第一章 金屬的力學(xué)性能

第一章金屬的力學(xué)性能工程材料與熱加工基礎(chǔ)》——程曉宇第一頁，共三十四頁，2022年，8月28日

第一章金屬的力學(xué)性能

教學(xué)目標(biāo):

１．了解材料的主要力學(xué)性能指標(biāo)：屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率、斷面收縮率、硬度、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度、斷裂韌性等力學(xué)性能及其測試原理；２．強(qiáng)調(diào)各種力學(xué)性能指標(biāo)的生產(chǎn)實(shí)際意義；３．了解工程材料的物理性能、化學(xué)性能及工藝性能。

工程材料與熱加工基礎(chǔ)》——程曉宇第二頁，共三十四頁，2022年，8月28日金屬的力學(xué)性能定義:

金屬材料的力學(xué)性能是指金屬材料在不同環(huán)境（溫度、介質(zhì)）下，承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力等）時(shí)所表現(xiàn)出的力學(xué)特征。

指標(biāo):

彈性、剛度、強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性、斷裂韌度和疲勞強(qiáng)度等。工程材料與熱加工基礎(chǔ)》——程曉宇第三頁，共三十四頁，2022年，8月28日材料的其他性能物理性能：密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹性、磁性等；化學(xué)性能：耐腐蝕性、抗氧化性、化學(xué)穩(wěn)定性等；工藝性能：鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性、熱處理工藝性等。工程材料與熱加工基礎(chǔ)》——程曉宇第四頁，共三十四頁，2022年，8月28日第一節(jié)強(qiáng)度和塑性一、拉伸實(shí)驗(yàn)與拉伸曲線1.拉伸試樣GB6397-86規(guī)定《金屬拉伸試樣》有：圓形、矩形、異型及全截面．常用標(biāo)準(zhǔn)圓截面試樣。長試樣：L0=10d0;短試樣：L0=5d0拉伸試樣工程材料與熱加工基礎(chǔ)》——程曉宇第五頁，共三十四頁，2022年，8月28日第一節(jié)強(qiáng)度和塑性2.拉伸過程工程材料與熱加工基礎(chǔ)》——程曉宇第六頁，共三十四頁，2022年，8月28日拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試驗(yàn)機(jī)工程材料與熱加工基礎(chǔ)》——程曉宇第七頁，共三十四頁，2022年，8月28日op段：比例彈性變形階段；pe段：非比例彈性變形階段；平臺或鋸齒（s段）：屈服階段；sb段：均勻塑性變形階段，是強(qiáng)化階段。b點(diǎn)：形成了“縮頸”。bk段：非均勻變形階段，承載下降，到k點(diǎn)斷裂。斷裂總伸長為Of，其中塑形變形Og(試樣斷后測得的伸長)，彈性伸長gf。ΔlFΔl

bΔl

uΔl

FbbkFssogfeFepFp3.拉伸曲線工程材料與熱加工基礎(chǔ)》——程曉宇第八頁，共三十四頁，2022年，8月28日4.應(yīng)力與應(yīng)變曲線(1)應(yīng)力σ：單位面積上試樣承受的載荷。這里用試樣承受的載荷除以試樣的原始橫截面積S0表示:F 載荷(N)σ=——(Mpa) S0 原始橫截面積(mm2)(2)應(yīng)變ε：單位長度的伸長量。這里用試樣的伸長量除以試樣的原始標(biāo)距表示:

Δl 伸長量(mm)

ε=——

l0

原始長度(mm)(3)應(yīng)力－應(yīng)變曲線（σ-ε曲線）:形狀和拉伸曲線相同，單位不同σbσsσeεσ工程材料與熱加工基礎(chǔ)》——程曉宇第九頁，共三十四頁，2022年，8月28日退火低碳鋼低、中回火鋼淬火鋼及鑄鐵中碳調(diào)質(zhì)鋼5.不同材料的拉伸曲線工程材料與熱加工基礎(chǔ)》——程曉宇第十頁，共三十四頁，2022年，8月28日二、強(qiáng)度和剛度2.剛度：將材料抵抗彈性變形的能力稱為剛度。彈性模量：彈性下應(yīng)力與應(yīng)變的比值,表示材料抵抗彈性變形的能力。即：E=σ/ε材料的E越大，剛度越大；E對組織不敏感；零件的剛度主要決定于E，也與形狀、截面等有關(guān)。E=σ/ε

1.彈性:金屬材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形,當(dāng)外力去掉后能恢復(fù)到原來形狀及尺寸的性能。彈性變形:

隨載荷撤除而消失的變形。工程材料與熱加工基礎(chǔ)》——程曉宇第十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日3.彈性極限:

Fe彈性極限載荷(N)

σe=(Mpa)

S0試樣原始橫截面積(mm2)σee工程材料與熱加工基礎(chǔ)》——程曉宇第十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日4.強(qiáng)度:材料在載荷作用下抵抗永久變形和破壞的能力。種類:抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度等。

(1)屈服點(diǎn)與屈服強(qiáng)度:

產(chǎn)生明顯塑性變形的最低應(yīng)力值.

