金屬材料力學(xué)性能及實(shí)驗(yàn)

1、 第一章第一章 金屬的力學(xué)性能及試驗(yàn)方法金屬的力學(xué)性能及試驗(yàn)方法 金屬材料性能：使用性能和工藝性能金屬材料性能：使用性能和工藝性能 使用性能：為保證機(jī)械零件或工具正常工作，材料應(yīng)具備使用性能：為保證機(jī)械零件或工具正常工作，材料應(yīng)具備的性能，它包括物理性能（如導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性的性能，它包括物理性能（如導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性等）、化學(xué)性能（如抗腐蝕性、抗氧化性等）和力學(xué)性能。等）、化學(xué)性能（如抗腐蝕性、抗氧化性等）和力學(xué)性能。 工藝性能：在制造機(jī)械零件或工具的過程中，材料適應(yīng)各工藝性能：在制造機(jī)械零件或工具的過程中，材料適應(yīng)各種冷、熱加工和熱處理的性能，它包括鑄造、鍛造、焊接、種冷、熱加

2、工和熱處理的性能，它包括鑄造、鍛造、焊接、切削加工等工藝性能以及熱處理工藝性等。切削加工等工藝性能以及熱處理工藝性等。 力學(xué)性能：材料在外力作用下所顯示的性能，又稱機(jī)械性力學(xué)性能：材料在外力作用下所顯示的性能，又稱機(jī)械性能，如強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、抗疲勞性等。能，如強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、抗疲勞性等。 一、強(qiáng)度一、強(qiáng)度 強(qiáng)度：金屬抵抗永久變形和斷裂的能力強(qiáng)度：金屬抵抗永久變形和斷裂的能力 拉伸試驗(yàn)法：拉伸試驗(yàn)在拉伸試驗(yàn)法：拉伸試驗(yàn)在拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行上進(jìn)行 一、強(qiáng)度一、強(qiáng)度 強(qiáng)度：金屬抵抗永久變形和斷裂的能力強(qiáng)度：金屬抵抗永久變形和斷裂的能力 拉伸試驗(yàn)法：拉伸試驗(yàn)在拉伸試驗(yàn)法：拉伸試

3、驗(yàn)在拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行上進(jìn)行 拉伸試樣：圓形試樣（斷面為圓形），根據(jù)拉伸試樣：圓形試樣（斷面為圓形），根據(jù)GB639786的規(guī)定，拉伸試樣分為長比例試樣或短比例試樣。的規(guī)定，拉伸試樣分為長比例試樣或短比例試樣。對圓形試樣：長試樣對圓形試樣：長試樣l=10d。；短試樣。；短試樣l=5d。 拉伸曲線拉伸曲線：在開始的：在開始的 階段，材料處于彈性變形階段；階段，材料處于彈性變形階段；超過超過e點(diǎn)后，除彈性變形外，材料開始產(chǎn)生塑性變形，曲點(diǎn)后，除彈性變形外，材料開始產(chǎn)生塑性變形，曲線在線在S點(diǎn)處出現(xiàn)一小段水平點(diǎn)處出現(xiàn)一小段水平 線段，這種現(xiàn)象稱為線段，這種現(xiàn)象稱為“屈服屈服”，標(biāo)志著材料發(fā)生

4、微量塑性變形。當(dāng)拉伸力達(dá)到標(biāo)志著材料發(fā)生微量塑性變形。當(dāng)拉伸力達(dá)到 后，在后，在試樣的標(biāo)距長度內(nèi)某處，橫截面發(fā)生局部收縮，即產(chǎn)生試樣的標(biāo)距長度內(nèi)某處，橫截面發(fā)生局部收縮，即產(chǎn)生“縮頸縮頸”現(xiàn)象，此時(shí)拉伸力開始減小，故現(xiàn)象，此時(shí)拉伸力開始減小，故b點(diǎn)為曲線上集點(diǎn)為曲線上集中干預(yù)部，直至斷裂（中干預(yù)部，直至斷裂（k點(diǎn)）。點(diǎn)）。Fboe 拉伸曲線拉伸曲線：在開始的：在開始的 階段，材料處于彈性變形階段；階段，材料處于彈性變形階段；超過超過e點(diǎn)后，除彈性變形外，材料開始產(chǎn)生塑性變形，曲點(diǎn)后，除彈性變形外，材料開始產(chǎn)生塑性變形，曲線在線在S點(diǎn)處出現(xiàn)一小段水平點(diǎn)處出現(xiàn)一小段水平 線段，這種現(xiàn)象稱為線段，這

