第5章金屬材料的力學(xué)性能

杭州電子科技大學(xué)第六章

金屬材料的力學(xué)性能金屬非金屬高分子材料復(fù)合材料碳鋼合金鋼鑄鐵鋁合金銅合金鈦合金鋼鐵有色金屬塑料橡膠聚合物基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料合成纖維水泥玻璃陶瓷工程材料的分類杭州電子科技大學(xué)金屬材料的基本分類：金屬材料黑色金屬有色金屬工業(yè)純鐵鋼：碳鋼、合金鋼、特殊性能鋼鑄鐵：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵銅及其合金鋁及其合金其他：軸承合金、硬質(zhì)合金……杭州電子科技大學(xué)1、合金:由兩種或兩種以上的金屬元素(或金屬元素與非金屬元素)組成的具有金屬特性的材料.2、金屬材料的共同特性:較高強(qiáng)度、良好塑性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、金屬光澤等3、金屬材料本身性能具有：多樣性與多變性成分處理組織性能的基礎(chǔ)改變性能的手段性能變化的根據(jù)原因：使用性能:材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能，它包括力學(xué)性能、物理和化學(xué)性能。工藝性能:材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能，即指其鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能。金屬材料的性能杭州電子科技大學(xué)金屬材料的性能使用性能

工藝性能

經(jīng)濟(jì)性能物理性能化學(xué)性能力學(xué)(機(jī)械)性能靜載特性：

動載特性：

強(qiáng)度

剛度塑性

硬度

沖擊韌性

疲勞強(qiáng)度

鑄造性焊接性壓力加工性切削性熱處理性作為結(jié)構(gòu)材料，應(yīng)具備的最主要性能是力學(xué)性能，即材料抵抗外力的能力。力學(xué)性能包括彈性、剛度、強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性及疲勞強(qiáng)度等。金屬材料在加工及使用過程中所受的外力稱為載荷。根據(jù)載荷作用性質(zhì)不同，可以分為靜載荷和動載荷。靜載荷即構(gòu)件所承受的外力不隨時間而變化，就是構(gòu)件各質(zhì)點(diǎn)沒有加速度。靜載荷包括不隨時間變化的恒載（如自重）和加載變化緩慢以至可以略去慣性力作用的準(zhǔn)靜載（如鍋爐壓力）。

動載荷包括短時間快速作用的沖擊載荷（如空氣錘）、隨時間作周期性變化的周期載荷（如空氣壓縮機(jī)曲軸）和非周期變化的隨機(jī)載荷如汽車發(fā)動機(jī)曲軸）。研究這時的應(yīng)力和變形問題就是動載荷問題。十堰市消委發(fā)布消費(fèi)投訴十大案例

不合格鋼筋致人傷殘消委會調(diào)解獲賠2萬材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。外力去除后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形。外力去除后不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。五萬噸水壓機(jī)試件和實(shí)驗(yàn)條件常溫、靜載§9-4拉伸時的應(yīng)力——應(yīng)變曲線6.1強(qiáng)度、剛度、塑性1.靜載特性(1).強(qiáng)度:在外力作用下材料抵抗變形和破壞的能力。1、試件（1）材料類型：

低碳鋼：

灰鑄鐵：2．標(biāo)準(zhǔn)試件：塑性材料的典型代表；脆性材料的典型代表；（2）標(biāo)準(zhǔn)試件：標(biāo)距：用于測試的等截面部分長度；尺寸符合國標(biāo)的試件；圓截面試件標(biāo)距：L0=10d0或5d0標(biāo)距d02、試驗(yàn)機(jī)強(qiáng)度的拉伸試驗(yàn)

杭州電子科技大學(xué)3、低碳鋼拉伸曲線明顯的四個階段1、彈性階段ob比例極限彈性極限2、屈服階段bc（失去抵抗變形的能力）屈服極限3、強(qiáng)化階段ce（恢復(fù)抵抗變形的能力）強(qiáng)度極限4、局部徑縮階段ef