Fs

σs

=

(MPa)

S0試樣屈服時(shí)的載荷(N)試樣原始橫截面積(mm2)σs工程材料與熱加工基礎(chǔ)》——程曉宇第十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日

屈服強(qiáng)度(塑性變形量為0.2%，微量塑性變形)

F0.2

σ0.2

=

(MPa)

S

0

試樣原始橫截面(mm2)試樣產(chǎn)生0.2%殘余塑性變形時(shí)的載荷(N)σ0.2：試樣產(chǎn)生殘余塑性變形0.2%時(shí)的應(yīng)力試樣產(chǎn)生0.2%殘余塑性變形

屈服點(diǎn)σs、屈服強(qiáng)度σ0.2是零件設(shè)計(jì)的主要依據(jù)；也是評定金屬強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一。工程材料與熱加工基礎(chǔ)》——程曉宇第十四頁，共三十四頁，2022年，8月28日(2)抗拉強(qiáng)度：試樣在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力。它表示材料抵抗斷裂的能力。是零件設(shè)計(jì)的重要依據(jù)；也是評定金屬強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一。

F

b

試樣斷裂前的最大載荷(N)

σb

=

(MPa)

S

0

試樣原始橫截面積(mm2)σbσsσe工程材料與熱加工基礎(chǔ)》——程曉宇第十五頁，共三十四頁，2022年，8月28日三、塑性:是指材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。(1)斷面收縮率:

是指試樣拉斷處橫截面積的收縮量Δ

S與原始橫截面積S0之比。(2)伸長率:是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長量Δ

L

與原始標(biāo)距L0之比。

S0-S1

ψ=——-—×100%S0

l1

-

l0

δ=——-—×100%l0工程材料與熱加工基礎(chǔ)》——程曉宇第十六頁，共三十四頁，2022年，8月28日δ<2~5% 屬脆性材科δ≈5~10% 屬韌性材料δ>10% 屬塑性材料思考:同一材料δ5＞

δ10？Δl=Δlu＋Δｌbδ=Δl/l0=Δlu/l0+

Δlb/l0δδuδbσbσsσeεσEδ塑性指標(biāo)不直接用于計(jì)算，但任何零件都需要一定塑性。防止過載斷裂；塑性變形可以緩解應(yīng)力集中、削減應(yīng)力峰值。工程材料與熱加工基礎(chǔ)》——程曉宇第十七頁，共三十四頁，2022年，8月28日練習(xí)題一拉力試樣的原標(biāo)距長度為50mm，直徑為10mm，經(jīng)拉力試驗(yàn)后，將已斷裂的試樣對接起來測量，若最后的標(biāo)距長度為71mm，頸縮區(qū)的最小直徑為4.9mm，試求該材料的伸長率和斷面收縮率的值？解：δ５=[（71-50）/50]x100%=42%S0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2)S1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2)Ψ=[(S0-S1)/S0]x100%=24%工程材料與熱加工基礎(chǔ)》——程曉宇第十八頁，共三十四頁，2022年，8月28日練習(xí)題二某工廠買回一批材料（要求：бs≥230MPa；бb≥410MPa；δ5≥23%；ψ≥50%）．做短試樣（ｌ0=5ｄ0；ｄ0=10mm）拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如下：Fs=19KN，F(xiàn)b=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;問買回的材料合格嗎？解：根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算如下：бs＝Fs／s０＝(19x1000)/(3.14x52)=242 ＞230MPa бb＝Fb／s０＝(34.5x1000)/(3.14x52)=439.5＞410MPa δ5＝[Δl

／l0]x100%＝[(63.1-50)/50]x100%=26.2%＞23%ψ＝[ΔS

／S0]x100%＝60.31%＞50%材料的各項(xiàng)指標(biāo)均合格，因此買回的材料合格。工程材料與熱加工基礎(chǔ)》——程曉宇第十九頁，共三十四頁，2022年，8月28日第二節(jié)硬度布氏硬度HB洛氏硬度HR維氏硬度HV銼刀法五.硬度(hardness):是指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力常用測量硬度的方法工程材料與熱加工基礎(chǔ)》——程曉宇第二十頁，共三十四頁，2022年，8月28日(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度計(jì)

工程材料與熱加工基礎(chǔ)》——程曉宇第二十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)適用范圍:

＜450HBS;

＜650HBW;工程材料與熱加工基礎(chǔ)》——程曉宇第二十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)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、載荷及載荷保持時(shí)間。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。工程材料與熱加工基礎(chǔ)》——程曉宇第二十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日(2)洛氏硬度HR(Rockwllhardness)h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計(jì)10HRC≈HBS工程材料與熱加工基礎(chǔ)》——程曉宇第二十四頁，共三十四頁，2022年，8月28日(3)維氏硬度HV

(diamondpenetratorhardness)適用范圍:

測量薄板類;

HV≈HBS;工程材料與熱加工基礎(chǔ)》——程曉宇第二十五頁，共三十四頁，2022年，8月28日(5)銼刀法:

一組硬度差為5HRC的銼刀。例如:10HRC、15HRC、20HRC等。工程材料與熱加工基礎(chǔ)》——程曉宇第二十六頁，共三十四頁，2022年，8月28日六.沖擊韌性(notchtoughness):材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。工程材料與熱加工基礎(chǔ)》——程曉宇第二十七頁，共三十四頁，2022年，8月28日沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖工程材料與熱加工基礎(chǔ)》——程曉宇第二十八頁，共三十四頁，2022年，8月28日試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功Ak為:

Ak=mgH–mgh(J)沖擊韌性值ak就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。AK

ak=(J/cm2)S0工程材料與熱加工基礎(chǔ)》——程曉宇第二十九頁，共三十四頁，2022年，8月2