1、第第1章章 金属材料的性能金属材料的性能 金属材料的性能一般分为工艺性能和使用金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能两类。所谓工艺性能是指机械零件在加工性能两类。所谓工艺性能是指机械零件在加工制造过程中，金属材料在所定的冷、热加工条制造过程中，金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。金属材料工艺性能的好件下表现出来的性能。金属材料工艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。由于加工条件不同，要求的工艺性能也就力。由于加工条件不同，要求的工艺性能也就不同，如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理不同，如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、
2、切削加工性等。所谓使用性能是指机械性能、切削加工性等。所谓使用性能是指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来的性能，零件在使用条件下，金属材料表现出来的性能，它包括机械性能、物理性能、化学性能等。金它包括机械性能、物理性能、化学性能等。金属材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围属材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命。与使用寿命。1.1 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 金属材料的力学性能是指金属材料在不同的环境金属材料的力学性能是指金属材料在不同的环境因素（温度、介质）下，承受外加载荷作用时所因素（温度、介质）下，承受外加载荷作用时所表现的性能，这种性能通常表现为变形和断裂。表
3、现的性能，这种性能通常表现为变形和断裂。因此，金属材料的力学性能可以理解为金属材料因此，金属材料的力学性能可以理解为金属材料抵抗外加载荷引起的变形和断裂的能力，也称为抵抗外加载荷引起的变形和断裂的能力，也称为金属材料的机械性能。金属材料的机械性能是零金属材料的机械性能。金属材料的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据。外加载荷性质不件的设计和选材时的主要依据。外加载荷性质不同（例如拉伸、压缩、剪切、扭转和弯曲等），同（例如拉伸、压缩、剪切、扭转和弯曲等），对金属材料要求的机械性能也将不同。常用的机对金属材料要求的机械性能也将不同。常用的机械性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、多械性能包括：强
4、度、塑性、硬度、冲击韧性、多次冲击抗力和疲劳极限等。下面将分别讨论各种次冲击抗力和疲劳极限等。下面将分别讨论各种机械性能。机械性能。一、一、强度与塑性强度与塑性 1 1、强度强度 强度是指金属材料在静荷作用下抵抗强度是指金属材料在静荷作用下抵抗永久变形和断裂永久变形和断裂 的能力。由于载荷的作用方式有的能力。由于载荷的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切等形式，所以强度也分拉伸、压缩、弯曲、剪切等形式，所以强度也分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。各种强度间常有一定的联系，使用中一般以抗拉各种强度间常有一定的联系，使用中一般以抗拉强度作为最基本