1)彈性階段比例極限σp

oa段是直線，應(yīng)力與應(yīng)變在此段成正比關(guān)系，材料符合虎克定律，直線oa的斜率就是材料的彈性模量，直線部分最高點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)力值記作σp，稱為材料的比例極限。曲線超過a點(diǎn)，圖上ab段已不再是直線，但在ab段內(nèi)卸載，變形也隨之消失，說明ab段也發(fā)生彈性變形，所以ab段稱為彈性階段。b點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)力值記作σe

，稱為材料的彈性極限。

彈性極限與比例極限非常接近，工程實(shí)際中通常對二者不作嚴(yán)格區(qū)分，而近似地用比例極限代替彈性極限。

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2).屈服階段屈服點(diǎn)(σs)

曲線超過b點(diǎn)后，出現(xiàn)了一段鋸齒形曲線，這—階段應(yīng)力沒有增加，而應(yīng)變依然在增加，材料好像失去了抵抗變形的能力，把這種應(yīng)力不增加而應(yīng)變顯著增加的現(xiàn)象稱作屈服，bc段稱為屈服階段。屈服階段曲線最低點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服點(diǎn)(或屈服極限)。

鑄鐵等材料沒有明顯的屈服現(xiàn)象,則用條件屈服點(diǎn)（σ0.2

）來表示:產(chǎn)生0.2%殘余應(yīng)變時的應(yīng)力值。(3)強(qiáng)化階段抗拉強(qiáng)度

經(jīng)過屈服階段后，曲線從c點(diǎn)又開始逐漸上升，說明要使應(yīng)變增加，必須增加應(yīng)力，材料又恢復(fù)了抵抗變形的能力，這種現(xiàn)象稱作強(qiáng)化，ce段稱為強(qiáng)化階段。曲線最高點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)力值記作，稱為材料的抗拉強(qiáng)度(或強(qiáng)度極限)，它是衡量材料強(qiáng)度的又一個重要指標(biāo)。

(4)縮頸斷裂階段曲線到達(dá)e點(diǎn)前，試件的變形是均勻發(fā)生的，曲線到達(dá)e點(diǎn)，在試件比較薄弱的某一局部(材質(zhì)不均勻或有缺陷處)，變形顯著增加，有效橫截面急劇減小，出現(xiàn)了縮頸現(xiàn)象，試件很快被拉斷，所以ef段稱為縮頸斷裂階段。

(2).剛度:外力作用下材料在彈性變形范圍內(nèi)抵抗變形的能力.剛度指標(biāo)為彈性模量E

elasticmodulus定義：材料在彈性變形階段內(nèi)，正應(yīng)力和對應(yīng)的正應(yīng)變的比值。彈性模量是工程材料重要的性能參數(shù)，從宏觀角度來說，彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度，從微觀角度來說，則是原子、離子或分子之間鍵合強(qiáng)度的反映。彈性模量的大小主要取決于材料的本性（化學(xué)成分），溫度、熱處理、冷熱加工、合金化等對它影響很小。一般工程應(yīng)用中把它作為常量。杭州電子科技大學(xué)在外力作用下材料產(chǎn)生永久變形而不會破壞的能力.

(3).塑性

用伸長率和斷面收縮率來表示:伸長率(δ):

在拉伸試驗(yàn)中,試樣拉斷后,標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分比稱為伸長率.斷面收縮率(ψ):

試樣拉斷后,縮頸處截面積的最大縮減量與原橫斷面積的百分比稱為斷面收縮率.塑性材料和脆性材料力學(xué)性能比較塑性材料脆性材料斷裂前有很大塑性變形斷裂前變形很小抗壓能力與抗拉能力相近抗壓能力遠(yuǎn)大于抗拉能力延伸率δ

