工程材料及熱加工基礎-1

工程材料及熱加工基礎南京航空航天大學材料學院梁文萍第一章材料的力學性能§1.1材料的力學性能§1.2材料的靜載力學性能§1.3材料的動載力學性能§1.4材料的斷裂韌性§1.5其他力學性能材料的靜載力學性能

拉伸試驗

硬度材料的動載載力學性能

沖擊試驗

疲勞試驗斷裂韌性學習目的和要求：1.理解材料常用力學性能指標的物理意義。2.了解強度、塑性、硬度及沖擊韌性指標的測試方法以及使用這些指標時應注意的局限性，重點掌握布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)缺點、相互關系以及應用場合。材料的性能：材料在外界因素作用下所表現(xiàn)出來的行為.

力學性能物理性能化學性能工藝性能1.1.1概念與定義§1.1材料的力學性能材料的力學性能：

材料在一定環(huán)境因素下承受外加載荷所表現(xiàn)出來的行為，通常表現(xiàn)為變形（幾何形狀和尺寸的變化）與斷裂。1.1.1概念與定義材料用于結構零件時，其力學性能是工程設計的基本依據(jù)；以其它性能如物理、化學性能作為主要使用要求時，其力學性能同樣也是設計的重要參考依據(jù)。不同的工作條件和環(huán)境下，對力學性能的要求與側重各有不同。1.1.2材料力學性能指標靜載荷：

是指大小不變或變化過程緩慢的載荷。材料的靜載力學性能指標：

主要有強度、塑性、硬度等。§1.2材料的靜載力學性能1.2.1拉伸試驗1-1拉伸試驗1.2.1拉伸試驗標準拉伸試樣GB/T228-2002拉伸曲線應力-應變曲線應力σ＝F/S0

應變ε＝Δl/l01.2.1拉伸試驗1.彈性指標：彈性變形:隨完全卸載而消失的變形。

彈性:

金屬材料受外力作用時產生變形,當外力去掉后能恢復到原來形狀及尺寸的性能。

剛性:

材料抵抗彈性變形的能力。

比例極限σp

：

金屬拉伸曲線的初始階段，應力與應變成正比關系的最大應力稱為比例極限。彈性極限σe：

材料由彈性變形過渡到彈-塑性變形的應力,即:1.彈性指標：彈性模量（在工程上也稱材料的剛度）：在彈性范圍內應力與應變的比值,即:

E主要取決于金屬的本身性質,難以通過合金化、熱處理和加工的辦法使之改變。1.彈性指標：2.強度指標：強度：

表征材料對變形和斷裂的抗力的指標，單位為MPa或N/mm2。屈服強度σs：

試樣屈服時承受的最小應力。表征材料發(fā)生明顯塑性變形的抗力。屈服是指拉伸過程中，應力不增加或有所下降而試樣能繼續(xù)變形的狀態(tài)。條件屈服強度σ0.2：

某些材料在拉伸試驗中沒有明顯的屈服現(xiàn)象，規(guī)定產生0.2%的殘余伸長量時材料所承受的應力。

2.強度指標：強度極限（抗拉強度）σb

：

試樣拉斷前能承受的最大應力。表征材料對最大均勻變形的抗力。

比強度：

材料的強度值與密度值之比。名稱密度(g/cm3)強度(MPa)比強度純鋁2.780～10030～37純鐵7.87180～28023～36純鈦4.5405～50090～1112.強度指標：斷裂強度（抗拉強度）σk

：

試樣拉斷時的真實應力。表征材料對斷裂的抗力。

塑性變形：

不可恢復的永久變形。塑性是表征材料斷裂前具有塑性變形的能力。

3.塑性指標：延伸率δ（δ5、δ10）：

斷后試樣標距伸長量與原始標距之比的百分率，即：δ<2~5%屬脆性材科δ≈5~10%屬韌性材料δ>10%屬塑性材料3.塑性指標：

斷面收縮率ψ：

斷裂后試樣截面的相對收縮量，即試樣拉斷處橫截面積減縮量與原始橫截面積的百分比：

材料的塑性指標一般不直接用于機械設計計算。

零件遭受意外過載或沖擊時，通過塑性變形可以避免突然斷裂。材料具有一定塑性可保證某些成型工藝（如冷沖壓、軋制、冷彎等）順利進行。對于金屬材料，塑性指標還反映了其冶金質量的好壞。3.塑性指標：力學性能性能指標說明符號名稱強度σb抗拉強度試樣在拉斷前承受的最大應力值σs