5、的强度指标。强度作为最基本的强度指标。2 2、塑性塑性 塑性是指金属材料在载荷作用下发生塑性是指金属材料在载荷作用下发生不可逆变形的能力，也就是金属材料在断裂前发不可逆变形的能力，也就是金属材料在断裂前发生塑性变形的能力。衡量金属材料塑性能力的指生塑性变形的能力。衡量金属材料塑性能力的指标是延伸率和断面收缩率。标是延伸率和断面收缩率。金属材料的强度与塑性指标一般是在材料试金属材料的强度与塑性指标一般是在材料试验机上通过拉伸试验测得验机上通过拉伸试验测得 液压式万能材料试验机液压式万能材料试验机拉伸试样的形状通拉伸试样的形状通常有圆形和板状两常有圆形和板状两种类。在国家标准种类。在国家标准GB6
6、3971986金属拉伸试样金属拉伸试样中，对试样的形状、中，对试样的形状、尺寸及加工要求均尺寸及加工要求均有明确规定。有明确规定。长试样：长试样：L0=10d0,短试样：短试样：L0=5d0拉伸曲线 FesbkLFsFbO屈服屈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拉伸试样的颈缩现象试件从拉伸到断裂经过试件从拉伸到断裂经过 的的4个阶段个阶段 1、弹性变形阶段、弹性变形阶段（试件变形随载荷的作用而产生，随（试件变形随载荷的作用而产生，随载荷的去除而消失。在弹性阶段中，应力与应变成正比，载荷的去除而消失。在弹性阶段中，
7、应力与应变成正比，呈线性关系，这种关系称胡克定理。当载荷超过呈线性关系，这种关系称胡克定理。当载荷超过F FP P 时材料时材料还将产生微量的塑性变形，它不能随载荷去除而消失）还将产生微量的塑性变形，它不能随载荷去除而消失）2、屈服变形阶段、屈服变形阶段（当载荷增加到当载荷增加到F FS S 时保持不变，试件时保持不变，试件的变形继续增加，这种现象称为材料的屈服。这时在拉伸的变形继续增加，这种现象称为材料的屈服。这时在拉伸曲线上出现锯齿形水平线段）曲线上出现锯齿形水平线段）3、冷变形强化阶段、冷变形强化阶段（材料过屈服阶段后，又重新出现（材料过屈服阶段后，又重新出现了抵抗变形的能力。这时继续增
8、加应力，应变也增加，但了抵抗变形的能力。这时继续增加应力，应变也增加，但已不成正比关系不再服从虎克定律，到达最高点已不成正比关系不再服从虎克定律，到达最高点b b时，试时，试件局部变细形成颈缩现象）件局部变细形成颈缩现象）4、缩颈与断裂阶段、缩颈与断裂阶段（由于颈缩，局部截面将迅速减小，由于颈缩，局部截面将迅速减小，拉力开始下降，直至拉力开始下降，直至k k点试件断裂。点试件断裂。F Fb b 是试件拉断前能承是试件拉断前能承受的最大载荷，称为极限载荷）受的最大载荷，称为极限载荷）1、强度指标、强度指标 金属材料的强度是用应力来表示的，即材料承受载荷后内部产生一个与载荷相平衡的内力，我们将单位
9、面积上的内力称应力，用表示。为了保证机械零件的正常工作，我们必须知道金属材料的强度指标，它通常是指金属材料的弹性极限、屈服点和抗拉强度。（这些参数可以计算，也可以查阅相关技术资料）（1）弹性极限 即金属材料不产生塑性变形时所能承受的最即金属材料不产生塑性变形时所能承受的最大应力。拉伸曲线大应力。拉伸曲线e e点对应的应力点对应的应力 e e为弹性极限：为弹性极限：e=Fe/S0 式中式中 e 弹性极限（弹性极限（MPa）；）；F e 试样产生完全弹性变形时的最大载荷试样产生完全弹性变形时的最大载荷（N）；）；S0 试样原始横截面积（试样原始横截面积（mm 2）。）。MPa与与Pa的换算的换算
10、我国法定压力单位为帕斯卡（简称帕），我国法定压力单位为帕斯卡（简称帕），符号为符号为Pa,1Pa=1N/m2。由于。由于Pa太小，工太小，工程上常用其倍数单位程上常用其倍数单位MPa（兆帕）来表示。（兆帕）来表示。1兆帕兆帕(MPa)1000000帕帕(Pa)。Mpa,也是也是压强单位，读作兆帕，也就是百万（压强单位，读作兆帕，也就是百万（M）帕）帕斯卡（斯卡（Pa）。）。1MPa1000000Pa1.00牛牛平方毫米（平方毫米（19.8=0.102）千克力）千克力平方毫米平方毫米。（2）屈服点）屈服点屈服点屈服点：即试样在拉伸过程中力不增加：即试样在拉伸过程中力不增加（保持恒定）仍能继续伸长
