第一章金屬材料的力學(xué)性能

普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材

普通高等教育機(jī)電類規(guī)劃教材機(jī)械制造基礎(chǔ)丁金福浙江師范大學(xué)工學(xué)院zsddif@zjnu.c倫比亞號(hào)航天飛機(jī)材料是指人類用以制造各種有用器件的物質(zhì)。第1章工程材料概述

材料是人類生產(chǎn)和生活所必須的物質(zhì)基礎(chǔ)。手錘銼刀“神舟”號(hào)飛船成功返回國(guó)產(chǎn)渦噴-7渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)第1章工程材料概述

石器鐵器石器時(shí)代青銅器時(shí)代鐵器時(shí)代材料是人類進(jìn)化的里程碑。由于材料的重要性，歷史學(xué)家根據(jù)人類所使用的材料來(lái)劃分時(shí)代。第1章工程材料概述

銅車馬

我國(guó)從春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期便開(kāi)始大量使用鐵器，明朝科學(xué)家宋應(yīng)星在《天工開(kāi)物》一書(shū)中就記載了古代的滲碳熱處理等工藝。這說(shuō)明早在歐洲工業(yè)革命之前，我國(guó)在金屬材料及熱處理方面就已經(jīng)有了較高的成就。

生鐵炒熟鐵圖宋應(yīng)星材料的發(fā)展水平和利用程度已成為人類文明進(jìn)步的標(biāo)志。

材料的發(fā)展與人類社會(huì)簡(jiǎn)圖第1章工程材料概述

龍芯聯(lián)想計(jì)算機(jī)沒(méi)有半導(dǎo)體材料的工業(yè)化生產(chǎn)，就不可能有目前的計(jì)算機(jī)技術(shù)。

第1章工程材料概述

芯片飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在航天飛機(jī)表面裝陶瓷防護(hù)瓦片第1章工程材料概述

航空航天沒(méi)有低消耗的光導(dǎo)纖維，也就沒(méi)有現(xiàn)代的光纖通訊。

二十世紀(jì)七十年代，人們把材料與能源和信息并列，稱作現(xiàn)代文明的三大支柱之一。

第1章工程材料概述

前蘇聯(lián)在1957年首次把人造衛(wèi)星送入太空，令美國(guó)人震驚不已，認(rèn)識(shí)到在火箭技術(shù)上落后。此后，在十多所大學(xué)中陸續(xù)建立了材料科學(xué)研究中心，并把約2/3大學(xué)的冶金系或礦冶系改建成材料科學(xué)與工程系。其涉及的材料由金屬擴(kuò)展到了陶瓷和高分子材料?？梢?jiàn)，高技術(shù)需要先進(jìn)材料的支持。前蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星及其運(yùn)載火箭第1章工程材料概述

中華民族在人類歷史上為材料的發(fā)展和應(yīng)用作出過(guò)重大貢獻(xiàn)。早在公元前6000~5000年的新石器時(shí)代，中華民族的先人就能用黏土燒制成陶器，到東漢時(shí)期又出現(xiàn)了瓷器，并流傳海外。第1章工程材料概述

4000年前的夏朝我們的祖先已經(jīng)能夠煉銅，到殷、商時(shí)期，我國(guó)的青銅冶煉和鑄造技術(shù)已達(dá)到很高水平。

司母戊鼎河南安陽(yáng)晚商遺址出土青銅鑄造高133厘米重875kg飾紋優(yōu)美第1章工程材料概述

越王勾踐劍春秋晚期越國(guó)青銅兵器出土于湖北江陵楚墓長(zhǎng)55.7厘米劍鍔鋒芒犀利鋒能割斷頭發(fā)第1章工程材料概述

古代劍刃制造中的特殊技術(shù)春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代的青銅劍，劍身及劍鋒由不同成分的青銅組成，是復(fù)合材料很好的例子梯度材料古已有之這是古代劍刃截面圖第1章工程材料概述

原子彈、氫彈的爆炸，衛(wèi)星、飛船的上天等都說(shuō)明了我國(guó)在材料的開(kāi)發(fā)、研究及應(yīng)用等方面有了飛躍的發(fā)展。我國(guó)建起了鞍山、寶鋼等大型鋼鐵基地，鋼產(chǎn)量由1949年的l5.8萬(wàn)t上升到5.5億t，已連續(xù)十三年成為世界上鋼產(chǎn)量第一大國(guó)第1章工程材料概述