>5%延伸率δ

<5%可承受沖擊載荷，適合于鍛壓和冷加工適合于做基礎(chǔ)構(gòu)件或外殼材料的塑性和脆性會因?yàn)橹圃旆椒üに嚄l件的改變而改變6.2金屬材料的動載性能受沖擊載荷的構(gòu)件空間飛行器受隕石的撞擊；炮彈、子彈對裝甲的穿透；飛機(jī)降落時起落架與地面的碰撞；汽車駛過凹坑和凸起；經(jīng)受鍛造、爆炸焊接、爆炸加工成型的構(gòu)件；等等。利用沖擊能量來工作的構(gòu)件鍛錘；沖床；鑿巖機(jī)；鉚釘槍；等等。杭州電子科技大學(xué)

許多機(jī)械零件和工具在工作中,往往要受到?jīng)_擊載荷的作用,如活塞銷、錘桿、沖模和鍛模等常用一次擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)來測定。測得試樣沖擊吸收功,用符號Ak

表示。用沖擊吸收功除以試樣缺口處截面積S0,即得到材料的沖擊韌度

ak。

ak=Ak/S0=W(H-h)/S0(1).沖擊韌性（ak）材料抵抗沖擊力的能力

杭州電子科技大學(xué)某些材料在低于某個溫度時它的沖擊韌性大為下降，該溫度即為韌脆轉(zhuǎn)變溫度或韌脆敏感溫度，因此在低溫工作的材料必須對此引起重視.溫度對鋼材沖擊韌性的影響沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用作為材料承受大能量沖擊時的抗力指標(biāo)，如炮彈、裝甲板等；作為評定某些構(gòu)件壽命與可靠性的結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)，如船用鋼板等；評定原材料的冶金質(zhì)量，如夾雜、氣泡、嚴(yán)重分層、偏析等宏觀缺陷；評定材料熱加工后的產(chǎn)品質(zhì)量，如過熱、過燒、白點(diǎn)、回火脆性、淬火及鍛造裂紋等；評定材料在不同溫度下的脆性轉(zhuǎn)化趨勢（采用系列沖擊試驗(yàn)）。建造中的Titanic號TITANIC的沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)TITANICTitanic近代船用鋼板Titanic號鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果杭州電子科技大學(xué)

軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等零件，在工作過程中各點(diǎn)的應(yīng)力隨時間作周期性的變化，這種隨時間作周期性變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力(也稱循環(huán)應(yīng)力)。在交變應(yīng)力作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過較長時間的工作而產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程稱為金屬的疲勞。材料承受的交變應(yīng)力(σ)與材料斷裂前承受交變應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)(N)之間的關(guān)系可用疲勞曲線來表示。金屬承受的交變應(yīng)力越大,則斷裂時應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N越少。當(dāng)應(yīng)力低于一定值時,試樣可以經(jīng)受無限周期循環(huán)而不破壞,此應(yīng)力值稱為材料的疲勞極限(亦叫疲勞強(qiáng)度)，用σ-1表示。

(2).疲勞強(qiáng)度材料在多次交變載荷作用下而不致引起斷裂的最大應(yīng)力

值是工程材料最常見、最基本的材料性能指標(biāo)之一。循環(huán)基數(shù)：鋼：有色金屬：金屬疲勞造成的事故1998年6月3日，德國一列高速列車在行駛中突然出軌，造成100多人遇難身亡的嚴(yán)重后果。事后經(jīng)過調(diào)查，人們發(fā)現(xiàn)，造成事故的原因竟然是因?yàn)橐还?jié)車廂的車輪內(nèi)部疲勞斷裂而引起。從而導(dǎo)致了這場近50年來德國最慘重鐵路事故的發(fā)生。據(jù)150多年來的統(tǒng)計，金屬部件中有80％以上的損壞是由于疲勞而引起的。在人們的日常生活中，也同樣會發(fā)生金屬疲勞帶來危害的現(xiàn)象。一輛正在馬路上行走的自行車突然前叉折斷，造成車翻人傷的后果。炒菜時鋁鏟折斷、挖地時鐵锨斷裂、刨地時鐵鎬從中一分為二等現(xiàn)象更是屢見不鮮。案例討論-三峽工程首例對日索賠紀(jì)實(shí)

