第一章金屬材料的力學(xué)性能

機(jī)械制造基礎(chǔ)材料分類復(fù)合材料金屬材料陶瓷材料高分子材料

工藝性能—在制造機(jī)械零件的過程中，材料適應(yīng)各種冷、熱加工和熱處理的性能。

使用性能—材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、沖壓性能、切削加工性能、熱處理工藝性能材料的性能2、內(nèi)力：金屬受到外力時(shí)為保其不變形，在材料內(nèi)部作用者與外力相對抗的力稱為內(nèi)力。3、應(yīng)力：單位面積上的內(nèi)力。。一、基本概念1、彈性：指物體在外力作用下改變基本形狀和尺寸，當(dāng)外力卸除后物體又恢復(fù)到其原始形狀和尺寸的特性。研究力學(xué)性能意義：是選擇和使用金屬材料的重要依據(jù)沖擊載荷：在短時(shí)間內(nèi)以較高速度作用于零件上的載荷。循環(huán)載荷：指大小、方向隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的載荷4、應(yīng)變：指由外力所引起的物體原始尺寸或形狀的相對變化；通常以百分比（%）表示5、載荷：金屬材料在加工及使用過程中所受的外力。按作用性質(zhì)分：靜載荷：指大小不變或變化過程緩慢的載荷。。載荷按作用形式不同分：

材料的力學(xué)性能：指材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能，主要有強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度等。第一節(jié)強(qiáng)度與塑性作用在機(jī)件上的外力——載荷FFF=F’

（MPa）外力——內(nèi)力——應(yīng)力F’F靜載荷動載荷σ=F’

/S一.常用術(shù)語1.應(yīng)力與應(yīng)變應(yīng)力：物體內(nèi)部任一截面單位面積上的相互作用力。同截面垂直的稱為“正應(yīng)力”或“法向應(yīng)力”，同截面相切的稱為“剪應(yīng)力”或“切應(yīng)力”。FF拉伸前拉伸后應(yīng)變：物體形狀尺寸所發(fā)生的相對改變。物體內(nèi)部某處的線段在變形后長度的改變值同線段原長之比值稱為“線應(yīng)變”（1）彈性變形：

材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后恢復(fù)其原來形狀，這種隨外力消失而消失的變形，稱為彈性變形。2.兩種基本變形FFF

（2）塑性變形:

材料在外力作用下產(chǎn)生永久的不可恢復(fù)的變形，稱為塑性變形。FFF拉伸試驗(yàn)FFL拉伸試驗(yàn)機(jī)頸縮現(xiàn)象材料的拉伸曲線1、oe段：直線、彈性變形2、es段：曲線、彈性變形+塑性變形kbb—極限載荷點(diǎn)Fee—彈性極限點(diǎn)sS—屈服點(diǎn)K—斷裂點(diǎn)拉伸曲線應(yīng)力—應(yīng)變曲線o5、b點(diǎn)出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，即試樣局部截面明顯縮小試樣承載能力降低，拉伸力達(dá)到最大值，而后降低，但變形量增大，K點(diǎn)時(shí)試樣發(fā)生斷裂。4、s’b曲線：彈性變形+均勻塑性變形s’3、ss’段：水平線（略有波動）明顯的塑性變形屈服現(xiàn)象，作用的力基本不變，試樣連續(xù)伸長。1．強(qiáng)度材料在外力作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。（1）彈性極限（σe）指金屬材料能保持彈性變形的最大應(yīng)力。σe=Fe/S0（MPa）它表征了材料抵抗彈性變形的能力。（2）屈服強(qiáng)度（σS）指材料在外力作用下，產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的最小應(yīng)力。σS=Fs/S0（MPa）它表征了材料抵抗微量塑性變形的能力。當(dāng)材料單位面積上所受的應(yīng)力σe<σ<σs時(shí)，只產(chǎn)生微量的塑性變形。當(dāng)σ>σs時(shí)，材料將產(chǎn)生明顯的塑性變形。條件屈服強(qiáng)度:σ0.2=F0.2/S0（MPa）屈服強(qiáng)度—是塑性材料選材和評定的依據(jù)。0.2%l0

bkFes對于低塑性材料或脆性材料：低碳鋼和鑄鐵的應(yīng)力——應(yīng)變曲線比較

σb=Fb/S0（MPa）（3）抗拉強(qiáng)度（σb）抗拉強(qiáng)度是材料在拉斷前承受最大載荷時(shí)的應(yīng)力。它表征了材料在拉伸條件下所能承受的最大應(yīng)力?？估瓘?qiáng)度—是脆性材料選材的依據(jù)。物理意義是在于它反映了最大均勻變形的抗力屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值σS

