金屬材料的力學性能2

金屬材料與熱處理第一頁，共五十五頁。單元一金屬材料的力學性能單元二金屬材料的工藝性能內(nèi)容第二頁，共五十五頁。

掌握金屬材料的強度和塑性的概念；掌握金屬材料的疲勞強度的概念；掌握金屬材料沖擊韌性的概念；掌握材料硬度的概念和三種硬度表示方法；了解材料性能的表示方法。教學目的和要求第三頁，共五十五頁。一、強度、塑性；二、疲勞強度；三、沖擊韌性；四、硬度教學內(nèi)容摘要第四頁，共五十五頁。利用強度、硬度和塑性等指標綜合評價材料。教學重點、難點教學難點強度、硬度、塑性和韌性的概念。教學重點第五頁，共五十五頁。

金屬材料的基本知識1.金屬材料的類型：第六頁，共五十五頁。具有金屬光澤。具有較好的延展性，容易加工成型。易導電、傳熱，是熱和電的良導體。2.金屬材料的特點：第七頁，共五十五頁。3.金屬材料性能使用性能力學性能(強度、硬度、塑性、韌性等)物理性能（指熔點、導熱性、導電性、磁性等）化學性能

(抗氧化性、抗腐蝕性等)其它性能(耐磨性、熱硬性、消振性等)工藝性能——加工成形的性能第八頁，共五十五頁。靜載荷是指外力的大小和方向不變或變化很緩慢的載荷；沖擊載荷是指突然增加的載荷；疲勞載荷則是指大小和方向隨時間作周期性變化的載荷。

根據(jù)載荷作用性質(zhì)不同

靜載荷沖擊載荷疲勞載荷是指金屬材料在外加載荷作用下所表現(xiàn)出來的抵抗能力。1.1金屬材料的力學性能第九頁，共五十五頁。工件在不同載荷形式下產(chǎn)生的變形

第十頁，共五十五頁?？估瓘姸瓤箟簭姸瓤箯潖姸瓤辜魪姸雀鶕?jù)所加載荷形式的不同，強度表現(xiàn)為：第十一頁，共五十五頁。拉伸試驗（金屬的抗拉強度和塑性都是通過拉伸試驗測定）GB/T228.1-2010第十二頁，共五十五頁。

拉伸試樣

（低碳鋼）d0L0長試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0第十三頁，共五十五頁。液壓式萬能電子材料試驗機

拉伸試驗機第十四頁，共五十五頁。

拉伸試驗（應力—應變）曲線

e—彈性極限點S—屈服點b—極限載荷點（縮頸點）K—斷裂點第十五頁，共五十五頁。（1）彈性變形階段（2）屈服變形階段（3）強化階段（4）

縮頸階段拉伸過程變化的三個階段拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象第十六頁，共五十五頁。彈性與塑性彈性:

金屬材料受外力作用時產(chǎn)生變形，當外力去掉后能回復其原來形狀的性能，叫做彈性。彈性變形:

隨著外力消失而消失的變形，叫做彈性變形。塑性變形:

在外力消失后留下來的這部分不可恢復的變形，叫做塑性變形。第十七頁，共五十五頁。脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對比）脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象?；诣T鐵的拉伸曲線第十八頁，共五十五頁。強度：用于表示金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和破壞的能力。工程上常用的強度衡量指標屈服點屈服強度抗拉強度注意：一般多用抗拉強度作為判別金屬強度高低的指標。1.1.1強度第十九頁，共五十五頁。對具有明顯屈服現(xiàn)象的材料

金屬材料產(chǎn)生屈服現(xiàn)象的最低應力值稱為屈服強度，用ReL

表示，即

對無明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料常用其產(chǎn)生0.2%塑性應變所對應的應力值作為名義屈服點，稱為名義(條件)屈服強度，用Rp0.2表示。如高碳鋼、銅合金、鋁合金等。F0.2S0Rp0.2

=（MPa）（MPa）條件屈服強度:1.屈服點、屈服強度屈服強度—

是塑性材料選材和評定的依據(jù)。屈服強度:第二十頁，共五十五頁。脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象。第二十一頁，共五十五頁。2.抗拉強度（強度極限）是指試樣在拉斷前所承受的最大應力。即：式中：Fm——試樣在拉斷前所受到的最大載（N）；So——試樣原始橫截面積（）。Rm——抗拉強度抗拉強度—是脆性材料選材的依據(jù)。（MPa）第二十二頁，共五十五頁。屈強比（ReL/Rm

