1、第四章第四章 金属材料的力学性能金属材料的力学性能第一节第一节 强度与塑性强度与塑性第二节第二节 硬度硬度第三节第三节 冲击韧性冲击韧性第四节第四节 疲劳强度和断裂韧性疲劳强度和断裂韧性第五节第五节 金属材料的物理化学性能金属材料的物理化学性能第一节第一节 强度与塑性强度与塑性一、静拉伸试验及试样一、静拉伸试验及试样通常用静拉伸试验来测量金属材料的强度与塑性指标。如将通常用静拉伸试验来测量金属材料的强度与塑性指标。如将被测试金属材料加工成如被测试金属材料加工成如图图4-1所示的圆柱形光滑试样。所示的圆柱形光滑试样。通过拉伸试验可以揭示材料在静载荷作用下的力学行为，即通过拉伸试验可以揭示材料在静
2、载荷作用下的力学行为，即弹性变形、屈服阶段、塑性变形、断裂等基本过程，还可以弹性变形、屈服阶段、塑性变形、断裂等基本过程，还可以确定材料的最基本的力学性能指标。确定材料的最基本的力学性能指标。弹性变形阶段弹性变形阶段(Oe段段)当载荷不超过当载荷不超过Fe时，拉伸曲线时，拉伸曲线Oe为直为直线段，试样变形完全是弹性的，卸载后试样即恢复原状。线段，试样变形完全是弹性的，卸载后试样即恢复原状。屈服阶段屈服阶段(es段段)当载荷超过当载荷超过Fe时，若卸载的话，试样的伸时，若卸载的话，试样的伸长只能部分地恢复，而保留一部分残余变形。长只能部分地恢复，而保留一部分残余变形。下-页 返回第一节第一节 强
3、度与塑性强度与塑性强化阶段强化阶段(sb段段)在屈服以后，如果要使试样继续伸长，必在屈服以后，如果要使试样继续伸长，必须不断加载。随着塑变形增大，试样的抗变形能力也在逐步须不断加载。随着塑变形增大，试样的抗变形能力也在逐步增加，这种现象被称为形变强化或加工硬化。增加，这种现象被称为形变强化或加工硬化。缩颈阶段或局部变形阶段缩颈阶段或局部变形阶段(bk段段)当载荷达到最大值当载荷达到最大值Fb时，时，试样的直径发生局部收缩，称为试样的直径发生局部收缩，称为“缩颈缩颈”。试样变化所需载。试样变化所需载荷也随之降低，这时伸长主要集中于缩颈部位，直至断裂。荷也随之降低，这时伸长主要集中于缩颈部位，直至
4、断裂。二、强度二、强度强度是材料抵抗塑性变形或断裂的能力。强度的大小用应力强度是材料抵抗塑性变形或断裂的能力。强度的大小用应力来表示，即单位面积上材料抵抗变形或断裂的内力来表示，即单位面积上材料抵抗变形或断裂的内力0FS上-页 下-页 返回第一节第一节 强度与塑性强度与塑性此外，还用伸长除以试样原始标距长度的值称为应变此外，还用伸长除以试样原始标距长度的值称为应变按作用力性质不同，强度可分为屈服点按作用力性质不同，强度可分为屈服点(屈服强度屈服强度)、抗拉强、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。在工程上常用屈服度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。在工程上常用屈服强度和抗拉强度来表示金属材
5、料强度的指标。强度和抗拉强度来表示金属材料强度的指标。1.屈服强度屈服强度(屈服点屈服点)在拉伸过程中，出现载荷不增加而试样还继续伸长的现象称在拉伸过程中，出现载荷不增加而试样还继续伸长的现象称为屈服。为屈服。0ll0ssFS上-页 下-页 返回第一节第一节 强度与塑性强度与塑性大多数工程材料都没有明显的屈服现象，因此通常规定产生大多数工程材料都没有明显的屈服现象，因此通常规定产生0.2%残余伸长所对应的单位面积的载荷残余伸长所对应的单位面积的载荷(Fo.z)作为条件作为条件屈服强度屈服强度 2.抗拉强度抗拉强度(强度极限强度极限)当拉伸试样屈服以后，欲继续变形，必须不断增加载荷。当当拉伸试样
6、屈服以后，欲继续变形，必须不断增加载荷。当载荷达到最大值载荷达到最大值Fn(单位为单位为N)后，试样的某一部位截面开始后，试样的某一部位截面开始急剧缩小，出现了急剧缩小，出现了“缩颈缩颈”，致使载荷下降，直到最后断裂。，致使载荷下降，直到最后断裂。0.20.20FS0bbFS上-页 下-页 返回第一节第一节 强度与塑性强度与塑性零件在工作时承受的单位面积最大载荷不允许超过抗拉强度，零件在工作时承受的单位面积最大载荷不允许超过抗拉强度，否则会发生断裂破坏。否则会发生断裂破坏。三、塑性三、塑性塑性是指断裂前材料产生永久变形的能力，塑性指标有伸长塑性是指断裂前材料产生永久变形的能力，塑性指标有伸长率