/σb稱為屈強(qiáng)比。屈強(qiáng)比小，工程構(gòu)件的可靠性高，說明即使外載荷或某些意外因素使金屬變形，也不至于立即斷裂。但若屈強(qiáng)比過小，則材料強(qiáng)度的有效利用率太低。2.塑性常用δ

和ψ作為衡量塑性的指標(biāo)。伸長率：材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不引起破壞的能力。斷面收縮率:FFL良好的塑性是金屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。3．剛度

在彈性階段：材料在外力作用下抵抗彈性變形的能力稱為剛度。比例系數(shù)E稱為彈性模量，它反映材料對彈性變形的抗力，代表材料的“剛度”。

所以：E—材料抵抗彈性變形的能力越大。彈性模量的大小主要取決于材料的本性，隨溫度升高而逐漸降低。

第二節(jié)硬度定義：材料抵抗表面局部彈塑性變形的能力。1)布氏硬度HB布氏硬度計(jì)壓頭為鋼球時(shí)，布氏硬度用符號HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，用符號HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。

表示方法：

硬度值+HBS(HBW)+D+F+t布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。應(yīng)用：適于測量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼,鑄鐵及有色金屬的硬度。材料的b與HB之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：對于低碳鋼:

b(MPa)≈3.6HB

對于高碳鋼：b(MPa)≈3.4HB

對于鑄鐵：

b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈0.6(HB-40)2)洛氏硬度洛氏硬度用符號HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個(gè)標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為A、B、C。

標(biāo)尺壓頭類型總載荷N硬度測試范圍應(yīng)用舉例A金剛石圓錐558.470~85HRA硬質(zhì)合金，表面淬火、滲碳鋼等。B淬火鋼球980.720~100HRB退火鋼、鑄鐵、鋼合金、鋁合金等。C金剛石圓錐147120~70HRC淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等。

2、標(biāo)注：為了能在同一洛氏硬度計(jì)上測定從軟到硬的材料硬度，采用了由不同的壓頭和載荷組成的幾種不同的洛氏硬度標(biāo)尺，并用字母在HR后加以注明，常用的洛氏硬度是HRA、HRB和HRC三種。

洛氏硬度表示時(shí)，硬度值寫在硬度符號的前面。例如，50HRC表示用標(biāo)尺C測得的洛氏硬度值。符號HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。HRA用于測量高硬度材料,如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。HRB用于測量低硬度材料,如有色金屬和退火、正火鋼等。HRC用于測量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。缺點(diǎn)：測量結(jié)果分散度大。3)維氏硬度維氏硬度計(jì)維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度壓痕維氏硬度用符號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(shí)間。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)。

1．沖擊韌度（沖擊韌性）

AKU=mg（H1–H2）（J）aK=

AKU/S（J/cm2）

材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力。

第三節(jié)沖擊韌性標(biāo)準(zhǔn)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a(bǔ)K值小的材料稱為脆性材料研究表明，材料的aK值隨試驗(yàn)溫度的降低而降低。

加載速度越快，溫度越低，表面及冶金質(zhì)量越差，aK在值越低。TITANIC建造中的Titanic號TITANIC的沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)1912年4月號稱永不沉沒的泰坦尼克號（Titanic）首航沉沒于冰海，成了20世紀(jì)令人難以忘懷的悲慘海難。20世紀(jì)80年代后，材料科學(xué)家通過對打撈上來的泰坦尼克號船板進(jìn)行研究，回答了80年的未解之謎。由于Titanic號采用了含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。所以，當(dāng)船在冰水中撞擊冰山時(shí)，脆性船板使船體產(chǎn)生很長的裂紋，海水大量涌入使船迅速沉沒。下圖中左面的試樣取自海底的Titanic號，沖擊試樣是典型的脆性斷口，右面的是近代船用鋼板的沖擊試樣。第四節(jié)疲勞強(qiáng)度工程上一些機(jī)件工作時(shí)受交變應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)力作用，即使工作應(yīng)力低于材料的s，但經(jīng)過一定循環(huán)周次后仍會發(fā)生斷裂，這樣的斷裂現(xiàn)象稱之為疲勞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約80%的機(jī)件失效為疲勞破壞。當(dāng)零件所受的應(yīng)力低于某一值時(shí)，即使循環(huán)周次無窮多也不發(fā)生斷裂，稱此應(yīng)力值為疲勞強(qiáng)度或疲勞極限N0N鋼：有色金屬：N0—