11、（变形）时的（保持恒定）仍能继续伸长（变形）时的应力。在拉伸曲线上应力。在拉伸曲线上s点对应的应力为屈服点对应的应力为屈服点。点。s=Fs/S0式中式中 s屈服点（屈服点（MPa）；）；Fs试样开始产生屈服现象时试样开始产生屈服现象时的载荷（的载荷（N）；）；S0试样原始横截面积，（试样原始横截面积，（mm 2）。）。条件屈服强度 高碳钢、铸铁等脆性材料在拉伸图中没高碳钢、铸铁等脆性材料在拉伸图中没有明显的水平阶段（即屈服现象），也不有明显的水平阶段（即屈服现象），也不产生颈缩，而直接被拉断。为了衡量这些产生颈缩，而直接被拉断。为了衡量这些材料的屈服特性材料的屈服特性,规定产生永久残余变形等规
12、定产生永久残余变形等于一定值于一定值(一般为原长度的一般为原长度的0.2%)0.2%)时的应力时的应力,称为条件屈服强度或简称屈服强度，称为条件屈服强度或简称屈服强度，用符用符号号0.20.2表示。表示。计算公式计算公式:F0.2S00.2=b=FbS0 应用：制作机械零件和工应用：制作机械零件和工程构件时的选材和设计的依据程构件时的选材和设计的依据。计算公式计算公式:（3）抗拉强度（强度极限）抗拉强度（强度极限）:材料承受最大载荷时的应力。用b表示。2 2、塑性指标、塑性指标 即断裂前材料发生不可逆永久变形的能力，称塑即断裂前材料发生不可逆永久变形的能力，称塑性。塑性是金属材料的主要力学性能
13、指标。性。塑性是金属材料的主要力学性能指标。衡量塑性的依据是伸长率和断面收缩率。衡量塑性的依据是伸长率和断面收缩率。伸长率伸长率断面收缩率断面收缩率压缩率压缩率塑性塑性（1 1）伸长率）伸长率 即试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。即试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。=(L=(L1 1-L-L0 0)/L)/L0 0 100%100%式中式中 伸长率（伸长率（%）；）；L L1 1试样拉断后标距（试样拉断后标距（mm)mm)；L L0 0 试样原始标距（试样原始标距（mm)mm)。（2 2）断面收缩率）断面收缩率 即试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原即试样拉断后，缩颈处横截面
14、积的最大缩减量与原始的横截面积的百分比。始的横截面积的百分比。=（S S0 0-S-S1 1）/S/S0 0100%100%式中式中 断面收缩率（断面收缩率（%）；）；S S1 1试样的原始截面积（试样的原始截面积（mmmm2 2）S S0 0试样拉断后缩颈处的最小横截面积（试样拉断后缩颈处的最小横截面积（mmmm2 2)材料的塑性指标对机械零件的加工材料的塑性指标对机械零件的加工和使用具有重要意义。金属材料的和使用具有重要意义。金属材料的延伸率和断面收缩率数值越大，表延伸率和断面收缩率数值越大，表示材料的塑性越好。示材料的塑性越好。二、硬度二、硬度（Hardnss、代号、代号H）硬度是硬度是
15、材料抵抗硬的物体压入其内的材料抵抗硬的物体压入其内的能力能力,是材料性能的一个综合物理量。表示是材料性能的一个综合物理量。表示材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的能力。在产品设计图样塑性变形或破断的能力。在产品设计图样的技术条件中，硬度是一顶主要技术指标。的技术条件中，硬度是一顶主要技术指标。金属材料的硬度可用硬度仪来测试，常金属材料的硬度可用硬度仪来测试，常用的硬指标有布氏硬度、洛氏硬度等。用的硬指标有布氏硬度、洛氏硬度等。（硬度视频演示）（硬度视频演示）1.1.布氏硬度（布氏硬度（HBHB）布氏硬度（布氏硬度（HBHB）=载荷与压痕面
