第三章材料的力學(xué)性能

1、金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能 鑄造性鑄造性 可鍛性可鍛性可焊性可焊性切削加工性切削加工性熱處理性熱處理性 工程材料的性能工程材料的性能 使用性能使用性能力學(xué)性能力學(xué)性能物理性能物理性能化學(xué)性能化學(xué)性能 工藝性能工藝性能力學(xué)性能力學(xué)性能：彈性、塑性、韌性、強(qiáng)度、硬度和疲勞強(qiáng)度等彈性、塑性、韌性、強(qiáng)度、硬度和疲勞強(qiáng)度等 等等。主要是指材料在力的作用下抵抗變形和開裂的性能。主要是指材料在力的作用下抵抗變形和開裂的性能。 金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能mechanical propertiesmechanical properties金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）

2、性能金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能 1 1 靜載時材料的機(jī)械性能靜載時材料的機(jī)械性能 2 2 動載時材料的機(jī)械性能動載時材料的機(jī)械性能 3 3 高溫下的機(jī)械性能高溫下的機(jī)械性能 4 4 斷裂韌性斷裂韌性 K KICIC 金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能 一一.定義定義 : 力學(xué)性能力學(xué)性能( (機(jī)械性能機(jī)械性能)-是指材料在力的是指材料在力的作用下抵抗變形和開裂的性能作用下抵抗變形和開裂的性能.(材料抵材料抵抗外力的能力）抗外力的能力）二二.指標(biāo)指標(biāo) : 彈性彈性 、 塑性塑性 、 韌性韌性 、 強(qiáng)度、強(qiáng)度、 硬度硬度和疲勞強(qiáng)度等和疲勞強(qiáng)度等-。 1 1 靜載時材料的力學(xué)性能靜

3、載時材料的力學(xué)性能 拉伸拉伸機(jī)上，機(jī)上，低碳鋼低碳鋼緩慢加緩慢加載單向載單向靜拉伸靜拉伸曲線曲線 拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)機(jī)機(jī)三三. .拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能 拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能 彈性變形彈性變形屈服變形屈服變形 均勻塑性變形階段均勻塑性變形階段 局部集中塑性變形局部集中塑性變形 頸縮頸縮金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能 按外力作用方式按外力作用方式 種類種類: : 抗拉抗拉、 抗壓、抗壓、 抗彎抗彎 、 抗扭等?？古さ取?qiáng)度強(qiáng)度(strength): (streng

4、th): 材料抵抗變形和斷裂的能力材料抵抗變形和斷裂的能力. . 單位： MPaMPa （1000N)MN/m2或N/mm2 屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度抗拉抗拉金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能 強(qiáng)度是材料抵抗塑性變形或斷裂的能力。通過拉伸試驗(yàn)所測得的。通過拉伸試驗(yàn)所測得的常用的強(qiáng)度指標(biāo)有屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。常用的強(qiáng)度指標(biāo)有屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。屈服強(qiáng)度是材料產(chǎn)生屈服時對應(yīng)的應(yīng)力值。用符號。用符號Re表示，單位表示，單位是是N/mm2或或MPa，大小為載荷與試樣原始橫截面積的比值，即：，大小為載荷與試樣原始橫截面積的比值，即： 式中：式中： Fs材料屈服時的載荷材料屈服時

5、的載荷（N）；）； S0試樣原始橫截面試樣原始橫截面積（積（mm2）。)N/mm(20SFRse金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能 屈服強(qiáng)度可分為上屈服強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度可分為上屈服強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度，上屈服強(qiáng)度是指試樣發(fā)生屈服而外力首次下降前的最高應(yīng)力，用符號ReH表示；下屈服強(qiáng)度是指試樣屈服期間，不計初始瞬時的最低應(yīng)力值，用符號ReL表示。 一般機(jī)械零件和工程構(gòu)件都不允許在使用中產(chǎn)生塑性變形，否則會因失效而發(fā)生事故，所以ReL屈服強(qiáng)度是機(jī)械設(shè)計和工程設(shè)計中的重要依據(jù)。金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能 (2) (2)條件屈服強(qiáng)度條件屈服強(qiáng)度( 塑性變

6、形量為0.2%) 規(guī)定試樣產(chǎn)生規(guī)定試樣產(chǎn)生0.20.2殘余變形時的應(yīng)力值殘余變形時的應(yīng)力值（中、高碳鋼等無明顯屈服現(xiàn)中、高碳鋼等無明顯屈服現(xiàn) 象象）。）。(3)(3)抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度： RmRm是材料在拉斷前所承受的最大應(yīng)力值。 P P0.20.2 R Rp p0.20.2 = = ( M pa )( M pa ) S S 0 0 P P b b RmRm = ( M pa ) = ( M pa ) S S 0 0屈強(qiáng)比屈強(qiáng)比R ReHeH/ / Rm : :屈強(qiáng)比越小，工程構(gòu)件的可靠性越高屈強(qiáng)比越小，工程構(gòu)件的可靠性越高. .彈性極限彈性極限 Rp : :不產(chǎn)生永久變形的最大應(yīng)力 PePe