材料發(fā)展的歷程示意圖第1章工程材料概述

箱體類軸套類

盤蓋類

叉架類返回第一章金屬材料的力學(xué)性能

教學(xué)要求主要內(nèi)容本章重點(diǎn)本章小結(jié)習(xí)題教學(xué)要求

通過(guò)學(xué)習(xí)，應(yīng)掌握金屬材料的力學(xué)性能指標(biāo)和測(cè)試方法，以及各個(gè)指標(biāo)的物理意義。

在設(shè)計(jì)機(jī)械零件和選擇材料時(shí)要能根據(jù)零件的工作環(huán)境，零件所承受的載荷情況重點(diǎn)考慮某些力學(xué)性能指標(biāo)。主要內(nèi)容

第一節(jié)強(qiáng)度和塑性第二節(jié)硬度第三節(jié)沖擊韌度第四節(jié)疲勞強(qiáng)度本章重點(diǎn)

金屬材料的力學(xué)性能指標(biāo)和測(cè)試方法，以及各個(gè)指標(biāo)的物理意義。機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章第一節(jié)強(qiáng)度和塑性

機(jī)器上由金屬材料研制成的零、部件，在工作過(guò)程中都要承受外力(或稱載荷)作用。

載荷作用的結(jié)果將引起零、部件形狀和尺寸的改變，這種改變稱為變形。

常見(jiàn)的變形方式有：拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切。

常用的力學(xué)性能試驗(yàn)方法有：拉伸試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)等。力學(xué)性能的主要指標(biāo)有：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度等。機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章一、強(qiáng)度強(qiáng)度—金屬材料在靜載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。強(qiáng)度的分類：抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等。各種強(qiáng)度之間有一定的聯(lián)系。一般情況下多以抗拉強(qiáng)度作為判別金屬材料強(qiáng)度高低的指標(biāo)?？估瓘?qiáng)度是通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)定的。拉伸試驗(yàn)的方法：用靜拉伸力對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行軸向拉伸，同時(shí)連續(xù)測(cè)量力和相應(yīng)的伸長(zhǎng)，直至斷裂。機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章1．拉伸試樣

試驗(yàn)時(shí)應(yīng)先將被測(cè)金屬材料制成標(biāo)準(zhǔn)試樣。圖1-1所示為圓形拉伸試樣。

圖1-1圓形拉伸試樣

a)拉伸前b)拉斷后

d0——試樣的直徑；

L0——標(biāo)距長(zhǎng)度。根據(jù)標(biāo)距長(zhǎng)度與直徑之間的關(guān)系，試樣可分為長(zhǎng)試樣(L0=10d0)

和短試樣(L0=5d0)。

機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章2．力－伸長(zhǎng)曲線拉伸力與伸長(zhǎng)量的關(guān)系曲線叫做力－伸長(zhǎng)曲線，也稱拉伸圖。低碳鋼在拉伸過(guò)程中，其載荷與變形關(guān)系有以下幾個(gè)階段：1）彈性變形

當(dāng)載荷不超過(guò)Fe時(shí)，拉伸曲線Oe為直線;如果卸除載荷，試樣仍能恢復(fù)到原來(lái)的尺寸，即試樣的變形完全消失。圖1-2低碳鋼的力—伸長(zhǎng)曲線機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章(2)塑性變形

當(dāng)載荷超過(guò)Fe后，試樣將進(jìn)一步伸長(zhǎng)。此時(shí)若卸除載荷，彈性變形消失，而另一部分變形卻不能消失，即試樣這種載荷消失后仍繼續(xù)保留的變形叫塑性變形。

當(dāng)載荷達(dá)到Fs時(shí)，拉伸曲線出現(xiàn)了水平或鋸齒形線段，表明在載荷基本不變的情況下，試樣卻繼續(xù)變形，這種現(xiàn)象稱為“屈服”。

（3）斷裂

當(dāng)載荷繼續(xù)增加到某一最大值Fb時(shí)，試樣的局部截面縮小，產(chǎn)生所謂的“縮頸”現(xiàn)象。當(dāng)達(dá)到拉伸曲線上k點(diǎn)時(shí)，試樣隨即斷裂。