16、积之比。单位为载荷与压痕面积之比。单位为Kmf/mmKmf/mm2 2（N/mmN/mm2 2),1kgf/9.806N=0.102.),1kgf/9.806N=0.102.用直径用直径D D的淬火钢球或硬质合金球的淬火钢球或硬质合金球,在一定压力在一定压力P P下下,将钢球垂直地压入金属表面将钢球垂直地压入金属表面,并保持压力并保持压力到规定的时间后卸荷到规定的时间后卸荷,测压痕直径测压痕直径d.d.HB=F/S(N/mmHB=F/S(N/mm2 2)单位一般不写单位一般不写F F载荷，载荷，N(kgf)N(kgf)S-S-压痕面积压痕面积.布氏硬度试验原理图布氏硬度试验原理图布氏硬度试验的
17、布氏硬度试验的F/D2值的选择值的选择 根据被测金属材料的种类和试样厚度、选用不同大小的球根据被测金属材料的种类和试样厚度、选用不同大小的球体直径体直径D D，施加的试验力，施加的试验力F F和试验力保持时间，按表和试验力保持时间，按表1 11 1所所列的布氏硬变试验规范正确选择列的布氏硬变试验规范正确选择 。材材 料料布氏硬度布氏硬度0.102F/D0.102F/D2 2备备 注注钢及铸铁1401401030F单位：ND单位：mm铜及其合金353520013051030轻金属及其合金35358080251010铅、锡1 淬火钢球做压头时，符号用淬火钢球做压头时，符号用HBS表示；表示；硬质合
18、金球做压头时，符号用硬质合金球做压头时，符号用HBW表示；表示；)/()(2102.0)(222mmNdDDDFSFHBWHBS布氏硬度标注布氏硬度标注 符号符号HBS或或HBW之前的数字表示硬度值，除之前的数字表示硬度值，除了采用钢球直径了采用钢球直径D D为为10mm,10mm,试验力为试验力为3000kgf,3000kgf,保持时保持时间为间为10sr 10sr 试验条件外，在其它试验条件下，符号试验条件外，在其它试验条件下，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷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。如保持时间。如:150HBS10/1000/30表示直径为表示
19、直径为10mm的钢球在的钢球在1000kgf载荷作用下保持载荷作用下保持30s测得的布氏硬测得的布氏硬度值为度值为150。布氏硬度的特点及应用布氏硬度的特点及应用优点：优点：试验时使用的压头直径较大，在试样表面上留下压痕也较大，试验时使用的压头直径较大，在试样表面上留下压痕也较大，所测得值也较准确。所测得值也较准确。HBHB与与b b之间有一定的近似关系，因此可以按布氏之间有一定的近似关系，因此可以按布氏硬度值近似确定金属材料抗拉强度：硬度值近似确定金属材料抗拉强度：bKHBbKHB（k=0.360.34k=0.360.34）缺点：缺点：对金属表面的损伤较大，不易测试太薄工件的硬度，也不适于对
20、金属表面的损伤较大，不易测试太薄工件的硬度，也不适于测定成品件硬度。适用测定测定成品件硬度。适用测定HBHB450450的金属材料。的金属材料。2、洛氏硬度（、洛氏硬度（HR）洛氏硬度试验是用一个锥角为洛氏硬度试验是用一个锥角为120的金刚的金刚石锥体或直径为石锥体或直径为1.588mm（1/16）的淬火）的淬火钢球，在规定的载荷作用下压入被测金属钢球，在规定的载荷作用下压入被测金属表面，由压头在金属表面所形成的压痕深表面，由压头在金属表面所形成的压痕深度来确定其硬度值。洛氏硬度试验是简便、度来确定其硬度值。洛氏硬度试验是简便、迅速的迅速的硬度硬度测试方法。洛氏硬度试验方法测试方法。洛氏硬度试