屈服強度材料開始產生屈服現(xiàn)象時的應力σ0.2條件屈服強度對于無明顯屈服的材料，規(guī)定產生0.2%殘余伸長時所對應的應力值塑性δ（δ5、δ10）延伸率斷后試樣標距伸長量與原始標距之比的百分率，試樣的長度/直徑比為5、10時記為δ5、δ10ψ斷面收縮率試樣拉斷處橫截面積減縮量與原始橫截面積的百分比彈性σe彈性極限由彈性變形過渡到彈性-塑性變形時的應力σp比例極限彈性變形時應力與應變成正比關系的最大應力剛性E彈性模量完全彈性變形時應力與應變的比值，表征材料產生彈性變形的抗力拉伸試驗的主要力學性能指標小結1.2.2硬度硬度是材料表面抵抗局部壓入變形或刻劃破裂等的能力。工程中常用的硬度指標有：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等。硬度的種類及測試方法硬度試驗方法壓入法劃痕法加載速率靜載試驗法動載試驗法布氏硬度洛氏硬度維氏硬度顯微硬度肖氏硬度錘擊布氏硬度莫氏硬度材料抵抗局部斷裂的能力材料變形功的大小材料表面抵抗壓入時引起塑性變形的能力HB=F/S壓痕深度布氏硬度計

1.布氏硬度(Brinell-hardness)用于測定硬度不高的金屬材料。主要有鑄鐵、有色金屬、低合金結構鋼、結構鋼調質件等。1-2布氏硬度試驗測定原理：

用一定大小的載荷F，把直徑為D的淬火鋼球壓入被測金屬的表面，保持一定的時間后卸除載荷，用金屬壓痕的表面積，除載荷所得的商值即為布氏硬度值。1.布氏硬度(Brinell-hardness)F布氏硬度測量示意圖適用范圍:

＜450HBS

＜650HBWDdF

布氏硬度測試規(guī)范：

根據(jù)材料的軟硬和試樣的不同選擇合適的載荷P與鋼球直徑D。布氏硬度值的表示方法

符號HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑（mm）、載荷及（N）載荷保持時間（s）

。

如:120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。為了使同一材料用不同的P和D值測得的HB值相同，應使P/D2=常數(shù)。壓坑面積大，誤差小，但不宜檢驗成品、小件、薄件；HB650不適；多用于毛坯及原材料。布氏硬度的特點h1-h0洛氏硬度測試示意圖2.洛氏硬度HR(Rockwellhardness)1-3洛氏硬度試驗

測試原理：用一定規(guī)格的壓頭，在一定載荷作用下壓入試樣表面，然后測定壓痕的深度來計算并表示其硬度的大小，用符號HR來表示。主要有HRA、HRB、HRC、HRF等。

2.洛氏硬度HR(Rockwellhardness)洛氏硬度值的表示方法硬度值可從洛氏硬度計的百分度盤上直接讀出，標記時將硬度值置于HR前。例：60HRC、75HRA迅速方便，可直接讀數(shù)；壓坑小，適于薄材或成品的檢測；誤差稍大，宜不同部位多點測量取平均值。洛氏硬度的特點2.洛氏硬度HR(Rockwellhardness)3.維氏硬度HV(Vicker’shardness)

測試原理：

維氏硬度測試原理與布氏硬度相同，不同點是壓頭為金剛石正四棱錐體，所加負荷較小。所測硬度值精確。改變負荷可測定從極軟到極硬材料的硬度。3.維氏硬度HV(Viker’shardness)適用范圍:

