第一章 金屬材料的力學性能

第一章金屬材料的力學性能主要內容：金屬材料的力學性能指標和測試方法，以及各個指標的物理意義。金屬材料的力學性能主要指標有：強度、塑性、硬度、沖擊韌度等。由金屬材料制成的零、部件，在工作過程中都要承受外力(或稱載荷)作用而產生變形（形狀尺寸的改變）變形方式：拉伸、壓縮、彎曲、扭轉、剪切金屬在各種不同載荷作用下表現(xiàn)出來的特性就叫力學性能為什么要有這樣一些力學指標？第一章金屬材料的力學性能§1.1強度和塑性§1.2硬度§1.3沖擊韌度§1.4疲勞強度本章小結習題§1.1強度和塑性一、強度

什么是強度？金屬材料在靜載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力強度抗拉強度抗壓強度抗彎強度抗扭強度抗剪強度一般用的強度指標抗拉強度是通過拉伸試驗測定拉伸試驗的方法：用靜拉伸力對標準試樣進行軸向拉伸，同時連續(xù)測量力和相應的伸長，直至斷裂。拉伸試驗§1.1強度和塑性一、強度1．拉伸試樣標準試樣

試樣的直徑標距長度長試樣(l0=10d0)

短試樣(l0=5d0)拉伸試驗中記錄的拉伸力與伸長的關系曲線§1.1強度和塑性一、強度2．力－伸長曲線也稱拉伸圖載荷與變形關系有幾個階段：彈性變形塑性變形彈性變形拉伸曲線為直線，試樣的伸長量與載荷成正比。如果卸除載荷，試樣仍能恢復到原來的尺寸，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。塑性變形當載荷超過Fe后，試樣將進一步伸長。此時若卸除載荷，彈性變形消失，而另一部分變形卻不能消失，即試樣不能恢復到原來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強度和塑性一、強度3．強度指標強度指標是用應力值來表示的。試樣受到載荷作用時，則內部產生大小與載荷相等而方向相反的抗力(即內力)。

單位截面積上的內力，稱為應力，用σ表示?！?.1強度和塑性一、強度3．強度指標三個主要強度指標

彈性極限屈服點和屈服極限抗拉強度

彈性極限——金屬材料能保持彈性變形的最大應力，用σe表示。

試樣原始橫截面積屈服點——金屬材料產生屈服時的最小應力，用σs表示。

試樣原始橫截面積屈服強度——對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力表示屈服點，一般用變形量為試樣長度的0.2%的應力，σ0.2表示。

抗拉強度——試樣斷裂前能夠承受的最大應力,用σb表示。

§1.1強度和塑性二、塑性在拉伸時指標為：伸長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為塑性。伸長率——試樣拉斷后的標距伸長量與原始標距的百分比，用符號δ表示。試樣拉斷后的標距原始標距斷面收縮率——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性能§1.1強度和塑性§1.2硬度§1.3沖擊韌度§1.4疲勞強度本章小結§1.2硬度測定方法：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，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、布氏硬度測定原理——1、用試驗力F，把直徑為D的硬質合金球壓入被測金屬表面，保持一定時間后卸除載荷，2、測量被測試金屬表面的壓痕直徑d，3、由d計算壓痕的球缺面積S，布氏硬度值為F/S§1.2硬度一、布氏硬度測定試驗試驗時應根據(jù)被測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、試驗載荷F和載荷保持時間。1、球體直徑有10mm、5mm、2.5mm和1mm四種；2、試驗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、試驗力的保持時間為10～15s。根據(jù)壓痕查表即可得出硬度值優(yōu)點：因壓痕面積較大，能反映出較大范圍內被測金屬的平均硬度，故試驗結果較精確。缺點：但因壓痕較大，所以不宜測試成品或薄片金屬的硬度。§1.2硬度一、布氏硬度標注——用符號HBW表示，習慣上只寫明硬度的數(shù)值而不標出單位如：422HBW10/30/20硬度值HBW球體直徑試驗力大小試驗力時間//硬度值試驗球直徑為10mm試驗力為30kgf試驗力作用時間為20s若時間為10-15則不注§1.2硬度二、洛氏硬度測定原理——1、用金剛石圓錐或淬火鋼球或硬質合金球作壓頭，在初試驗力F0及總試驗力F分別作用下壓入金屬表面，2、卸除主試驗力F1，在初試驗力F0下測定殘余壓入深度，3、用深度的大小來表示材料的洛氏硬度值，并規(guī)定每壓入0.002mm為一個硬度單位?！?.2硬度二、洛氏硬度測定試驗試驗時根據(jù)被測試金屬材料本身硬度不同而組成不同的洛氏硬度標尺，其中最常用的是A、B、C三種標尺A、C標尺為100B標尺為130壓痕深度h3-h1優(yōu)點：操作迅速、簡便，可從表盤上直接讀出硬度值，不必查表或計算，而且壓痕小，可測量較薄工件的硬度缺點：精確性較差，硬度值重復性差，需要在材料的不同部位測試數(shù)次，取其平均值來代表材料的硬度§1.2硬度二、洛氏硬度標注——用符號HR表示，