5、種現(xiàn)象稱為“屈服屈服”，標(biāo)志著材料發(fā)生微量塑性變形。當(dāng)拉伸力達(dá)到標(biāo)志著材料發(fā)生微量塑性變形。當(dāng)拉伸力達(dá)到 后，在后，在試樣的標(biāo)距長度內(nèi)某處，橫截面發(fā)生局部收縮，即產(chǎn)生試樣的標(biāo)距長度內(nèi)某處，橫截面發(fā)生局部收縮，即產(chǎn)生“縮頸縮頸”現(xiàn)象，此時(shí)拉伸力開始減小，故現(xiàn)象，此時(shí)拉伸力開始減小，故b點(diǎn)為曲線上集點(diǎn)為曲線上集中干預(yù)部，直至斷裂（中干預(yù)部，直至斷裂（k點(diǎn)）。點(diǎn)）。Fboe內(nèi)力：試樣受拉伸力內(nèi)力：試樣受拉伸力F作用后，導(dǎo)致材料內(nèi)部之間產(chǎn)生同樣大作用后，導(dǎo)致材料內(nèi)部之間產(chǎn)生同樣大 小的相互作用力小的相互作用力應(yīng)力：單位橫截面積上的內(nèi)力，。應(yīng)力：單位橫截面積上的內(nèi)力，。屈服點(diǎn)（屈服極限）：金屬產(chǎn)生屈服現(xiàn)

6、象時(shí)的應(yīng)力屈服點(diǎn)（屈服極限）：金屬產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力 。屈服強(qiáng)度：工程技術(shù)上一般規(guī)定，以試樣產(chǎn)生的塑性變形伸屈服強(qiáng)度：工程技術(shù)上一般規(guī)定，以試樣產(chǎn)生的塑性變形伸長量達(dá)到長量達(dá)到02時(shí)的應(yīng)力，時(shí)的應(yīng)力，0.2 。抗拉強(qiáng)度（強(qiáng)度極限）：金屬拉斷前承受的最大拉應(yīng)力，抗拉強(qiáng)度（強(qiáng)度極限）：金屬拉斷前承受的最大拉應(yīng)力，AFssAFossAFo2 . 02 . 0AFobbb 二、塑性二、塑性 塑性：金屬材料斷裂前發(fā)生永久變形的能力塑性：金屬材料斷裂前發(fā)生永久變形的能力 斷后伸長率：試樣拉斷后標(biāo)距的伸長量與原始標(biāo)距的百分?jǐn)嗪笊扉L率：試樣拉斷后標(biāo)距的伸長量與原始標(biāo)距的百分比比 由于同一材料用不同長度的試樣

7、測得的斷后伸長率由于同一材料用不同長度的試樣測得的斷后伸長率數(shù)值數(shù)值不同，因此應(yīng)注明試樣尺寸比例。不同，因此應(yīng)注明試樣尺寸比例。 斷面收縮率：試樣拉斷處橫截面積的減小量與原始橫截面斷面收縮率：試樣拉斷處橫截面積的減小量與原始橫截面積的百分比，積的百分比， 強(qiáng)度是表征材料變形抗力指標(biāo)，而塑性是描述變強(qiáng)度是表征材料變形抗力指標(biāo)，而塑性是描述變形能力的指標(biāo)。形能力的指標(biāo)。%100001lll%100001AAA第二節(jié)第二節(jié) 硬度及硬度試驗(yàn)硬度及硬度試驗(yàn) 硬度：金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、硬度：金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力壓痕或劃痕的能力 一、布氏硬度試驗(yàn)法一、布氏