7、RpRp = =( M pa ) ( M pa ) S S0 0金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能 塑性塑性(plasticity):(plasticity):是指材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。(1)(1)斷面收縮率斷面收縮率(percentage reduction in area): (percentage reduction in area): S0 Sk Z = 100% S0(2)(2)伸長率伸長率( (延伸率延伸率) specific elongation:) specific elongation: L Lk k L L 0 0 A A = =

8、100% 100% L L 0 0 A 10% 屬塑性材料屬塑性材料金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能 1.1.彈性變形彈性變形( elastic deformation ):隨載荷撤除而消失的變形隨載荷撤除而消失的變形彈性和剛度彈性和剛度 應(yīng)力應(yīng)變曲線：應(yīng)力應(yīng)變曲線：將試樣的S和l分別除P 和L即得（應(yīng)力應(yīng)變）曲線金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能 2.2. 彈性模量彈性模量 E :E : OP OP的斜率的斜率 衡量材料產(chǎn)生變形難易程度衡量材料產(chǎn)生變形難易程度的指標(biāo)。的指標(biāo)。E3.3.剛度剛度 E S : : 單位應(yīng)變承受的負(fù)荷。單位應(yīng)變承受的負(fù)荷。 P

9、 E SE S 剛度越大，變形越難。剛度越大，變形越難。 金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能 硬度硬度( hardness ):( hardness ): 是指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力。是指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力。 布氏硬度布氏硬度HB HB 洛氏硬度洛氏硬度HRHR 維氏硬度維氏硬度HV HV 肖氏硬度肖氏硬度HSHS銼刀法銼刀法常用測量硬度的方法常用測量硬度的方法金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能 v 布氏硬度布氏硬度 HB( Brinell-hardness ): HB = P/S （ MPa 或 kgf/mm2 ）， S 壓頭表

10、面積v 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 平均、重復(fù)性好； 壓痕面積大， 適用于: :未未成品檢驗(yàn)；軟質(zhì)件。 HBS 淬火鋼球壓頭（450450）； HBW - 硬質(zhì)合金鋼球壓頭（650650）。 布氏硬度計布氏硬度計 v使用范圍：金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能 壓頭的材質(zhì)有淬火鋼球或硬質(zhì)合金兩種，當(dāng)壓頭材質(zhì)為淬火鋼球時，布氏硬度用HBS表示，適用于測量布氏硬度450的材料；當(dāng)壓頭材質(zhì)為硬質(zhì)合金時，布氏硬度用HBW表示，適用于測量布氏硬度在450650范圍內(nèi)的材料。布氏硬度值的表示方法為布氏硬度值的表示方法為：硬度值+硬度符號+球體直徑/+載荷/+載荷保持時間（1015秒不標(biāo)注）。例如，12

11、0HBS10/1000/30,表示直徑10mm的鋼球在1000kgf作用下，保持30秒測得的布氏硬度值為120。金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能 v 洛氏硬度洛氏硬度 ( Rockwll hardness ) 操作簡便、可直讀；壓痕??；適于各種硬度值的測量；但重復(fù)率低用于：用于：v HRB（鋼球壓頭，100kg載荷） 軟質(zhì)件。 v HRCHRC（120120，150kg）硬件：淬硬鋼、工具鋼。 v HRA（120120金剛石圓錐壓頭，60kg） 硬而薄件。 使用范圍： HRC 20HRC 206767v 維氏硬度（維氏硬度（HVHV） 金剛石正四棱錐壓頭，精確，但操作復(fù)雜，

12、用于科學(xué)試驗(yàn)。 v 壓力可選5120kg間的特定值；適于各種硬度值的測量；壓痕小。v顯微硬度（顯微硬度（HMHM） ： 可測各組成相的硬度，用于組織研究。 金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能 布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度各有優(yōu)缺點(diǎn)：布氏硬度由于壓痕面積較大，能反映較大范圍內(nèi)的平均硬度，所以測量結(jié)果具有較高的精度和穩(wěn)定性。但操作費(fèi)時，對試樣表面有一定破壞。洛氏硬度操作簡單，可以直接讀出硬度值，且壓痕小，不傷工件。缺點(diǎn)是所測硬度值的離散性較大。維氏硬度的載荷小、壓痕淺，廣泛用于測定薄工件表面硬維氏硬度的載荷小、壓痕淺，廣泛用于測定薄工件表面硬化層?；瘜?。金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能