A標尺HRAB標尺HRBC標尺HRC如：42HRA硬度值A標尺§1.2硬度三、維氏硬度測定原理——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時用規(guī)定的試驗力F，在試樣表面上壓出一個正方形錐面壓痕，測量壓痕對角線的平均長度d，借以計算壓痕的面積S，以F／S的數(shù)值來表示試樣的硬度值§1.2硬度三、維氏硬度測定試驗試驗時，常用的試驗力有：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力，以獲得較大的壓痕，提高測量精度。

優(yōu)點：可測軟、硬金屬，尤其是極薄零件和滲碳層、滲氮層的硬度，它測得的壓痕輪廓清晰，數(shù)值較準確。操作迅速、簡便缺點：需要測量壓痕對角線，經計算或查表才能獲得，效率不如洛氏硬度試驗高，所以不宜用于成批零件的常規(guī)檢驗?！?.2硬度三、維氏硬度標注——用符號HV表示，習慣上只寫明硬度的數(shù)值而不標出單位如：457HV30硬度值HV試驗力大小試驗力時間/硬度值試驗力為30kgf試驗力作用時間為10-15則不注§1.2硬度根據(jù)試驗結果，可獲得粗略換算公式如下：當硬度在200～600HBW范圍內

HRC≈1／10HBW

當硬度小于450HBW時

HBW≈HV第一章金屬材料的力學性能§1.1強度和塑性§1.2硬度§1.3沖擊韌度§1.4疲勞強度本章小結§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為沖擊韌度沖擊載荷—加載速度很快而作用時間很短的突發(fā)性載荷測定方法：沖擊試驗測定原理——用一次擺錘沖擊彎曲試驗測定。試驗時，把標準沖擊試樣的缺口背向擺錘方向放在沖擊試驗機上，將擺錘揚起到規(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做沖擊吸收功，可從沖擊試驗機上直接讀出?！?.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，表面及冶金質量越差，則αKV

值越低。沖擊能量低、沖擊周次較多時，

--材料的沖擊韌度主要取決于材料的強度，強度高則沖擊韌度高沖擊能量高時，

--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性能§1.1強度和塑性§1.2硬度§1.3沖擊韌度§1.4疲勞強度本章小結交變應力--大小和方向隨時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過長時間工作發(fā)生的破壞?！?.4疲勞強度什么是疲勞強度？材料在無數(shù)次交變載荷作用下而不破壞的最大應力值稱為疲勞強度。當循環(huán)交變應力減少到某一數(shù)值時，曲線接近水平，即表示當應力低于此值時，材料可經受無數(shù)次應力循環(huán)而不破壞疲勞強度疲勞曲線§1.4疲勞強度光滑試樣在對稱彎曲循環(huán)載荷作用下的疲勞強度用σ-1表示。對鋼材來說，經受107周次或更多周次而不破壞的最大應力定為疲勞強度。對于有色金屬，規(guī)定應力循環(huán)次數(shù)在108或更多周次，確定其疲勞強度。

影響疲勞強度的因素主要有循環(huán)應力、溫度、材料的化學成分及顯微組織、表面質量和殘余應力等。對于碳素鋼

對于灰鑄鐵

第一章金屬材料的力學性能§1.1強度和塑性§1.2硬度§1.3沖擊韌度§1.4疲勞強度本章小結本章小結金屬材料的力學性能是指材料在不同形式的載荷作用下所表現(xiàn)出來的特性。強度:金屬材料在靜載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力塑性:通過靜拉伸試驗可測得強度和塑性。硬度:硬度也是在靜載荷作用下測試的韌度:在一次沖擊載荷下測試疲勞強度:在交變應力作用下測試。金屬材料的各種力學性能之間有一定的聯(lián)系。一般提高金屬的強度和硬度，會降低其塑性和韌度；反之若提高塑性和韌度，則會削弱其強度。抗拉強度伸長率、斷面收縮率布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度沖擊韌度疲勞強度習題1-1什么是金屬的力學性能?根據(jù)載荷形式的不同，力學性能主要包括哪些指標?1-2什么是強度?什么是塑性?衡量這兩種性能的指標有哪些?各用什么符號表示?1-3低碳鋼做成的d0=10mm的圓形短試樣經拉伸試驗，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、