鋼板到貨檢驗(yàn)屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度延伸性能沖擊韌性不達(dá)標(biāo)湖北出入境檢驗(yàn)檢疫局重新檢測監(jiān)理，全程錄像報告檢疫局通告廠家武漢鋼鐵研究所重新檢驗(yàn)出具不合格證書談判提出復(fù)驗(yàn)共同抽樣6.3硬度在外力作用下材料抵抗更硬物壓入的能力.即受壓時抵抗局部塑性變形的能力。

硬度試驗(yàn)特點(diǎn)：試驗(yàn)設(shè)備簡單，操作方便、快捷；故可對大多數(shù)機(jī)件成品直接進(jìn)行無損檢測；硬度與其它力學(xué)性能特別是抗拉強(qiáng)度等有一定關(guān)系。硬度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

式中，k－比例系數(shù).硬度試驗(yàn)方法分類工程常見硬度檢測實(shí)務(wù)鋼鐵零件表面化學(xué)熱處理、表面淬火、感應(yīng)熱處理等后硬度檢測；軋輥和鋼球的硬度檢測；滾動軸承和滑動軸承零件硬度檢測；鋼的淬透性硬度檢測；鑄鐵的硬度及灰鑄鐵的相對硬度檢測；齒輪、彈簧、活塞及焊接接頭的硬度檢測；金屬覆蓋層和熱涂層硬度檢測；硬質(zhì)合金和粉末冶金制品的硬度檢測；鋁合金板材的硬度檢測；鈹青銅材硬度檢測；等等。常用工程材料的硬度1)莫氏硬度(MohsHardness)陶瓷及礦物材料常用的刻劃硬度，它只表示硬度從小到大的順序，不表示具體軟硬程度。舊標(biāo)準(zhǔn)劃分為10級；新標(biāo)準(zhǔn)有15級。序號越大，莫氏硬度就越高。舊標(biāo)準(zhǔn)新標(biāo)準(zhǔn)順序材料順序材料1滑石1滑石2石膏2石膏3方解石3方解石4螢石4螢石5磷灰石5磷灰石6正長石6正長石7石英7SiO2玻璃8黃玉8石英9剛玉9黃玉10金剛石10石榴石11熔融氧化鋯12剛玉13碳化硅14碳化硼15金剛石杭州電子科技大學(xué)

一定直徑的球體(鋼球或硬質(zhì)合金球)在一定載荷作用下壓入試樣表面，保持一定時間后卸除載荷，測量其壓痕直徑,計算硬度值。布氏硬度值用球面壓痕單位表面積上所承受的平均壓力來表示。用符號HBS(當(dāng)用鋼球壓頭時)或HBW(當(dāng)用硬質(zhì)合金球時)來表示.

優(yōu)點(diǎn):準(zhǔn)確;不足:不能測太薄和硬度較高材料2).布氏硬度杭州電子科技大學(xué)

將金剛石壓頭(或鋼球壓頭),在先后施加兩個載荷(預(yù)載荷F0和總載荷F)的作用下壓入金屬表面。總載荷F為預(yù)載荷F0和主載荷F1之和。卸去主載荷F1后,測量其殘余壓入深度h,用h與h0之差△h來計算洛氏硬度值。

HR=(h0-h)/0.002△h越大,表示材料硬度越低,實(shí)際測量時硬度可直接從洛氏硬度計表盤上讀得。根據(jù)壓頭的種類和總載荷的大小洛氏硬度常用的表示方式有HRA、HRB、HRC三種。3).洛氏硬度(HR)優(yōu)點(diǎn):方便,能測太薄和硬度較高材料;不足:準(zhǔn)確程度差杭州電子科技大學(xué)4）維氏硬度HV=F/S壓維氏硬度實(shí)例納米A1203/Ti02陶瓷涂層顯