21、验方法广泛应用于广泛应用于生产生产制造制造、科学科学研究研究的各个领的各个领域。域。洛氏硬度计洛氏硬度计00112332h0h1h2e1-1 1-1 初载初载10kg h010kg h02-2 2-2 总载总载150kg h1150kg h13-3 3-3 卸载卸载140kg h2140kg h2最后测得：最后测得：残余压痕深度增量 e eHR=k-e/0.002e=h2-h0e=h2-h0 试验方法试验方法 洛氏硬度试验是用标准型压头洛氏硬度试验是用标准型压头,先后两次对被试材料表面先后两次对被试材料表面施加施加试验力试验力（初试验力（初试验力F0与总试验力与总试验力F0+F1），在试验），
22、在试验力的作用下压头压入试样表面。在总试验力保持一定时间力的作用下压头压入试样表面。在总试验力保持一定时间后，卸除主试验力后，卸除主试验力F1，保留初始试验力，保留初始试验力F0的情况下测量的情况下测量压入深度，以总试验力下压入深度与在初试验力下的压入压入深度，以总试验力下压入深度与在初试验力下的压入深度之差（即所谓的残余压入深度）来表征硬度的高低，深度之差（即所谓的残余压入深度）来表征硬度的高低，残余压入深度值越大，硬度值越低，反之亦然。残余压入深度值越大，硬度值越低，反之亦然。洛氏硬度洛氏硬度试验时，硬度值可以从硬度计上的刻度盘直接读出。试验时，硬度值可以从硬度计上的刻度盘直接读出。洛氏硬
23、度洛氏硬度HR=K-e/s式中式中 K为给定标尺的硬度常数，为给定标尺的硬度常数，用金刚锥体压头驻用金刚锥体压头驻 时，时，k=0.2mm,用钢球压头时，用钢球压头时，k=0.26mm；S为给定标尺的单位，通常以为给定标尺的单位，通常以0.002为一个硬为一个硬 度单位。度单位。硬度标尺硬度标尺 洛氏硬度试验采用三种试验力，三种压头，它们洛氏硬度试验采用三种试验力，三种压头，它们共有共有9种组合，对应于洛氏硬度的种组合，对应于洛氏硬度的9个标尺：个标尺：HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH和和HRK。这。这9个标尺的应用涵盖了几乎所有常用个标尺的应用涵盖了几乎所有常用
24、的金属材料。最常用标尺是的金属材料。最常用标尺是HRC、HRB和和HRF，其中其中HRC标尺用于测试淬火钢、回火钢、调质钢标尺用于测试淬火钢、回火钢、调质钢和部分不锈钢。这是金属加工行业应用最多的硬和部分不锈钢。这是金属加工行业应用最多的硬度试验方法。度试验方法。HRB标尺用于测试各种退火钢、正标尺用于测试各种退火钢、正火钢、软钢、部分不锈钢及较硬的铜合金。火钢、软钢、部分不锈钢及较硬的铜合金。HRF标尺用于测试纯铜、较软的铜合金和硬铝合金。标尺用于测试纯铜、较软的铜合金和硬铝合金。HRA标尺尽管也可用于大多数黑色金属，但是实标尺尽管也可用于大多数黑色金属，但是实际应用上一般只限于测试硬质合金
25、和薄硬钢带材际应用上一般只限于测试硬质合金和薄硬钢带材料。料。洛氏硬度的分类及应用洛氏硬度的分类及应用标尺标尺压头压头总总载荷载荷/N（kgf）应用范应用范围围适用材料适用材料HRA120金刚金刚石圆锥石圆锥588.4（60）7080硬质合金、硬质合金、表面淬火的钢表面淬火的钢HRB1.588mm钢球钢球（1/16）980.7（100）20100软软钢、退火钢、钢、退火钢、铜合金铜合金HRC120金刚金刚石圆锥石圆锥1471（150）2070淬火钢、调质钢等淬火钢、调质钢等洛氏硬度标注洛氏硬度标注洛氏硬度的特点洛氏硬度的特点 洛氏硬度值为一无名数，根据国家标准规定，硬度数值写洛氏硬度值为一无名