Fk為試樣斷裂時(shí)的載荷。機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章

在試樣產(chǎn)生縮頸以前，由載荷所引起試樣的伸長(zhǎng)，基本上是沿著整個(gè)試樣標(biāo)距長(zhǎng)度內(nèi)發(fā)生的，屬于均勻變形；縮頸后，試樣的伸長(zhǎng)主要發(fā)生在頸部的一段長(zhǎng)度內(nèi)，屬于集中變形。

3．強(qiáng)度指標(biāo)

強(qiáng)度指標(biāo)是用應(yīng)力值來(lái)表示的。試樣受到載荷作用時(shí)，則內(nèi)部產(chǎn)生大小與載荷相等而方向相反的抗力(即內(nèi)力)。單位截面積上的內(nèi)力，稱為應(yīng)力，用符號(hào)σ表示。彈性極限——金屬材料能保持彈性變形的最大應(yīng)力，用σe表示。

式中Fe——彈性變形范圍內(nèi)的最大載(N)；

S0——試樣原始橫截面積(m㎡)。機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章抗拉強(qiáng)度——

試樣斷裂前能夠承受的最大應(yīng)力，稱為抗拉強(qiáng)度，用σb表示。

式中Fb——試樣斷裂前所能承受的最大載荷(N)；

S0——試樣的原始橫截面積(m㎡)。

低碳鋼的屈服強(qiáng)度σs約為240MPa，抗拉強(qiáng)度σb約為400MPa。

工程上所用的金屬材料，不僅希望具有較高的σs，還希望具有一定的屈強(qiáng)比(σs／σb)。

屈強(qiáng)比越小，結(jié)構(gòu)零件的可靠性越高，萬(wàn)一超載也能由于塑性變形而使金屬的強(qiáng)度提高，不致于立即斷裂。但屈強(qiáng)比太小，則材料強(qiáng)度的有效利用率就太低。機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章二、塑性

金屬發(fā)生塑性變形但不破壞的能力稱為塑性。在拉伸時(shí)它們分別為伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。1．伸長(zhǎng)率

伸長(zhǎng)率是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長(zhǎng)量與原始標(biāo)距的百分比，用符號(hào)δ表示。即：式中L0——試樣的原始標(biāo)距長(zhǎng)度(mm)；

L1——試樣拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度(mm)。

機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章2．?dāng)嗝媸湛s率

斷面收縮率是指試樣拉斷處橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比，用符號(hào)ψ表示。即：式中So——試樣原始橫截面積(m㎡)；

S1——試樣斷裂處的橫截面積(m㎡)。

伸長(zhǎng)率的大小與試樣的尺寸有關(guān)。試樣長(zhǎng)短不同，測(cè)得的伸長(zhǎng)率是不同的。長(zhǎng)、短試樣的伸長(zhǎng)率分別用δ10和δ5表示，δ10也常寫(xiě)成δ。

δ和ψ是材料的重要性能指標(biāo)。它們的數(shù)值越大，材料的塑性就越好，故可以進(jìn)行壓力加工；普通鑄鐵的塑性差，因而不能進(jìn)行壓力加工，只能進(jìn)行鑄造。機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章第二節(jié)硬度

硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標(biāo)，是指金屬抵抗局部彈性變形、塑性變形、壓痕或劃痕的能力。

硬度是金屬材料的重要性能之一，也是檢驗(yàn)工、模具和機(jī)械零件質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。常用的硬度試驗(yàn)方法有：布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度三種。一、布氏硬度

測(cè)定原理——是用規(guī)定的試驗(yàn)力F，把直徑為D的硬質(zhì)合金球壓人被測(cè)金屬表面，保持一定時(shí)間后卸除載荷，在放大鏡下測(cè)量被測(cè)試金屬表面的壓痕直徑d，由此計(jì)算壓痕的球缺面積S，然后再求出壓痕的單位面積所承受的平均壓力（F/S），以此作為被測(cè)試金屬的布氏硬度值，如圖1-3所示。機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章