8、硬度試驗(yàn)法 布氏硬度試驗(yàn)的原理布氏硬度試驗(yàn)的原理：用一定直徑：用一定直徑D（mm）的）的鋼球或硬質(zhì)合金球，以相應(yīng)的試驗(yàn)力鋼球或硬質(zhì)合金球，以相應(yīng)的試驗(yàn)力F（N）壓入）壓入試件表面，并保持一定的時(shí)間，然后卸除試驗(yàn)力，試件表面，并保持一定的時(shí)間，然后卸除試驗(yàn)力，測量試件表面的壓痕直徑測量試件表面的壓痕直徑d（mm），用試驗(yàn)力除），用試驗(yàn)力除以壓痕球形以壓痕球形表面積表面積A（mm2）所得的商作為布氏硬）所得的商作為布氏硬度值，符號為度值，符號為HBS（壓頭為鋼球時(shí)）或（壓頭為鋼球時(shí)）或HBW（壓（壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)）。頭為硬質(zhì)合金球時(shí)）。 HBS適用于測量低于布氏硬度值適用于測量低于布氏硬度值45

9、0的材料；的材料；HBW適用于適用于測量低于布氏硬度值測量低于布氏硬度值650的材料。的材料。 試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測的材料不同，球直徑、試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測的材料不同，球直徑、試驗(yàn)力及試驗(yàn)力保持時(shí)間按表試驗(yàn)力及試驗(yàn)力保持時(shí)間按表-1選擇。選擇。金屬種類金屬種類布 氏 硬 度 范 圍布 氏 硬 度 范 圍 H B S（HBW）試樣厚度試樣厚度/mm0.102球的直徑球的直徑/mm試驗(yàn)力試驗(yàn)力F/KN（k g f)試驗(yàn)力保持時(shí)試驗(yàn)力保持時(shí)間間/s黑色金屬黑色金屬140-450634223010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)126631010.05.09.

10、807(1000)2.452(250)12非鐵金屬非鐵金屬130634262.510.02.452(250)60表表 120HBS10100030代表用代表用 10mm鋼球，在鋼球，在1000kgf（10kN）試驗(yàn)力作用下保持）試驗(yàn)力作用下保持30s，測得的布氏硬度值。，測得的布氏硬度值。 布氏硬度試驗(yàn)法一般用于試驗(yàn)各種硬度不高的鋼材、鑄鐵、布氏硬度試驗(yàn)法一般用于試驗(yàn)各種硬度不高的鋼材、鑄鐵、有色金屬等，也用于試驗(yàn)經(jīng)淬火、回火但硬度不高的鋼件。有色金屬等，也用于試驗(yàn)經(jīng)淬火、回火但硬度不高的鋼件。 由于布氏硬度試驗(yàn)的壓痕較大，試驗(yàn)結(jié)果能更好地代表試由于布氏硬度試驗(yàn)的壓痕較大，試驗(yàn)結(jié)果能更好地代表

11、試件的硬度。件的硬度。二、洛氏硬度實(shí)驗(yàn)二、洛氏硬度實(shí)驗(yàn) 洛氏硬度試驗(yàn)法洛氏硬度試驗(yàn)法原理原理：根據(jù)壓痕的塑性變形深度來衡量硬：根據(jù)壓痕的塑性變形深度來衡量硬度。試驗(yàn)時(shí)，先加初始試驗(yàn)力度。試驗(yàn)時(shí)，先加初始試驗(yàn)力 98N（10kgf），使壓頭緊），使壓頭緊密接觸試件表面密接觸試件表面a，并壓入到，并壓入到b處，以此作為衡量壓入深度處，以此作為衡量壓入深度的起點(diǎn)，再加主試驗(yàn)力使壓頭壓入到的起點(diǎn)，再加主試驗(yàn)力使壓頭壓入到c處，然后去掉主試處，然后去掉主試驗(yàn)力，由于被試金屬彈性變形的消除，壓頭向上回升到驗(yàn)力，由于被試金屬彈性變形的消除，壓頭向上回升到d處。處。洛氏硬度計(jì)洛氏硬度計(jì)表盤上讀出即可。表盤上讀

