第一章 金屬材料的力學(xué)性能

第一章金屬材料的力學(xué)性能主要內(nèi)容：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。金屬材料的力學(xué)性能主要指標(biāo)有：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度等。由金屬材料制成的零、部件，在工作過(guò)程中都要承受外力(或稱(chēng)載荷)作用而產(chǎn)生變形（形狀尺寸的改變）變形方式：拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切金屬在各種不同載荷作用下表現(xiàn)出來(lái)的特性就叫力學(xué)性能為什么要有這樣一些力學(xué)指標(biāo)？第一章金屬材料的力學(xué)性能§1.1強(qiáng)度和塑性§1.2硬度§1.3沖擊韌度§1.4疲勞強(qiáng)度本章小結(jié)習(xí)題§1.1強(qiáng)度和塑性一、強(qiáng)度

什么是強(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)度一般用的強(qiáng)度指標(biāo)抗拉強(qiáng)度是通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)定拉伸試驗(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。拉伸試驗(yàn)§1.1強(qiáng)度和塑性一、強(qiáng)度1．拉伸試樣標(biāo)準(zhǔn)試樣

試樣的直徑標(biāo)距長(zhǎng)度長(zhǎng)試樣(l0=10d0)

短試樣(l0=5d0)拉伸試驗(yàn)中記錄的拉伸力與伸長(zhǎng)的關(guān)系曲線§1.1強(qiáng)度和塑性一、強(qiáng)度2．力－伸長(zhǎng)曲線也稱(chēng)拉伸圖載荷與變形關(guān)系有幾個(gè)階段：彈性變形塑性變形彈性變形拉伸曲線為直線，試樣的伸長(zhǎng)量與載荷成正比。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。這種隨載荷消失而消失的變形叫彈性變形。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，即試樣不能恢復(fù)到原來(lái)的尺寸這種載荷消失后仍繼續(xù)保留的變形叫塑性變形。屈服斷裂縮頸§1.1強(qiáng)度和塑性一、強(qiáng)度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(chēng)為應(yīng)力，用σ表示?！?.1強(qiáng)度和塑性一、強(qiáng)度3．強(qiáng)度指標(biāo)三個(gè)主要強(qiáng)度指標(biāo)

彈性極限屈服點(diǎn)和屈服極限抗拉強(qiáng)度

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。

試樣原始橫截面積屈服點(diǎn)——金屬材料產(chǎn)生屈服時(shí)的最小應(yīng)力，用σs表示。

試樣原始橫截面積屈服強(qiáng)度——對(duì)于低塑性或脆性材料屈服現(xiàn)象不明顯，以微量塑性變形的應(yīng)力表示屈服點(diǎn)，一般用變形量為試樣長(zhǎng)度的0.2%的應(yīng)力，σ0.2表示。

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

§1.1強(qiáng)度和塑性二、塑性在拉伸時(shí)指標(biāo)為：伸長(zhǎng)率斷面收縮率二者的值越大塑性越好金屬發(fā)生塑性變形但不破壞的能力稱(chēng)為塑性。伸長(zhǎng)率——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。試樣拉斷后的標(biāo)距原始標(biāo)距斷面收縮率——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。試樣斷裂處截面積原始橫截面積什么是塑性？第一章金屬材料的力學(xué)性能§1.1強(qiáng)度和塑性§1.2硬度§1.3沖擊韌度§1.4疲勞強(qiáng)度本章小結(jié)§1.2硬度測(cè)定方法：壓入法常用硬度有：布氏硬度洛氏硬度維氏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。什么是硬度？§1.2硬度一、布氏硬度測(cè)定原理——1、用試驗(yàn)力F，把直徑為D的硬質(zhì)合金球壓入被測(cè)金屬表面，保持一定時(shí)間后卸除載荷，2、測(cè)量被測(cè)試金屬表面的壓痕直徑d，3、由d計(jì)算壓痕的球缺面積S，布氏硬度值為F/S§1.2硬度一、布氏硬度測(cè)定試驗(yàn)試驗(yàn)時(shí)應(yīng)根據(jù)被測(cè)試金屬材料的種類(lèi)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。1、球體直徑有10mm、5mm、2.5mm和1mm四種；2、試驗(yàn)力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；3、試驗(yàn)力的保持時(shí)間為10～15s。根據(jù)壓痕查表即可得出硬度值優(yōu)點(diǎn)：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。缺點(diǎn)：但因壓痕較大，所以不宜測(cè)試成品或薄片金屬的硬度?！?.2硬度一、布氏硬度標(biāo)注——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)出單位如：422HBW10/30/20硬度值HBW球體直徑試驗(yàn)力大小試驗(yàn)力時(shí)間//硬度值試驗(yàn)球直徑為10mm試驗(yàn)力為30kgf試驗(yàn)力作用時(shí)間為20s若時(shí)間為10-15則不注§1.2硬度二、洛氏硬度測(cè)定原理——1、用金剛石圓錐或淬火鋼球或硬質(zhì)合金球作壓頭，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，2、卸除主試驗(yàn)力F1，在初試驗(yàn)力F0下測(cè)定殘余壓入深度，3、用深度的大小來(lái)表示材料的洛氏硬度值，并規(guī)定每壓入0.002mm為一個(gè)硬度單位?！?.2硬度二、洛氏硬度測(cè)定試驗(yàn)試驗(yàn)時(shí)根據(jù)被測(cè)試金屬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A、C標(biāo)尺為100B標(biāo)尺為130壓痕深度h3-h1優(yōu)點(diǎn)：操作迅速、簡(jiǎn)便，可從表盤(pán)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§1.2硬度二、洛氏硬度標(biāo)注——用符號(hào)HR表示，