布氏硬度用符號(hào)HBW表示，習(xí)慣上只寫(xiě)明硬度的數(shù)值而不標(biāo)出單位。硬度符號(hào)HBW前面的數(shù)值為硬度值，符號(hào)后面的數(shù)值表示試驗(yàn)條件的指標(biāo)，依次為球體直徑、試驗(yàn)力大小及試驗(yàn)力保持時(shí)間（10～15s時(shí)不標(biāo)注）。

例如：600HBW1/30/20表示用直徑為1mm的硬質(zhì)合金球，在294N的試驗(yàn)力作用下保持20s，測(cè)得的布氏硬度值為600。圖1-3布氏硬度試驗(yàn)原理圖1-4布氏硬度實(shí)驗(yàn)示意圖

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進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)被測(cè)試金屬材料的種類和試樣厚度，選擇不同大小的球體直徑D、試驗(yàn)載荷F和載荷保持時(shí)間。GB/T231.1－2002規(guī)定：1、球體直徑有10mm、5mm、2.5mm和1mm四種；2、試驗(yàn)力（單位N）與球體直徑平方的比值（0.102F/D2）有30、15、10、5、2.5和1共6種（根據(jù)金屬材料的種類和布氏硬度范圍，按教材中表1-1選定0.102F/D2）；3、試驗(yàn)力的保持時(shí)間為10～15s。對(duì)于要求試驗(yàn)力保持較長(zhǎng)時(shí)間的材料，試驗(yàn)力保持時(shí)間允許誤差為±2s。

布氏硬度試驗(yàn)法因壓痕面積較大，能反映出較大范圍內(nèi)被測(cè)金屬的平均硬度，故試驗(yàn)結(jié)果較精確。但因壓痕較大，所以不宜測(cè)試成品或薄片金屬的硬度。

機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章二、洛氏硬度測(cè)定原理:1、頂角為120°的金剛石圓錐或直徑為1.588mm的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球作壓頭;2、在初試驗(yàn)力F0及總試驗(yàn)力F

分別作用下壓入金屬表面，然后卸除主試驗(yàn)力F1;3、在初試驗(yàn)力F0下測(cè)定殘余壓入深度，用深度的大小來(lái)表示材料的洛氏硬度值，并規(guī)定每壓人0.002mm為一個(gè)硬度單位。圖1-4洛氏硬度試驗(yàn)原理圖1-5洛氏硬度試驗(yàn)原理及硬度計(jì)h1-h0洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度計(jì)機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章壓痕的深度h=h3－h(huán)1，洛氏硬度的計(jì)算公式為：

洛氏硬度式中h

——壓痕深度；N——給定標(biāo)尺的數(shù)值，A、C標(biāo)尺為100；B標(biāo)尺為130。淬火鋼球壓頭用于退火件、有色金屬等較軟材料的硬度測(cè)定；金剛石壓頭適用于淬火鋼等較硬材料的硬度測(cè)定。洛氏硬度所加載荷根據(jù)被測(cè)材料本身硬度不同而組成不同的洛氏硬度標(biāo)尺，其中最常用的是A、B、C三種標(biāo)尺，其試驗(yàn)規(guī)范見(jiàn)教材中表1-2（GB/T230.1－2004）。

機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章優(yōu)點(diǎn)：操作迅速、簡(jiǎn)便，可從表盤上直接讀出硬度值，不必查表或計(jì)算，而且壓痕小，可測(cè)量較薄工件的硬度。缺點(diǎn)：精確性較差，硬度值重復(fù)性差，需要在材料的不同部位測(cè)試數(shù)次，取其平均值來(lái)代表材料的硬度。三、維氏硬度

壓頭為錐面夾角為136度的金剛石正四棱錐體，如圖1-5所示。測(cè)量壓痕對(duì)角線的平均長(zhǎng)度d，借以計(jì)算壓痕的面積S，以F／S的數(shù)值來(lái)表示試樣的硬度值，用符號(hào)HV

表示。

圖1-6維氏硬度試驗(yàn)原理圖1-7維氏硬度實(shí)驗(yàn)示意圖

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維氏硬度試驗(yàn)常用的試驗(yàn)力有：49.03N、98.07N、196.1N、94.2N、490.3N、980.7N等幾種。在試樣厚度允許的情況下盡可能選用較大的試驗(yàn)力，以獲得較大的壓痕，提高測(cè)量精度。