13、金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能 各種硬度試驗(yàn)因其試驗(yàn)條件的不同而不能直接不能直接換算換算，需要查閱專門的表格進(jìn)行換算比較。 硬度是材料的重要性能之一，一般情況下，材料的硬度高，其耐磨性能也較好。材料的硬度與強(qiáng)度之間也有一定的關(guān)系，例如，對于未淬硬鋼，布氏硬度與抗拉強(qiáng)度間存在如下的近似換算關(guān)系： Rm0.362HBS （當(dāng)HBS175） Rm0.345HBS （當(dāng)HBS175）金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能 2 2 動載時材料的機(jī)械性能動載時材料的機(jī)械性能 v1 1、沖擊韌性、沖擊韌性（impact toughnessimpact toughness）材料抵抗沖擊載荷的能力 常

14、用沖擊實(shí)驗(yàn)測定。沖擊韌性是試樣缺口處截面上單位面積所消常用沖擊實(shí)驗(yàn)測定。沖擊韌性是試樣缺口處截面上單位面積所消耗的沖擊功。耗的沖擊功。 金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能 沖擊功沖擊功A Ak k: : A k = m g H m g h (J)沖擊韌性值沖擊韌性值akak ： 試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。 A A k k ak ak = (J/cm = (J/cm) ) （akvakv、akuaku） S0S0 v應(yīng)用應(yīng)用 汽車緊急制動；蒸汽錘；沖床等動載荷。 金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能 影響沖擊韌性

15、值大小的因素影響沖擊韌性值大小的因素有材料的化學(xué)成份、冶金質(zhì)量、組織狀態(tài)、表面質(zhì)量和內(nèi)部缺陷等。另外，金屬材料的沖擊韌性隨溫度的降低而下降。 金屬材料的強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性四者中真正獨(dú)立的是強(qiáng)度和塑性，硬度與強(qiáng)度有極為密切的關(guān)系，韌性是受強(qiáng)度和塑性的綜合影響；因此，在鑒別金屬材料的力學(xué)性能時，常常是以強(qiáng)度和塑性強(qiáng)度和塑性為主要指標(biāo)。金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能 v 2、疲勞強(qiáng)度 ：-1-1 v疲勞疲勞：材料在交變應(yīng)力作用下，在遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限，甚至小于屈 服極限的應(yīng)力下發(fā)生斷裂。 疲勞占失效零件的70%以上，80%的斷裂由疲勞造成。 v 疲勞極限疲勞極限：材料能承受的無

16、數(shù)次（107）循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力值。 v 疲勞曲線 v疲勞原因疲勞原因 劃痕、內(nèi)應(yīng)力集中引起微裂紋擴(kuò)展 v 影響因素影響因素：循環(huán)應(yīng)力特征、溫度、材料成分和組織、夾雜物、表面 狀態(tài)、殘余應(yīng)力等。 金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能 疲勞失效的特點(diǎn)疲勞失效的斷口有明顯的特征，一般由兩個明顯的部分組成，見圖1-8所示。圖中A為疲勞源；D區(qū)為疲勞裂紋發(fā)展區(qū)；G區(qū)為瞬時斷裂區(qū)。疲勞裂紋發(fā)展區(qū)的特征表面較光滑，另外，裂紋向前擴(kuò)展時，表面形成類似年輪的貝殼紋。瞬時脆性破斷區(qū)特征是斷口較粗糙。葉片疲勞斷口的宏觀形貌如圖所示。金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能 3影響金

17、屬材料疲勞強(qiáng)度的因素影響金屬材料疲勞強(qiáng)度的因素材料本身的強(qiáng)度、塑性、組織和材質(zhì)等影響材料的疲勞強(qiáng)度，另外，疲勞強(qiáng)度還與零部件的幾何形狀、加工光潔度和工作環(huán)境等有關(guān)。由于疲勞失效的微裂紋絕大多數(shù)是先從表面產(chǎn)生和發(fā)展的，因而采用表面強(qiáng)化的處理，可以提高疲勞強(qiáng)度。金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能 3 3 斷裂韌性斷裂韌性 K KICIC斷裂韌性的評定斷裂韌性的評定 金屬材料的斷裂韌性是材料固有的性能，也是通過一定的實(shí)驗(yàn)方法測定出來的。由于實(shí)驗(yàn)的方法不同，裂紋在外力作用下失穩(wěn)擴(kuò)展、脆性斷裂的形式也不同，目前常用的斷裂韌性計算公式為：a裂紋長度一半 低應(yīng)力脆斷低應(yīng)力脆斷 應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度時發(fā)生突然脆性斷裂 影響因素影響因素 成分、熱處理、加工工藝 晶粒尺寸 第二相。 ）（231CmMNKYac金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能金屬材料的機(jī)械（力學(xué)）性能 4 高溫下的機(jī)械性能高溫下的機(jī)械性能 溫度升高 硬度、強(qiáng)度、彈性模量下降；塑性、韌性增加。 蠕變?nèi)渥?外力作用下，隨時間的延長，材料緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。 常溫下工作的有機(jī)材料，隨時間的延長，應(yīng)變量緩慢增加,甚至發(fā)生斷裂。 蠕變性能指標(biāo) 蠕變極限 持久強(qiáng)度 金屬材料的