26、数，根据国家标准规定，硬度数值写在符号在符号HR的前面，的前面，HR后面为使用的标尺，如后面为使用的标尺，如50HRC，表，表示用示用C标尺测定的洛氏硬度值为标尺测定的洛氏硬度值为50。洛氏硬度试验是生产中广泛应用的一种硬度试验。其特点洛氏硬度试验是生产中广泛应用的一种硬度试验。其特点是，硬度试验压痕小，对试件表面损伤小，常用来直接检是，硬度试验压痕小，对试件表面损伤小，常用来直接检验成品或半成品的硬度；试验操作迅速简便，可以直接从验成品或半成品的硬度；试验操作迅速简便，可以直接从试验机上读出硬度值。当采用不同标尺时，可测量出从极试验机上读出硬度值。当采用不同标尺时，可测量出从极软到极硬材料的
27、硬度。主要缺点是，由于压痕小，对内部软到极硬材料的硬度。主要缺点是，由于压痕小，对内部组织和硬度不均匀的材料，所测结果不够准确，因此，在组织和硬度不均匀的材料，所测结果不够准确，因此，在测试时在被测金属的不同三点测出硬度，取其平均数。洛测试时在被测金属的不同三点测出硬度，取其平均数。洛氏硬度各标尺之间没有直接的对应关系。氏硬度各标尺之间没有直接的对应关系。3 3、维氏硬度（维氏硬度（HVHV）基本原理基本原理 维氏硬度试验也是一种压痕试验方法，是将一个维氏硬度试验也是一种压痕试验方法，是将一个相对面夹角为相对面夹角为136136的正四棱锥体金刚石压头以选的正四棱锥体金刚石压头以选定的试验力（定
28、的试验力（F F）压入试验表面，经规定保持时间）压入试验表面，经规定保持时间后卸除试验力，测量压痕两对角线后卸除试验力，测量压痕两对角线平均平均长度长度d,d,计计算出压痕面积算出压痕面积S S，求出单位面积上的平均压力，称，求出单位面积上的平均压力，称维氏硬度，用符号维氏硬度，用符号HVHV表示。表示。28544.1dFHv 表示方法表示方法 维氏硬度值用符号维氏硬度值用符号“HV”表示。表示。HV前面为前面为硬度值，后面按硬度值，后面按“试验载荷试验载荷/载荷保持时间载荷保持时间（1015S不标注）不标注）”的顺序用数值表示的顺序用数值表示试验条件。试验条件。例如：例如：640HV30/2
29、0 表示用表示用294.21N（30kgf）试验载荷，保持）试验载荷，保持20S，测定的维，测定的维氏硬度值为氏硬度值为640。布氏硬度常用试验力及其适用范围布氏硬度常用试验力及其适用范围 维氏硬度试验所用试验力视其试样大小、薄厚及其他条件，维氏硬度试验所用试验力视其试样大小、薄厚及其他条件，可在可在49.0349.03980.7N980.7N的范围内选择试验力。常用的试验力的范围内选择试验力。常用的试验力有有49.03N49.03N、98.07N98.07N、196.1N196.1N、294.2N294.2N、490.3N490.3N、980.7N980.7N。维氏硬度试验适用范围宽，尤其适
30、用测定金属镀层、薄维氏硬度试验适用范围宽，尤其适用测定金属镀层、薄片金属及化学热处理的表面层（渗碳层、渗氮层等）硬度，片金属及化学热处理的表面层（渗碳层、渗氮层等）硬度，其结果精确可靠。其结果精确可靠。试验优缺点试验优缺点 优点：优点：与布氏、洛氏硬度试验比较，维氏硬度试验不存在与布氏、洛氏硬度试验比较，维氏硬度试验不存在试验力与压头直径有一定比例关系的约束；也不存在压头试验力与压头直径有一定比例关系的约束；也不存在压头变形问题，压痕轮廓清晰，采用对角线长度计量，精确可变形问题，压痕轮廓清晰，采用对角线长度计量，精确可靠，硬度值误差较小。靠，硬度值误差较小。缺点：缺点：其硬度值需要先测量对角线
31、长度，然后经计算或查其硬度值需要先测量对角线长度，然后经计算或查表确定，故效率不如洛氏硬度试验高。表确定，故效率不如洛氏硬度试验高。三、冲击韧性三、冲击韧性 以加速度作用于工件上的载荷，称冲击载荷。许以加速度作用于工件上的载荷，称冲击载荷。许多机械零件和工具在工作时要承受一定的冲击载多机械零件和工具在工作时要承受一定的冲击载荷，如冲床的冲模、锻造的锻模、内燃机的活塞荷，如冲床的冲模、锻造的锻模、内燃机的活塞销、风动工具等。对这些零件，不仅要满足在静销、风动工具等。对这些零件，不仅要满足在静载荷下的强度、塑性、硬度等要求，还必须具有载荷下的强度、塑性、硬度等要求，还必须具有足够的抵抗冲击载荷的能