7、和断面收缩率，两者均为无单位量纲。率和断面收缩率，两者均为无单位量纲。1.伸长率伸长率如如图图4-3所示，在拉伸试验中，试样拉断后，标距的伸长与所示，在拉伸试验中，试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。其数值可由下式求出原始标距的百分比称为伸长率。其数值可由下式求出:100100%lll上-页 下-页 返回第一节第一节 强度与塑性强度与塑性 2.断面收缩率断面收缩率试样拉断后，缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百试样拉断后，缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。其数值可由下式求出分比称为断面收缩率。其数值可由下式求出:010100%SSS上-页 返回第二
8、节第二节 硬度硬度硬度是指材料抵抗另一硬物体压入其内的能力，即受压时抵硬度是指材料抵抗另一硬物体压入其内的能力，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。硬度是金属材料的一个重要的力学抗局部塑性变形的能力。硬度是金属材料的一个重要的力学性能指标，不仅可以间接地反映材料的强度硬度试验，还可性能指标，不仅可以间接地反映材料的强度硬度试验，还可以提供耐磨性的度量。以提供耐磨性的度量。一、洛氏硬度一、洛氏硬度1.洛氏硬度测量原理洛氏硬度测量原理洛氏硬度测量是一种压入硬度试验，但它不是测定压痕的面洛氏硬度测量是一种压入硬度试验，但它不是测定压痕的面积，而是测定压痕的深度，以深度的大小表示材料的硬度值。积，而是测定
9、压痕的深度，以深度的大小表示材料的硬度值。2.洛氏硬度种类洛氏硬度种类根据压头的种类和总载荷的大小，洛氏硬度常用的表示方式根据压头的种类和总载荷的大小，洛氏硬度常用的表示方式主要有主要有HRA,HRB,HRC和和HRF四种。四种。下-页 返回第二节第二节 硬度硬度(1)HRA 压头采用压头采用120金刚石圆锥，载荷金刚石圆锥，载荷588.399N,测测量范围量范围HRA70以上，主要测定零件表面硬化层、硬质等材以上，主要测定零件表面硬化层、硬质等材料的硬度料的硬度;(2)HRB 压头采用压头采用1.588mm直径钢球，载荷直径钢球，载荷980.665 N,测量范围测量范围HRB25100，主要
10、测定软钢、铜合金等材料，主要测定软钢、铜合金等材料的硬度。的硬度。(3)HRC 压头采用压头采用120金刚石圆锥，载荷金刚石圆锥，载荷1470.998 N，测量范围测量范围HRC2067，主要测定调质钢、淬火钢等材料的，主要测定调质钢、淬火钢等材料的硬度。硬度。(4)HRF 压头采用压头采用1.588mm直径钢球，载荷直径钢球，载荷588.399 N，测量范围，测量范围HRF25100，常用来测量镁合金、铝合金等，常用来测量镁合金、铝合金等材料的硬度。材料的硬度。上-页 下-页 返回第二节第二节 硬度硬度3.洛氏硬度的书写方式洛氏硬度的书写方式符号符号HR前面的数值为硬度值，后面为使用的标尺前
11、面的数值为硬度值，后面为使用的标尺4.洛氏硬度的优缺点洛氏硬度的优缺点(1)优点操作简便，压痕小，适用范围广。优点操作简便，压痕小，适用范围广。(2)缺点洛氏硬度测量结果分散度大，需多次测量取平均值。缺点洛氏硬度测量结果分散度大，需多次测量取平均值。二、布氏硬度二、布氏硬度1.布氏硬度测量原理布氏硬度测量原理如如图图4-5，将直径为，将直径为D的球体的球体(钢球或硬质合金球钢球或硬质合金球)在一定载在一定载荷荷F作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，测量作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，测量其压痕直径，以用单位压痕球冠面积上所承受的载荷来表示其压痕直径，以用单位压痕球冠面积上所
12、承受的载荷来表示上-页 下-页 返回第二节第二节 硬度硬度 布氏硬度值。布氏硬度值。2.布氏硬度的书写方式布氏硬度的书写方式符号符号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、载荷及载荷保持时间。按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。3.布氏硬度的优缺点布氏硬度的优缺点(1)优点优点测量误差小、数据稳定测量误差小、数据稳定布氏硬度和强度有较好的对应关系。布氏硬度和强度有较好的对应关系。2220.102FFHBS HBWSD D Dd上-页 下-页 返回第二节第二节 硬度硬度(2)布氏硬度的缺点布氏硬度的缺点只适用于低硬度
13、材料如铸铁、有色金属、低合金结构钢和结只适用于低硬度材料如铸铁、有色金属、低合金结构钢和结构调质钢等的硬度测量构调质钢等的硬度测量;压痕大，不能用于薄壁件或成品件，常用于原材料、毛坯、压痕大，不能用于薄壁件或成品件，常用于原材料、毛坯、半成品的硬度测量半成品的硬度测量;只有只有F/D2的值为常数的布氏硬度才有可比性。的值为常数的布氏硬度才有可比性。三、维氏硬度三、维氏硬度1.维氏硬度测量原理维氏硬度测量原理维氏硬度测量原理与布氏硬度相同，不同点是压头为维氏硬度测量原理与布氏硬度相同，不同点是压头为136金刚石四方角锥体，所加负荷较小，所测硬度值精确。金刚石四方角锥体，所加负荷较小，所测硬度值精