）：0.6~0.85

屈強比高，材料利用率越高；屈強比低，零件的可靠性越高

——綜合考慮材料利用率和安全性第二十三頁，共五十五頁。1.1.2塑性塑性:

金屬材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不致引起破壞的性能。塑性的衡量（塑性指標）：伸長率A和斷面收縮率Z。A、Z越高，材料的塑性越好A<2~5%屬脆性材科A≈5~10%屬韌性材料A>10%屬塑性材料良好的塑性是金屬材料進行塑性加工的必要條件。第二十四頁，共五十五頁。2.伸長率（A）是指試樣拉斷后的標距伸長量與原始標距之比。用A表示，即

1.斷面收縮率（Z）是指試樣拉斷處橫截面積的收縮量與原始橫截面積之比。用下式表示，即：第二十五頁，共五十五頁。1.1.3硬度硬度的含義布氏硬度洛氏硬度維氏硬度是指材料抵抗其它更硬物體壓入其表面的能力。即表示金屬材料抵抗局部變形的能力。硬度的表示方法常用的表示方法壓入法劃痕法回跳法第二十六頁，共五十五頁。

用一定直徑的壓頭（球體），以相應試驗力壓入待測表面，保持規(guī)定時間卸載后，測量材料表面壓痕直徑，以此計算出硬度值。1.布氏硬度

（1）布氏硬度測量原理布氏硬度計第二十七頁，共五十五頁。淬火鋼球

HBS（硬度值450的材料）硬質(zhì)合金鋼球HBW

（硬度值450~650的材料）（2）壓頭：

（3）表示方法例如：350HBS、600HBW一般，數(shù)字+布氏硬度符號或后面依次注明壓頭直徑、實驗力以及保存時間。單位為MPa（通常不標明）

第二十八頁，共五十五頁。布氏硬度的優(yōu)點：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點：壓痕大，不宜測量成品零件或薄件的硬度，以及比壓頭還硬的材料。布氏硬度適用于：常用于測量較軟材料、灰鑄鐵、有色金屬、退火正火鋼材的硬度。調(diào)質(zhì)處理鋼、原材料，毛坯。當HBS<450時有效（HBW450-650)（4）布氏硬度特點第二十九頁，共五十五頁。用錐頂角為120°的金剛石圓錐或直徑1.588mm的淬火鋼球，以相應試驗力壓入待測表面，保持規(guī)定時間卸載后卸除主試驗力，以測量的殘余壓痕深度增量來計算出硬度值。實際測量時，硬度值一般有硬度計的刻度盤上直接讀出。(1)洛氏硬度測量原理2.洛氏硬度洛氏硬度計第三十頁，共五十五頁。(2)洛氏硬度的分類及應用第三十一頁，共五十五頁。HRA、HRB、HRC分別測得的硬度，不可直接比較大小表示為：硬度值+三種不同的標尺代號。（無單位）例如：20~85HRA20~100HRB20~70HRC（3）洛氏硬度表示方法HR=(k-h)/0.002不寫單位第三十二頁，共五十五頁。（4）洛氏硬度特點：優(yōu)點：缺點：測量操作簡單，方便快捷，壓痕??；測量范圍大，能測較薄工件。測量精度較低，可比性差，不同標尺的硬度值不能比較。是生產(chǎn)中應用最廣泛的硬度試驗方法?？捎糜诔善窓z驗和薄件表面硬度檢驗。不適于測量組織不均勻材料。（5）洛氏硬度應用：第三十三頁，共五十五頁。布氏硬度與洛氏硬度的比較洛式硬度壓痕很小，測量值有局部性，須測數(shù)點求平均值，適用成品和薄片，歸于無損檢測一類；布式硬度壓痕較大，測量值準，不適用成品和薄片，一般不歸于無損檢測一類。洛式硬度的硬度值是一無名數(shù)，沒有單位。（因此習慣稱洛式硬度為多少度是不正確的。）布式硬度的硬度值有單位，且和抗拉強度有一定的近似關(guān)系。洛式硬度直接在表盤上顯示、也可以數(shù)字顯示，操作方便，快捷直觀，適用于大量生產(chǎn)中。布式硬度需要用顯微鏡測量壓痕直徑，然后查表或計算，操作較繁瑣。在一定條件下，HB與HRC可以查表互換。其心算公式可大概記為：1HRC≈1/10HB。第三十四頁，共五十五頁。維氏硬度計維氏硬度試驗原理維氏硬度壓痕3.維氏硬度（HV）第三十五頁，共五十五頁。小負荷維氏硬度計顯微維氏硬度計維氏硬度（HV）測試計第三十六頁，共五十五頁。用壓頭為錐面夾角為136o的金剛石四棱錐體。以一定的試驗力將壓頭壓入試樣表面，保持規(guī)定時間卸載后，在試樣表面留下一個四方錐形的壓痕，測量壓痕兩對角線長度，以此計算出硬度值。（2）表示方法維氏硬度用符號HV表示，符號前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。例如：580HV/30/20（1）維氏硬度測量原理第三十七頁，共五十五頁。優(yōu)點：適用范圍廣，從極軟到極硬材料都可測量;測量精度高，可比性強；能測較薄工件。缺點：測量操作較麻煩，測量效率低。（4）應用：廣泛用于科研單位和高校，以及薄件表面硬度檢驗。不適于大批生產(chǎn)和測量組織不均勻材料。（3）特點：維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點。第三十八頁，共五十五頁。1.1.4沖擊韌性