維氏硬度標(biāo)注時(shí)，在符號(hào)HV前面標(biāo)出硬度值，在HV后面的數(shù)值依次表示試驗(yàn)力值和試驗(yàn)力保持時(shí)間

(保持時(shí)間為10～15s時(shí)不標(biāo)出)。

例如：640HV300表示在試驗(yàn)力為294.2N下，保持10～15s測(cè)得的維氏硬度為640；640HV300／20表示在試驗(yàn)力為294.2N下，保持20s測(cè)得的維氏硬度值為640。

實(shí)際測(cè)量時(shí)，用裝在機(jī)體上的測(cè)量顯微鏡，測(cè)出壓痕投影的兩對(duì)角線的平均長(zhǎng)度d，然后根據(jù)d的大小查表（GB/T4340－1999），求得所測(cè)的硬度即可。

機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章

維氏硬度可測(cè)軟、硬金屬，尤其是極薄零件和滲碳層、滲氮層的硬度，它測(cè)得的壓痕輪廓清晰，數(shù)值較準(zhǔn)確。維氏硬度值需要測(cè)量壓痕對(duì)角線，經(jīng)計(jì)算或查表才能獲得，效率不如洛氏硬度試驗(yàn)高，所以不宜用于成批零件的常規(guī)檢驗(yàn)。由于各種硬度試驗(yàn)的條件不同，因此相互間沒(méi)有理論的換算關(guān)系。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可獲得粗略換算公式如下：當(dāng)硬度在200～600HBW范圍內(nèi)HRC≈1／10HBW

當(dāng)硬度小于450HBW時(shí)HBW≈HV機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章第三節(jié)沖擊韌度

金屬材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力稱為沖擊韌度。通常用一次擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)來(lái)測(cè)定金屬材料的韌度，其試驗(yàn)原理如圖1-8所示。

試驗(yàn)時(shí)，把標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣的缺口背向擺錘方向放在沖擊試驗(yàn)機(jī)上，將擺錘揚(yáng)起到規(guī)定高度H1，然后自由落下，將試樣沖斷。

圖1-8沖擊韌性試驗(yàn)

擺錘沖斷試樣所消耗的功為AK=mg(H1－H2)，稱做沖擊吸收功，可從沖擊試驗(yàn)機(jī)上直接讀出，單位為焦耳（J）。用試樣缺口處的橫截面積S去除AK所得的商即為該材料的沖擊韌度值，用符號(hào)αK表示，單位為焦耳／厘米2(J／cm2)。即：機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章試樣缺口有U和V兩種，沖擊韌度值分別以αKU和αKV表示。

αKV值越大，材料的沖擊韌度越好，斷口處則會(huì)發(fā)生較大的塑性變形，斷口呈灰色纖維狀；

αKV值越小，材料的沖擊韌度越差，斷口處無(wú)明顯的塑性變形，斷口具有金屬光澤而較為平整。

強(qiáng)度、塑性兩者均好的材料，αKV值也高。加載速度越快，溫度越低，表面及冶金質(zhì)量越差，則αKV值越低。機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章第四節(jié)疲勞強(qiáng)度

有許多零件(如齒輪、彈簧等)是在交變應(yīng)力

(指大小和方向隨時(shí)間作用期性變化)下工作的，零件在這種交變載荷作用下經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間工作也會(huì)發(fā)生破壞，通常這種破壞現(xiàn)象叫做金屬的疲勞斷裂。

圖1-9是某材料的疲勞曲線，橫坐標(biāo)表示循環(huán)周次，縱坐標(biāo)表示交變應(yīng)力。材料承受的交變應(yīng)力越大，疲勞破壞前能循環(huán)工作的周次越少；當(dāng)循環(huán)交變應(yīng)力減少到某一數(shù)值時(shí)，曲線接近水平，即表示當(dāng)應(yīng)力低于此值時(shí)，材料可經(jīng)受無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不破壞。

機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章

我們把材料在無(wú)數(shù)次交變載荷作用下而不破壞的最大應(yīng)力值稱為疲勞強(qiáng)度。通常光滑試樣在對(duì)稱彎曲