循環(huán)基數(shù)影響疲勞強(qiáng)度的因素:內(nèi)部缺陷、表面劃痕、殘留應(yīng)力等疲勞斷裂零件在循環(huán)應(yīng)力作用下,在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累積損傷,經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后突然產(chǎn)生斷裂的過程,稱為疲勞斷裂.

疲勞斷裂由疲勞裂紋產(chǎn)生—擴(kuò)展—瞬時(shí)斷裂三個(gè)階段組成。

疲勞極限獲得方法：通過旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)方法有的大型轉(zhuǎn)動零件、高壓容器、橋梁等，常在其工件應(yīng)力遠(yuǎn)低于σS的情況下突然發(fā)生斷裂——低應(yīng)力脆性斷裂。1943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂北極星導(dǎo)彈1998年6月3日，德國發(fā)生了戰(zhàn)后最慘重的一起鐵路交通事故。一列高速列車脫軌，造成100多人遇難。事故的原因已經(jīng)查清，是因?yàn)橐还?jié)車廂的車輪“內(nèi)部疲勞斷裂”引起的。首先是一個(gè)車輪的輪箍發(fā)生斷裂，導(dǎo)致車輪脫軌，進(jìn)而造成車廂橫擺，此時(shí)列車正好過橋，橫擺的車廂以其巨大的力量將橋墩撞斷，造成橋梁坍塌，壓住了通過的列車車廂，并使已通過橋洞的車頭及前5節(jié)車廂斷開，而后面的幾節(jié)車廂則在巨大慣性的推動下接二連三地撞在坍塌的橋體上，從而導(dǎo)致了這場近50年來德國最慘重的鐵路事故。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因與機(jī)件內(nèi)部存在著微裂紋和其它缺陷以及它們的擴(kuò)展。隨應(yīng)力的增大，KI不斷增大，當(dāng)KI增大到某一定值時(shí)，這可使裂紋前沿的內(nèi)應(yīng)力大到足以使材料分離，從而導(dǎo)致裂紋突然擴(kuò)展，材料快速發(fā)生斷裂。這個(gè)應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值，稱為材料的斷裂韌度，用KIC表示。斷裂韌性：材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。力學(xué)性能bs強(qiáng)度塑性剛度硬度韌性疲勞強(qiáng)度三、力學(xué)性能與失效形式的關(guān)系失效形式斷裂塑性變形過量彈變磨損

一、物理性能

金屬材料的物理性能主要是指其密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性及熱脹冷縮性等

。1、導(dǎo)熱性金屬的導(dǎo)熱性常用導(dǎo)熱系數(shù)λ（W/(m*K)）來評價(jià)，λ值愈大，導(dǎo)熱性愈好。材料的導(dǎo)熱性對加工和使用都有很大的影響。2、熱脹冷縮性材料的熱脹冷縮性用線膨脹系數(shù)α（1/℃）或體積膨脹系數(shù)來評價(jià)。線膨脹系數(shù)或體積膨脹系數(shù)愈大，材料的尺寸或體積隨溫度升高而增大愈多，隨溫度降低而減少愈多，不僅對零件的使用有很大影響，而且影響零件的加工。

第五節(jié)金屬的物理性能和化學(xué)性能二、化學(xué)性能

化學(xué)性能是指金屬在室溫或者高溫抵抗各種介質(zhì)化學(xué)作用的能力，即化學(xué)穩(wěn)定性。主要化學(xué)性能有抗氧化性和抗腐蝕性。

1.抗氧化性

材料