12、出即可。二、洛氏硬度實(shí)驗(yàn)二、洛氏硬度實(shí)驗(yàn) 洛氏硬度試驗(yàn)法洛氏硬度試驗(yàn)法原理原理：根據(jù)壓痕的塑性變形深度來衡量硬：根據(jù)壓痕的塑性變形深度來衡量硬度。試驗(yàn)時(shí)，先加初始試驗(yàn)力度。試驗(yàn)時(shí)，先加初始試驗(yàn)力 98N（10kgf），使壓頭緊），使壓頭緊密接觸試件表面密接觸試件表面a，并壓入到，并壓入到b處，以此作為衡量壓入深度處，以此作為衡量壓入深度的起點(diǎn)，再加主試驗(yàn)力使壓頭壓入到的起點(diǎn)，再加主試驗(yàn)力使壓頭壓入到c處，然后去掉主試處，然后去掉主試驗(yàn)力，由于被試金屬彈性變形的消除，壓頭向上回升到驗(yàn)力，由于被試金屬彈性變形的消除，壓頭向上回升到d處。處。洛氏硬度計(jì)洛氏硬度計(jì)表盤上讀出即可。表盤上讀出即可。二、洛

13、氏硬度實(shí)驗(yàn)二、洛氏硬度實(shí)驗(yàn) 洛氏硬度試驗(yàn)法洛氏硬度試驗(yàn)法原理原理：根據(jù)壓痕的塑性變形深度來衡量硬：根據(jù)壓痕的塑性變形深度來衡量硬度。試驗(yàn)時(shí)，先加初始試驗(yàn)力度。試驗(yàn)時(shí)，先加初始試驗(yàn)力 98N（10kgf），使壓頭緊），使壓頭緊密接觸試件表面密接觸試件表面a，并壓入到，并壓入到b處，以此作為衡量壓入深度處，以此作為衡量壓入深度的起點(diǎn)，再加主試驗(yàn)力使壓頭壓入到的起點(diǎn)，再加主試驗(yàn)力使壓頭壓入到c處，然后去掉主試處，然后去掉主試驗(yàn)力，由于被試金屬彈性變形的消除，壓頭向上回升到驗(yàn)力，由于被試金屬彈性變形的消除，壓頭向上回升到d處。處。洛氏硬度計(jì)洛氏硬度計(jì)表盤上讀出即可。表盤上讀出即可。 試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測的

14、材料不同，壓頭的類型、試驗(yàn)力及按試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測的材料不同，壓頭的類型、試驗(yàn)力及按表表-2選擇，對應(yīng)的洛氏硬度標(biāo)尺為選擇，對應(yīng)的洛氏硬度標(biāo)尺為HRA、HRB、HRC三種三種符號符號壓頭類型壓頭類型載荷載荷/k g f硬度有效硬度有效范圍范圍使用范圍使用范圍HRA金剛石圓錐金剛石圓錐體體6070 08585適用于測量硬質(zhì)合金、鋼表、適用于測量硬質(zhì)合金、鋼表、淬火層或滲碳層淬火層或滲碳層HRB直徑為直徑為1.588mm鋼鋼球球10025100100（相當(dāng)（相當(dāng)6060230HB230HB）適用于測量非鐵金屬退火、火適用于測量非鐵金屬退火、火等等HRC金剛石圓錐金剛石圓錐體體150206767( (