14、确。上-页 下-页 返回第二节第二节 硬度硬度2.维氏硬度优点维氏硬度优点维氏硬度保留了洛氏硬度和布氏硬度的优点，既可以测极软维氏硬度保留了洛氏硬度和布氏硬度的优点，既可以测极软到极硬材料的硬度，又不存在布氏硬度到极硬材料的硬度，又不存在布氏硬度F/D2关系的约束，关系的约束，不同的不同的HV可相互比较。维氏硬度适用于各种金属材料，尤可相互比较。维氏硬度适用于各种金属材料，尤其是表面层其是表面层(如化学热处理层、电镀层如化学热处理层、电镀层)的硬度测量，精度较的硬度测量，精度较高。高。上-页 返回第三节第三节 冲击韧性冲击韧性材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧性。许多机械零件材料抵抗冲击载荷
15、作用的能力称为冲击韧性。许多机械零件和工具在工作中，往往要受到冲击载荷的作用，如发动机活和工具在工作中，往往要受到冲击载荷的作用，如发动机活塞、连杆、曲轴等零件在作功行程中受到很大的冲击载荷塞、连杆、曲轴等零件在作功行程中受到很大的冲击载荷;汽汽车起步、换挡、制动时钢板弹簧、齿轮、传动轴、半轴等零车起步、换挡、制动时钢板弹簧、齿轮、传动轴、半轴等零件会受到很大的冲击载荷。件会受到很大的冲击载荷。冲击试验试样的类型分为冲击试验试样的类型分为V型和型和U型缺口两种试样。型缺口两种试样。图图4-7所所示为示为U型缺口标准试样的形状和尺寸。测定材料的冲击韧性型缺口标准试样的形状和尺寸。测定材料的冲击韧
16、性一般是在一次摆锤冲击试验机上进行，如一般是在一次摆锤冲击试验机上进行，如图图4-8所示。所示。实际上，在冲击载荷下工作的零件，很少是受大能量一次冲实际上，在冲击载荷下工作的零件，很少是受大能量一次冲击而破坏的，往往是经受小能量多次冲击，因冲击损伤的累击而破坏的，往往是经受小能量多次冲击，因冲击损伤的累积引起的断裂，故用积引起的断裂，故用ak值反映冲击韧性具有一定的局限性。值反映冲击韧性具有一定的局限性。返回第四节第四节 疲劳强度和断裂韧性疲劳强度和断裂韧性一、疲劳强度一、疲劳强度1.概述概述轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件在工作过程中各点的应轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件在工作过程中各点的
17、应力随时间做周期性的变化，这种周期性变化的应力称为交变力随时间做周期性的变化，这种周期性变化的应力称为交变应力。在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料应力。在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作会产生裂纹或突然发生完的屈服点，但经过较长时间的工作会产生裂纹或突然发生完全断裂的这一过程称为疲劳。全断裂的这一过程称为疲劳。2.各种材料的疲劳强度各种材料的疲劳强度材料承受的交变应力与材料断裂前承受交变应力的循环次数材料承受的交变应力与材料断裂前承受交变应力的循环次数之间的关系可用疲劳曲线来表示，之间的关系可用疲劳曲线来表示，图图4-9所示为疲劳曲线示所示
18、为疲劳曲线示意图。金属承受的交变应力越大，则断裂时应力循环次数意图。金属承受的交变应力越大，则断裂时应力循环次数N越少。越少。下-页 返回第四节第四节 疲劳强度和断裂韧性疲劳强度和断裂韧性二、断裂韧性二、断裂韧性桥梁、船舶、大型轧辊、转子等在设计时保证了足够的延伸桥梁、船舶、大型轧辊、转子等在设计时保证了足够的延伸率、韧性和屈服强度，但仍不免破坏，有时会发生低应力脆率、韧性和屈服强度，但仍不免破坏，有时会发生低应力脆断，原因是构件或零件内部存在或大或小的裂纹，裂纹在应断，原因是构件或零件内部存在或大或小的裂纹，裂纹在应力作用下可失稳而扩展，导致机件破断。材料抵抗裂纹失稳力作用下可失稳而扩展，导
19、致机件破断。材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力叫断裂韧性。扩展断裂的能力叫断裂韧性。上-页 返回第五节第五节 金属材料的物理化学性能金属材料的物理化学性能一、金属的物理性能一、金属的物理性能1.密度密度密度是指单位体积物质的质量。密度小于密度是指单位体积物质的质量。密度小于4.5 x 103的金属的金属称为轻金属，如铝、镁、钦及其合金。称为轻金属，如铝、镁、钦及其合金。2.熔点熔点金属从固态向液态转变时的温度称为熔点。纯金属都有固定金属从固态向液态转变时的温度称为熔点。纯金属都有固定的熔点。熔点高的金属称为难熔金属，如钨、铝、钒等，可的熔点。熔点高的金属称为难熔金属，如钨、铝、钒等，可以用来制造耐
