機械工程材料基礎

第一篇機械工程材料基礎緒論

拉伸實驗及強度和塑性硬度沖擊韌度

疲勞強度斷裂韌性第一頁，共二十三頁。鑄造性可鍛性可焊性切削加工性熱處理性工程材料的性能

使用性能力學性能（強度、塑性、硬度、韌性及疲勞強度）

物理性能（密度、熔點、導電性、導熱性、磁性等)

化學性能（耐蝕性、抗氧化性、化學穩(wěn)定性等）

工藝性能第一節(jié)拉伸實驗及強度和塑性

第二頁，共二十三頁。一、強度金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力

。材料的強度用拉伸試驗測定

1、拉伸試樣通常采用圓柱形拉伸試樣，D0為標準試樣的原始直徑；D1為試樣斷口處的直徑。L0為標準試樣的原始標距長度；L1為拉斷試樣對接后測出的標距長度。長試樣L0=10D0；短試樣L0=5D0。第一節(jié)拉伸實驗及強度和塑性

第三頁，共二十三頁。２、實驗方法—試驗在試驗機上進行第一節(jié)拉伸實驗及強度和塑性

一、強度金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力

。材料的強度用拉伸試驗測定

圓形拉伸試樣拉伸實驗第四頁，共二十三頁。拉伸曲線

通常把拉伸力F作為縱坐標，伸長量△L作為橫坐標。拉伸試驗測得的力—伸長曲線如下。從完整的拉伸試驗和力—伸長曲線可以看出，試樣從開始拉伸到斷裂要經(jīng)過彈性變形階段、屈服階段、冷變形強化階段、縮頸與斷裂階段。

第一節(jié)拉伸實驗及強度和塑性

一、強度金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力

。材料的強度用拉伸試驗測定

２、實驗方法—試驗在試驗機上進行第五頁，共二十三頁。金屬材料的強度指標根據(jù)其變形特點分下列幾個：

①彈性極限（σe）表示材料保持彈性變形,不產(chǎn)生永久變形的最大應力,是彈性零件的設計依據(jù)。

第一節(jié)拉伸實驗及強度和塑性

一、強度金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力

。材料的強度用拉伸試驗測定

２、實驗方法—試驗在試驗機上進行第六頁，共二十三頁。②屈服點（σs）在拉伸過程中力不增加（保持恒定），試樣仍能繼續(xù)伸長時的應力稱為材料的屈服點（過去曾稱屈服極限）。以σs表示，單位為Mpaσs=Fs/S0Fs——材料屈服時的拉伸力(N)。S0——試樣原始橫截面積(mm2)。原標準GB228-76曾將產(chǎn)生0.2%殘余伸長率的規(guī)定殘余伸長應力σ0.2稱為屈服強度，以σ0.2表示。第一節(jié)拉伸實驗及強度和塑性

一、強度金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力

。材料的強度用拉伸試驗測定

２、實驗方法—試驗在試驗機上進行第七頁，共二十三頁。③強度極限(抗拉強度σb)拉伸過程中最大力Fb所對應的應力稱為抗拉強度（曾稱強度極限），以σb表示。

σb=Fb/S0

抗拉強度的物理意義是表征材料對最大均勻變形的抗力，表征材料在拉伸條件下所能承受最大力的應力值，它是設計和選材的主要依據(jù)之一，是工程技術上的主要強度指標。

第一節(jié)拉伸實驗及強度和塑性

一、強度金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力

。材料的強度用拉伸試驗測定

２、實驗方法—試驗在試驗機上進行第八頁，共二十三頁。二、塑性

常用的塑性指標是材料斷裂時最大相對塑性變形，如拉伸時的斷后伸長率和斷面收縮率。

１、伸長率（δ）在拉伸試驗中,試樣拉斷后,標距的伸長與原始標距的百分比稱為伸長率。以δ表示。δ=(L1-L0)/L0式中L1——試樣拉斷后的標距（mm）；L0——試樣原始標距（mm）。試樣的長度和截面尺寸對δ是有影響的。第一節(jié)拉伸實驗及強度和塑性

第九頁，共二十三頁。2、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。試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比稱為斷面收縮率，以ψ表示。其數(shù)值按下式計算：ψ=(S0-S1)/S0