15、相當(dāng)相當(dāng)HB230HB230700)700)適用于調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等適用于調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等120表表-2 第三節(jié)第三節(jié) 韌性和沖擊試驗(yàn)韌性和沖擊試驗(yàn) 沖擊力：零件受到突然作用的外力沖擊力：零件受到突然作用的外力 韌性：金屬在沖擊力作用下，斷裂前吸收變形能量的韌性：金屬在沖擊力作用下，斷裂前吸收變形能量的能力。韌性愈好，代表金屬的抗沖擊能力愈強(qiáng)。能力。韌性愈好，代表金屬的抗沖擊能力愈強(qiáng)。 一、擺錘式一次沖擊試驗(yàn)一、擺錘式一次沖擊試驗(yàn) 按按GB22984的規(guī)定，將被試金屬制成標(biāo)準(zhǔn)的沖擊試的規(guī)定，將被試金屬制成標(biāo)準(zhǔn)的沖擊試樣樣。 擺錘式一次沖擊試驗(yàn)擺錘式一次沖擊試驗(yàn)原理：試驗(yàn)在專門的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)原理

16、：試驗(yàn)在專門的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，把試樣放在試驗(yàn)機(jī)的支承面上，試樣的缺口背機(jī)上進(jìn)行，把試樣放在試驗(yàn)機(jī)的支承面上，試樣的缺口背向擺錘沖擊方向。將質(zhì)量為向擺錘沖擊方向。將質(zhì)量為m的擺錘安放到規(guī)定的高度的擺錘安放到規(guī)定的高度H，然后下落，將試樣打斷，并擺過支點(diǎn)升到某一高度然后下落，將試樣打斷，并擺過支點(diǎn)升到某一高度h，試，試樣在沖擊試驗(yàn)力一次作用下，樣在沖擊試驗(yàn)力一次作用下，折斷折斷時(shí)所吸收的功為沖擊吸時(shí)所吸收的功為沖擊吸收功為收功為Ak 擺錘式一次沖擊試驗(yàn)擺錘式一次沖擊試驗(yàn)原理：試驗(yàn)在專門的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)原理：試驗(yàn)在專門的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，把試樣放在試驗(yàn)機(jī)的支承面上，試樣的缺口背機(jī)上進(jìn)行

17、，把試樣放在試驗(yàn)機(jī)的支承面上，試樣的缺口背向擺錘沖擊方向。將質(zhì)量為向擺錘沖擊方向。將質(zhì)量為m的擺錘安放到規(guī)定的高度的擺錘安放到規(guī)定的高度H，然后下落，將試樣打斷，并擺過支點(diǎn)升到某一高度然后下落，將試樣打斷，并擺過支點(diǎn)升到某一高度h，試，試樣在沖擊試驗(yàn)力一次作用下，樣在沖擊試驗(yàn)力一次作用下，折斷折斷時(shí)所吸收的功為沖擊吸時(shí)所吸收的功為沖擊吸收功為收功為Ak 擺錘式一次沖擊試驗(yàn)擺錘式一次沖擊試驗(yàn)原理：試驗(yàn)在專門的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)原理：試驗(yàn)在專門的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，把試樣放在試驗(yàn)機(jī)的支承面上，試樣的缺口背機(jī)上進(jìn)行，把試樣放在試驗(yàn)機(jī)的支承面上，試樣的缺口背向擺錘沖擊方向。將質(zhì)量為向擺錘沖擊方向。將質(zhì)

18、量為m的擺錘安放到規(guī)定的高度的擺錘安放到規(guī)定的高度H，然后下落，將試樣打斷，并擺過支點(diǎn)升到某一高度然后下落，將試樣打斷，并擺過支點(diǎn)升到某一高度h，試，試樣在沖擊試驗(yàn)力一次作用下，樣在沖擊試驗(yàn)力一次作用下，折斷折斷時(shí)所吸收的功為沖擊吸時(shí)所吸收的功為沖擊吸收功為收功為Ak 實(shí)際上，沖擊吸收功實(shí)際上，沖擊吸收功AK數(shù)值可由數(shù)值可由試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)機(jī)讀出，而無需計(jì)算讀出，而無需計(jì)算 沖擊韌度：將沖擊吸收功沖擊韌度：將沖擊吸收功AK值除以試樣缺口底部的橫載而值除以試樣缺口底部的橫載而積積 A0（cm2）得到的值）得到的值 ak=AK/A0 沖擊韌度作為衡量材料剛性的依據(jù)沖擊韌度作為衡量材料剛性的依據(jù) 實(shí)際上，