測量薄板類

HV≈HBS

維氏硬度值的表示方法硬度值+HV+試驗力（kgf）數(shù)字+載荷保持時間例：640HV30/20維氏硬度的特點HV值不隨載荷變化，即不同載荷下的HV可相互比較；測量精度高，測量范圍廣；特別適用于測定工件表面硬化層、金屬鍍層及薄片金屬的硬度。4.顯微硬度（Micro-hardness）測試原理：與維氏硬度完全相同，只是所用載荷要小得多。常用于測定材料中某個相的硬度。5.里氏硬度（Leeb’shardness）:幾種硬度指標小結硬度種類硬度符號壓頭類型載荷/kgf硬度值有效范圍典型應用布氏HBS10mm淬火鋼球1000<450退火、正火或調質鋼件HBW10mm硬質合金球1000<650淬火鋼等較硬材料洛氏HRA120°金剛石圓錐6070-85硬質合金、表面淬火鋼HRB1.588mm淬火鋼球10025-100退火鋼、有色合金HRC120°金剛石圓錐15020-67一般淬火鋼件維氏HV136°金剛石四棱錐5－1200-1000經表面處理后的材料表面層動載荷是指由于運動而產生的作用在構件上的力。根據(jù)作用的性質不同分為交變載荷與沖擊載荷。動載力學性能指標主要有沖擊韌性和疲勞強度?！?.3材料的動載力學性能1.3.1沖擊韌性：韌性：

材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。

沖擊韌性：是材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。常用一次彎曲沖擊韌性試驗ak值來表示。ak值是帶缺口標準試樣快速沖斷時，單位橫截面積吸收的功。沖擊韌性是材料強度和塑性綜合作用的結果。一次彎曲沖擊韌性試驗試樣：夏比U型缺口試樣（梅氏試樣）夏比V型缺口試樣（夏氏試樣）沖擊韌性試樣試樣沖斷時所消耗的沖擊功Ak為:

Ak=mgH–mgh(J)沖擊韌性值ak：（J/m2）Hh材料的韌性，表示材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力；對材料內部缺陷、顯微組織變化敏感，可檢驗材料冶金質量與熱加工質量;受大能量沖擊的機件，需一定k以保證安全，但k值無法用于零件設計計算，只能根據(jù)經驗提出k值要求。ak的意義：評定材料低溫變脆傾向，測定材料的冷脆轉變溫度TK

；1.3.2疲勞強度：交變載荷：

方向、大小隨時間呈周期循環(huán)性變化的載荷。循環(huán)應力：周期性變動載荷作用下產生循環(huán)周次循環(huán)應力特征參數(shù)：最大應力max、最小應力min、應力半幅a、平均應力m應力循環(huán)對稱系數(shù)r=min/max疲勞斷裂：定義：機件在交變載荷作用下，在長時間工作后發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象。特點：①斷裂時的應力遠低于靜載下的抗拉強度甚至屈服強度；②無明顯塑性變形；③無預兆、突然發(fā)生。機理:在交變載荷作用下，材料表面應力集中處和材料內部缺陷處首先產生疲勞裂紋，并隨應力循環(huán)周次的增加，疲勞裂紋不斷擴展，甚至零件的有效橫截面面積不能承受外載荷時突然斷裂。疲勞強度

：

材料經無限次循環(huán)而不發(fā)生斷裂的最小應力。表征了材料抵抗疲勞斷裂的能力。測定：

旋轉彎曲疲勞試驗疲勞曲線σ-1：材料承受對稱循環(huán)交變應力時的疲勞強度。

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疲勞斷裂的危害性：機件斷裂80%是疲勞斷裂；突發(fā)性，難以防范；低應力脆斷。影響疲勞強度的因素常用的工程材料中，金屬的疲勞抗力最高（鋼的σ-1/σb約為40~50%，有色金屬約為25~50%），所以抗疲勞機件幾乎都選用金屬材料；陶瓷與聚合物的疲勞抗力很低，不能用于制造承受交變載荷的零件；纖維增強復合材料也有比較好的抗疲勞性能，處于交變載荷下工作的應用正逐漸增多。提高零件的疲勞強度可通過如下途徑：合理選材、改善零件的形狀與結構、減少材料的缺陷、降低零件表面的粗糙度、對零件表面進行強化等。低應力脆斷：一些大型零件在遠低于材料的屈服強度的應力值作用下發(fā)生的脆性斷裂。低應力脆斷是由于材料本身固有微裂紋，在應力的作用下失穩(wěn)擴展的結果。斷裂韌性：

材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展能力的性能指標?！?.4材料的斷裂韌性裂紋尖端的應力集中現(xiàn)象和應力場強度因子：斷裂韌性（KIc