20、高温零件，如在火箭、导弹、燃气轮机和喷气以用来制造耐高温零件，如在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。飞机等方面得到广泛应用。3.导电性导电性传导电流的能力称导电性，用电阻率来衡量。电阻率越小，传导电流的能力称导电性，用电阻率来衡量。电阻率越小，金属材料导电性越好。金属导电性以银为最好，铜、铝次之，金属材料导电性越好。金属导电性以银为最好，铜、铝次之，合金的导电性比纯金属差。合金的导电性比纯金属差。下-页 返回第五节第五节 金属材料的物理化学性能金属材料的物理化学性能4.磁性磁性金属材料根据磁性可分为铁磁性材料、顺磁性材料和抗磁性金属材料根据磁性可分为铁磁性材料、顺磁性材料和抗磁
21、性材料。铁磁性材料在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钻等材料。铁磁性材料在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钻等可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。顺磁性材料在外可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。顺磁性材料在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等。磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等。5.导热性导热性导热性通常用热导率来衡量，热导率越大，导热性越好。金导热性通常用热导率来衡量，热导率越大，导热性越好。金属的导热性以银为最好，铜、铝次之，合金的导热性比纯金属的导热性以银为最好，铜、铝次之，合金的导热性比纯金属差。属差。6.热膨胀性热膨胀性金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。金属材料随
22、着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。上-页 下-页 返回第五节第五节 金属材料的物理化学性能金属材料的物理化学性能 由膨胀系数大的材料制造的零件，在温度变化时，尺寸和形由膨胀系数大的材料制造的零件，在温度变化时，尺寸和形状变化较大。状变化较大。二、金属的化学性能二、金属的化学性能金属的化学性能主要指金属耐腐蚀性和抗氧化性。金属材料金属的化学性能主要指金属耐腐蚀性和抗氧化性。金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性统称化学稳定性，在高温下的化学稳的耐腐蚀性和抗氧化性统称化学稳定性，在高温下的化学稳定性也称为热稳定性。定性也称为热稳定性。1.耐腐蚀性耐腐蚀性金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐
23、蚀破坏金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力称为耐腐蚀性。碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差作用的能力称为耐腐蚀性。碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差;钦及钦及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好其合金、不锈钢的耐腐蚀性好;铝合金和铜合金有较好的耐腐铝合金和铜合金有较好的耐腐蚀性。蚀性。上-页 下-页 返回第五节第五节 金属材料的物理化学性能金属材料的物理化学性能2.抗氧化性抗氧化性金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称为抗氧化性。加入金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称为抗氧化性。加入Cr，Si等元素，可提高钢的抗氧化性，如等元素，可提高钢的抗氧化性，如4Cr9Si2可制造可制造内燃机排气阀及加热炉炉底板、料盘等。内燃机排气阀及加热炉炉底板、料盘等。上-页 返回图图4-1圆形拉伸试样圆形拉伸试样返回图图4-3静拉伸试样伸长变形示意图静拉伸试样伸长变形示意图返回图图4-5布氏硬度试验原理图布氏硬度试验原理图返回图图4-7 U型缺口冲击试样型缺口冲击试样返回图图4-8一次摆锤冲击试验一次摆锤冲击试验返回图图4-9疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图返回