19、沖擊吸收功實(shí)際上，沖擊吸收功AK數(shù)值可由數(shù)值可由試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)機(jī)讀出，而無需計(jì)算讀出，而無需計(jì)算 沖擊韌度：將沖擊吸收功沖擊韌度：將沖擊吸收功AK值除以試樣缺口底部的橫載而值除以試樣缺口底部的橫載而積積 A0（cm2）得到的值）得到的值 ak=AK/A0 沖擊韌度作為衡量材料剛性的依據(jù)沖擊韌度作為衡量材料剛性的依據(jù)二、多次重復(fù)沖擊試驗(yàn)的概念二、多次重復(fù)沖擊試驗(yàn)的概念 在小能量多次沖擊破壞時(shí)，應(yīng)進(jìn)行多次重復(fù)沖擊在小能量多次沖擊破壞時(shí)，應(yīng)進(jìn)行多次重復(fù)沖擊 試驗(yàn)測定其多沖抗力試驗(yàn)測定其多沖抗力 材料制成專門的多沖缺口試樣材料制成專門的多沖缺口試樣1放在多沖試驗(yàn)機(jī)放在多沖試驗(yàn)機(jī) 上，使之受到試驗(yàn)機(jī)錘頭上，

20、使之受到試驗(yàn)機(jī)錘頭2的小能量（的小能量（15J)多次多次 沖擊。測定材料在一定沖擊能量下，開始出現(xiàn)裂沖擊。測定材料在一定沖擊能量下，開始出現(xiàn)裂 紋或最后破斷的沖擊次數(shù)作為多沖抗力指標(biāo)紋或最后破斷的沖擊次數(shù)作為多沖抗力指標(biāo) 第四節(jié)第四節(jié) 金屬疲勞的概念金屬疲勞的概念 交變壓力：是指大小和方向構(gòu)隨時(shí)間周期變化的應(yīng)力交變壓力：是指大小和方向構(gòu)隨時(shí)間周期變化的應(yīng)力 金屬的疲勞：在多次交變應(yīng)力作用，金屬會在遠(yuǎn)小于抗拉金屬的疲勞：在多次交變應(yīng)力作用，金屬會在遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度強(qiáng)度b，甚至小于屈服點(diǎn)，甚至小于屈服點(diǎn)s。的應(yīng)力下失效（出現(xiàn)裂紋或。的應(yīng)力下失效（出現(xiàn)裂紋或完全斷裂）。完全斷裂）。 疲勞曲線疲勞曲線：

21、實(shí)驗(yàn)證明，一般鋼鐵材料所受交變應(yīng)力最大值：實(shí)驗(yàn)證明，一般鋼鐵材料所受交變應(yīng)力最大值max與其失效前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（疲勞壽命）與其失效前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（疲勞壽命） N的曲線關(guān)的曲線關(guān)系。系。 疲勞極限疲勞極限-1：材料可經(jīng)受無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不失效的應(yīng)力：材料可經(jīng)受無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不失效的應(yīng)力值。值。 通常規(guī)定經(jīng)受通常規(guī)定經(jīng)受107循環(huán)周次而不失效的最大應(yīng)力為鋼鐵的疲循環(huán)周次而不失效的最大應(yīng)力為鋼鐵的疲勞極限勞極限 第四節(jié)第四節(jié) 金屬疲勞的概念金屬疲勞的概念 交變壓力：是指大小和方向構(gòu)隨時(shí)間周期變化的應(yīng)力交變壓力：是指大小和方向構(gòu)隨時(shí)間周期變化的應(yīng)力 金屬的疲勞：在多次交變應(yīng)力作用，金屬會在遠(yuǎn)小于抗拉金屬的疲勞：在多次