32、力。足够的抵抗冲击载荷的能力。金属材料抵抗冲击载荷的能力，称冲击韧性。为金属材料抵抗冲击载荷的能力，称冲击韧性。为了评定金属材料的冲击韧性，需要进行大能量一了评定金属材料的冲击韧性，需要进行大能量一次冲击试验。一次冲击试验通常在摆锤式冲击机次冲击试验。一次冲击试验通常在摆锤式冲击机上进行。上进行。摆摆锤锤式式冲冲击击实实验验机机冲击试样冲击试样试验时，将试样放在试验机两支座上，把质量为试验时，将试样放在试验机两支座上，把质量为G G的摆锤抬到高的摆锤抬到高H H，使，使摆锤自由落下，摆锤落下冲断试样后升至摆锤自由落下，摆锤落下冲断试样后升至h h高度。则摆锤冲断试样推动高度。则摆锤冲断试样推动
33、的位能，就是试样变形和断裂所消耗的功称为的位能，就是试样变形和断裂所消耗的功称为冲击吸收功冲击吸收功A AK K，即，即A AK=K=Gg(H-h)Gg(H-h)用试样的断口处截面积用试样的断口处截面积S SN N（cmcm2 2）去除）去除A AK K（J J）即得到）即得到冲击韧度冲击韧度，用，用AkAk表表示，单位为示，单位为J J（焦耳）（焦耳）/cm/cm2 2.a aK K=A=AK K/S/S 式中式中 S S试样缺口处面积，试样缺口处面积，cmcm2 2.冲击试验的实际意义冲击试验的实际意义1、韧脆转变温度韧脆转变温度材料在低于某温度时，材料在低于某温度时，A AK K值急剧下
34、降，使试样的断口由韧值急剧下降，使试样的断口由韧性断口过渡为脆性断口。因此，这个温度范围称为性断口过渡为脆性断口。因此，这个温度范围称为韧韧脆转变温度范围。脆转变温度范围。韧脆转变温度的高低是韧脆转变温度的高低是金属材料质量指标之一，韧金属材料质量指标之一，韧脆转变温度愈低，材料的低脆转变温度愈低，材料的低温冲击性能就愈好，对于在温冲击性能就愈好，对于在寒冷地区和低温下工作的机寒冷地区和低温下工作的机械和工程结构。如运输机械械和工程结构。如运输机械、桥梁、输送管道尤为重要。、桥梁、输送管道尤为重要。冲击吸收功冲击吸收功温度曲线温度曲线2 2、衡量原材料的冶金质量和热加工产品质量、衡量原材料的冶
35、金质量和热加工产品质量 冲击吸收功对原材料内部结构、缺陷等具冲击吸收功对原材料内部结构、缺陷等具有较大敏感性，很容易揭示出材料中某些有较大敏感性，很容易揭示出材料中某些物理现象，如晶粒粗化、冷脆、回火脆性物理现象，如晶粒粗化、冷脆、回火脆性及夹渣、气泡、偏析等。及夹渣、气泡、偏析等。目前常用冲击试验来检验冶炼、热处理及目前常用冲击试验来检验冶炼、热处理及各种热加工工艺和产品的质量。各种热加工工艺和产品的质量。冲击韧性试验除了大能量冲击试验外，冲击韧性试验除了大能量冲击试验外，有时还需要进行小能量多次冲击试验。有时还需要进行小能量多次冲击试验。小能量多次冲击试验是在落锤式试验机上进小能量多次冲击
36、试验是在落锤式试验机上进行的行的。试验时带有双冲点的锤头以一定的。试验时带有双冲点的锤头以一定的冲击频率冲击试样，直至冲断。多次冲击冲击频率冲击试样，直至冲断。多次冲击抗力指标一般是以在某冲击功抗力指标一般是以在某冲击功Ak作用下的作用下的冲击断次数冲击断次数N，或在某一冲击断次数，或在某一冲击断次数N时的时的冲击功冲击功Ak来表示。来表示。四、疲劳四、疲劳1、疲劳现象疲劳现象 机械零件在循环应力作用下工作时，经过一定周期工机械零件在循环应力作用下工作时，经过一定周期工作，发生突然断裂的现象，称为金属的疲劳现象。疲劳破作，发生突然断裂的现象，称为金属的疲劳现象。疲劳破坏具有很大的危险性，也是机