A標(biāo)尺HRAB標(biāo)尺HRBC標(biāo)尺HRC如：42HRA硬度值A(chǔ)標(biāo)尺§1.2硬度三、維氏硬度測(cè)定原理——基本上和布氏硬度相同，只是所用壓頭為金剛石正四棱錐體試驗(yàn)時(shí)用規(guī)定的試驗(yàn)力F，在試樣表面上壓出一個(gè)正方形錐面壓痕，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§1.2硬度三、維氏硬度測(cè)定試驗(yàn)試驗(yàn)時(shí)，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。

優(yōu)點(diǎn)：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。操作迅速、簡(jiǎn)便缺點(diǎn)：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)?！?.2硬度三、維氏硬度標(biāo)注——用符號(hào)HV表示，習(xí)慣上只寫(xiě)明硬度的數(shù)值而不標(biāo)出單位如：457HV30硬度值HV試驗(yàn)力大小試驗(yàn)力時(shí)間/硬度值試驗(yàn)力為30kgf試驗(yàn)力作用時(shí)間為10-15則不注§1.2硬度根據(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第一章金屬材料的力學(xué)性能§1.1強(qiáng)度和塑性§1.2硬度§1.3沖擊韌度§1.4疲勞強(qiáng)度本章小結(jié)§1.3沖擊韌度什么是沖擊韌度？金屬材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力稱(chēng)為沖擊韌度沖擊載荷—加載速度很快而作用時(shí)間很短的突發(fā)性載荷測(cè)定方法：沖擊試驗(yàn)測(cè)定原理——用一次擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)測(cè)定。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?！?.3沖擊韌度擺錘沖斷試樣所消耗的功稱(chēng)做沖擊吸收功，可從沖擊試驗(yàn)機(jī)上直接讀出?！?.3沖擊韌度§1.3沖擊韌度沖擊韌度值沖擊吸收功，J缺口處截面積，cm2試樣缺口有U形和V形兩種，沖擊韌度值分別以αKU和αKV

表示。沖擊韌度越好斷口呈灰色纖維狀沖擊韌度越差斷口具有金屬光澤而較為平整。αKV

值大小§1.3沖擊韌度

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。沖擊能量低、沖擊周次較多時(shí)，

--材料的沖擊韌度主要取決于材料的強(qiáng)度，強(qiáng)度高則沖擊韌度高沖擊能量高時(shí)，

--材料的沖擊韌度主要取決于材料的塑性，塑性高則韌度高第一章金屬材料的力學(xué)性能§1.1強(qiáng)度和塑性§1.2硬度§1.3沖擊韌度§1.4疲勞強(qiáng)度本章小結(jié)交變應(yīng)力--大小和方向隨時(shí)間作用期性變化的力金屬的疲勞斷裂--零件在交變載荷作用下經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間工作發(fā)生的破壞。§1.4疲勞強(qiáng)度什么是疲勞強(qiáng)度？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(chēng)為疲勞強(qiáng)度。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)而不破壞疲勞強(qiáng)度疲勞曲線§1.4疲勞強(qiáng)度光滑試樣在對(duì)稱(chēng)彎曲循環(huán)載荷作用下的疲勞強(qiáng)度用σ-1表示。對(duì)鋼材來(lái)說(shuō)，經(jīng)受107周次或更多周次而不破壞的最大應(yīng)力定為疲勞強(qiáng)度。對(duì)于有色金屬，規(guī)定應(yīng)力循環(huán)次數(shù)在108或更多周次，確定其疲勞強(qiáng)度。

影響疲勞強(qiáng)度的因素主要有循環(huán)應(yīng)力、溫度、材料的化學(xué)成分及顯微組織、表面質(zhì)量和殘余應(yīng)力等。對(duì)于碳素鋼

對(duì)于灰鑄鐵

第一章金屬材料的力學(xué)性能§1.1強(qiáng)度和塑性§1.2硬度§1.3沖擊韌度§1.4疲勞強(qiáng)度本章小結(jié)本章小結(jié)金屬材料的力學(xué)性能是指材料在不同形式的載荷作用下所表現(xiàn)出來(lái)的特性。強(qiáng)度:金屬材料在靜載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力塑性:通過(guò)靜拉伸試驗(yàn)可測(cè)得強(qiáng)度和塑性。硬度:硬度也是在靜載荷作用下測(cè)試的韌度:在一次沖擊載荷下測(cè)試疲勞強(qiáng)度:在交變應(yīng)力作用下測(cè)試。金屬材料的各種力學(xué)性能之間有一定的聯(lián)系。一般提高金屬的強(qiáng)度和硬度，會(huì)降低其塑性和韌度；反之若提高塑性和韌度，則會(huì)削弱其強(qiáng)度?？估瓘?qiáng)度伸長(zhǎng)率、斷面收縮率布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度沖擊韌度疲勞強(qiáng)度習(xí)題1-1什么是金屬的力學(xué)性能?根據(jù)載荷形式的不同，力學(xué)性能主要包括哪些指標(biāo)?1-2什么是強(qiáng)度?什么是塑性?衡量這兩種性能的指標(biāo)有哪些?各用什么符號(hào)表示?1-3低碳鋼做成的d0=10mm的圓形短試樣經(jīng)拉伸試驗(yàn)，得到如下數(shù)據(jù)：Fs=21100N，F(xiàn)b

=34500N，l1=65mm，

d1=6mm。試求低碳鋼的σs、σb、δ5、