1.沖擊韌性是指金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。擺錘式一次沖擊試驗小能量多次沖擊試驗沖擊韌性的測定方法第三十九頁，共五十五頁。

擺錘式一次沖擊試驗擺錘式?jīng)_擊實驗機第四十頁，共五十五頁。試驗原理試樣被沖斷過程中吸收的能量即沖擊吸收功（Ak）等于擺錘沖擊試樣前后的勢能差。(J)第四十一頁，共五十五頁。沖擊韌度ak就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊吸收功。ak=AkAq(J/cm2)

標準沖擊試樣有兩種，一種是Ｕ形缺口試樣，另一種是Ｖ形缺口試樣。它們的沖擊韌度值分別以aKU和aKV。

材料的ak值愈大，韌性就愈好；材料的ak值愈小，材料的脆性愈大。通常把ak值小的材料稱為脆性材料研究表明，材料的ak值隨試驗溫度的降低而降低。第四十二頁，共五十五頁。2.斷裂韌性

低應力脆斷

工程零（構(gòu)）件有時在應力低于許用應力的情況下也會發(fā)生突然斷裂，稱為低應力脆斷。低應力脆斷的原因

由于實際應用的材料中常常存在一些裂紋和本身缺陷，如夾雜物、氣孔等或加工和使用過程中產(chǎn)生的缺陷，裂紋在應力的作用下失穩(wěn)而擴展，最終導致零（構(gòu)）件斷裂。第四十三頁，共五十五頁。1.1.5疲勞強度①疲勞破壞

零件、工具等即使在低于材料屈服強度的交變載荷作用下，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后也會發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。表示材料經(jīng)無數(shù)次交變載荷作用而不致引起斷裂的最大應力值。第四十四頁，共五十五頁。②疲勞破壞材料在對稱載荷下的應力變化規(guī)律。第四十五頁，共五十五頁。③疲勞強度材料交變應力和斷裂前應力循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取N=108鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取N=107鋼材的疲勞強度與抗拉強度之間的關(guān)系:

R-1

=(0.45～0.55)Rm疲勞曲線第四十六頁，共五十五頁。④產(chǎn)生疲勞破壞的原因

材料有雜質(zhì)、表面劃傷等缺陷應力集中

微裂紋

裂紋擴展

破壞第四十七頁，共五十五頁。⑤提高疲勞強度措施

材料方面保證冶煉質(zhì)量，減少夾雜物和熱加工產(chǎn)生的氣孔和疏松等缺陷。設計方面盡量使零件避免尖角、缺口和截面突變，以避免應力集中及其所引起的疲勞裂紋。工藝方面

降低零件表面粗糙度，并避免表面劃痕、碰傷，防止這些地方出現(xiàn)形成疲勞裂紋；采用表面強化方法，如化學熱處理、表面淬火、噴丸處理和表面涂層等，降低材料表面形成裂紋的可能性。

第四十八頁，共五十五頁。1.2金屬材料的物理性能和化學性能1.金屬材料的物理性能：比重、密度、熔點、導電性、導熱性、磁性、熱膨脹系數(shù)。2.金屬材料的化學性能：耐酸性、耐堿性、抗氧化性。第四十九頁，共五十五頁。成形工藝的應用重要環(huán)節(jié)：熱處理？第五十頁，共五十五頁。1.3金屬材料的工藝性能金屬材料的工藝性能：是指用不同的加工手段所表現(xiàn)出來的難易程度。

鑄造性能（流動性、收縮、偏析等）鍛壓性能切削加工性焊接性熱處理性能第五十一頁，共五十五頁。小結(jié)：1.強度、塑性的拉深實驗測試；三種不同硬度的測試方法。