37、械零件失效的主要原因之一。坏具有很大的危险性，也是机械零件失效的主要原因之一。这种现象称为这种现象称为疲劳断裂。疲劳断裂。对称循环交变应力对称循环交变应力 提问提问:疲劳断裂是如何产生的？疲劳断裂是如何产生的？疲劳断裂是由于零件中存在缺陷，如裂纹、疲劳断裂是由于零件中存在缺陷，如裂纹、夹杂、刀痕等疲劳源，在循环应力作用下夹杂、刀痕等疲劳源，在循环应力作用下疲劳源处产生疲劳裂纹，这种疲劳裂纹不疲劳源处产生疲劳裂纹，这种疲劳裂纹不断扩展，减小了零件的有效承载面积，最断扩展，减小了零件的有效承载面积，最后当截面减小到不能承受外力时，零件即后当截面减小到不能承受外力时，零件即发生突然断裂。发生突然断裂
38、。2、疲劳强度、疲劳强度 试验证明，金属材料所受最大交变应力试验证明，金属材料所受最大交变应力maxmax 愈大，愈大，则断裂前所受的循环周次则断裂前所受的循环周次N N（定义为疲劳寿命）愈（定义为疲劳寿命）愈少，这种交变应力少，这种交变应力maxmax 与疲劳寿命与疲劳寿命N N的关系曲线的关系曲线称疲劳曲线或称疲劳曲线或S SN N曲线曲线 工程上规定，材料经受相当循环周次不发生断裂工程上规定，材料经受相当循环周次不发生断裂的最大应力称为疲劳极限，以符号的最大应力称为疲劳极限，以符号-1-1表示。表示。疲劳曲线-1Nn21N1N2NnNc钢铁材料：107次非铁合金：108次实际生产中提高疲
39、劳强度的方法：实际生产中提高疲劳强度的方法：1、避免或减少材料在冶炼和加工过程中造、避免或减少材料在冶炼和加工过程中造成的裂纹、夹杂、疏松、气孔、表面刀痕和成的裂纹、夹杂、疏松、气孔、表面刀痕和碰伤等缺陷；碰伤等缺陷；2、零件结构设计时，尽可能避免出现尖角、零件结构设计时，尽可能避免出现尖角、沟槽、圆角过小和截面突变等，以减少应力沟槽、圆角过小和截面突变等，以减少应力集中。集中。3、对零件表面采用喷丸、冷滚压、表面淬、对零件表面采用喷丸、冷滚压、表面淬火和渗、镀处理等工艺，以强化零件表面。火和渗、镀处理等工艺，以强化零件表面。总总 结结力学力学性能性能性能判据性能判据含义含义名称名称符号符号强
40、度强度 抗拉强度抗拉强度b b试样拉断前所能承受的最大试样拉断前所能承受的最大应力应力弹性极限弹性极限e金属材料不产生塑性变形时金属材料不产生塑性变形时所能承受的最大应力。所能承受的最大应力。屈服点屈服点s s拉伸试验产生屈服现象时的拉伸试验产生屈服现象时的应力，试验产生明显塑形变应力，试验产生明显塑形变形形规定残余规定残余伸长应力伸长应力0.20.2规定残余伸长率为规定残余伸长率为0.2%时的时的应力应力力学力学性能性能性能判据性能判据含义含义名称名称符号符号塑性塑性 断面收断面收缩率缩率试样横截面积的最大缩减量试样横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比与原始横截面积的百分比断后伸断后伸
41、长率长率断后标距的残余伸长与原始断后标距的残余伸长与原始标距的百分比标距的百分比韧性韧性冲击吸冲击吸收功收功Ak试样冲断所吸收的能量试样冲断所吸收的能量疲劳疲劳疲劳极疲劳极限限-1-1试样受无数次循环应力作用试样受无数次循环应力作用后仍不破断的最大应力后仍不破断的最大应力力学力学性能性能性能判据性能判据含义含义名称名称符号符号硬度硬度 布氏硬度布氏硬度HBSHBW球形压痕单位面积上承受的球形压痕单位面积上承受的平均压力平均压力洛氏硬度洛氏硬度HRAHRBHRC用洛氏硬度标尺的满程与压用洛氏硬度标尺的满程与压痕深度之差计算的硬度值痕深度之差计算的硬度值维氏硬度维氏硬度HV正四棱锥压痕单位面积上承正四棱锥压痕单位面积上承受的平均压力受的平均压力1.2 金属材料的其它性能（自学部分）金属材料的其它性能（自学部分）一、金属材料的物理性能一、金属材料的物理性能 二、金属材料的化学性能二、金属材料的化学性能 三、金属材料的工艺性能三、金属材料的工艺性能课外作业课外作业 教材第教材第1章，复习思考题章，复习思考题16题。题。
