工工艺等有关。w为安全设计提供了一个重要的力学性能指标常见工程材料的断裂韧度常见工程材料的断裂韧度K1C值（值（MNm-3/2）根据K1=Ya K1C的临界判据知：为使零件不发生脆断，设计者可以控制三个参数：材料的断裂韧度K1C、名义工作应力和零件内的裂纹长度a，它们之间的定量关系能直接用于设计计算，可以解决以下三方面的工程实际问题：1）根据零件的实际工作应力和其内可能的裂纹尺寸a，确定材料应有的断裂韧度K1C，为正确选材提供依据；2）根据零件所使用的材料断裂韧
16、度K1C及已探伤出的零件内存在的裂纹尺寸a，确定零件的临界断裂应力C，为零件最大承载能力设计提供依据；3）根据已知材料的断裂韧度K1C和零件的实际工作应力，估算断裂时的临界裂纹长度aC，为零件的裂纹探伤提供依据。物理性能物理性能w物理性能，不仅对工程材料的选用来说，有着重要的意义；物理性能，不仅对工程材料的选用来说，有着重要的意义；而且也会对材料的加工工艺产生一定的影响。而且也会对材料的加工工艺产生一定的影响。w（一）密度（一）密度w（二）热学性能（二）热学性能w 熔点；熔点；热容；热容；热膨胀；热膨胀；热传导热传导w（三）电学性能（三）电学性能w 电阻率电阻率；电阻温度系数；电阻温度系数；介电性介电性w（四）磁学性能（四）磁学性能w 磁导率磁导率；饱和磁化强度饱和磁化强度M Ms s和磁矫顽力和磁矫顽力c c化学性能化学性能w 材料在生产、加工和使用时，均会与环境材料在生产、加工和使用时，均会与环境介质发生化学反应介质发生化学反应，从而使其性能恶化或功从而使其性能恶化或功能丧失。能丧失。w（一）化学腐蚀（一）化学腐蚀w（二）电化学腐蚀（二）电化学腐蚀w (三）提高零件耐蚀性的主要措施铝三）提高零件耐蚀性的主要措施铝w作业：w P11：习题3，4，5，6。