式中S0——試樣原始截面積（mm2）；S1——試樣斷裂后縮頸處的最小橫截面積（mm2）。

二、塑性

常用的塑性指標是材料斷裂時最大相對塑性變形，如拉伸時的斷后伸長率和斷面收縮率。

第一節(jié)拉伸實驗及強度和塑性

第十頁，共二十三頁。第二節(jié)

硬度1、硬度是衡量金屬軟硬程度的一種性能指標，是指金屬抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。2、硬度法優(yōu)點：簡便、無需專門試樣、不損壞工件、測試方便、迅速、硬度值與材料機械性能其它指標有一定相應關系。

硬度測定方法有壓入法、劃痕法、回跳法等，其中壓入法的應用最為普遍。壓入法是在規(guī)定的靜態(tài)試驗力作用下，將壓頭壓入金屬材料表面層，然后根據(jù)壓痕的面積大小或深度測定其硬度值。在壓入法中根據(jù)試驗力、壓頭和表示方法的不同，常用的硬度測試方法有布氏硬度、洛氏硬度、和維氏硬度。第十一頁，共二十三頁。一、布氏硬度（HB)1、布氏硬度的測定原理：用一定大小的試驗力P（N），把直徑D（mm）的淬火鋼球或硬治合金球壓入被測金屬的表面，保持規(guī)定時間后卸除試驗力，用讀數(shù)顯微鏡測出壓痕平均直徑d（mm），然后按公式求出布氏硬度（HB）值，或者根據(jù)d從已備好的布氏硬度表中查出（HB）值。第二節(jié)

硬度第十二頁，共二十三頁。第二節(jié)

硬度

2、布氏硬度試驗規(guī)范國家標準（GB231-84）規(guī)定布氏硬度試驗時，常用的0.102F/D2的比例為30、10、2.5三種，根據(jù)金屬材料種類、試樣硬度范圍和厚度的不同，按照布氏硬度試驗規(guī)范選擇試驗壓頭（鋼球）直徑D、試驗力F及保持時間。3、表示方法：淬火鋼球作壓頭測得的硬度值以符號HBS表示，用硬質合金作壓頭測得的硬度值以符號HBW表示。4、特點：重復性好，但不簡便，常用于測試非鐵金屬、鑄鐵、鋼鐵原材料，也用于硬度低于450HBS的調質鋼或HBW＜650的材料。第十三頁，共二十三頁。第二節(jié)

硬度二、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)

1、原理：根據(jù)壓痕深度確定硬度值它是用頂角為120o金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的淬火鋼球作壓頭，先施加的初始試驗力F1（10kg），再加上主試驗力F2，其總試驗力為F=F1+F2（60kg、100kg、150kg）。此時壓頭受主試驗力作用壓入的深度為h，金屬越硬，h值越小。2、洛氏硬度標:我國常用的是HRA、HRB、HRC三種3、洛氏硬度值標注方法：例如52HRC、70HRA等。4、特點：可直接讀數(shù)，操作簡單，重復性差，損傷工件表面第十四頁，共二十三頁。第三節(jié)

沖擊韌度（ak）材料抵抗沖擊載荷作用的能力稱為沖擊韌性，常用一次擺錘沖擊彎曲試驗來測定。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

。（一）試驗原理第十五頁，共二十三頁。第三節(jié)

沖擊韌度（ak）

在試樣上開缺口的作用是：在缺口附近造成應力集中，是塑性變性局限在缺口附近，并保證在缺口處發(fā)生破裂，以便正確測定金屬承受沖擊載荷的能力。同一中金屬的試樣缺口愈深、愈尖銳，沖擊吸收功愈小，金屬表現(xiàn)脆性就愈顯著。（二）沖擊試樣夏氏V型缺口試樣第十六頁，共二十三頁。第三節(jié)

沖擊韌度（ak）（三）影響沖擊韌度的因素(1)試樣的形狀、尺寸:V型缺口試樣比U型缺口試樣更容易沖斷，因此，不同類型的沖擊試樣，測定出的沖擊吸收功不能直接比較。(2)材料的缺陷:

能有效的檢驗金屬材料在冶煉、加工、熱處理工藝等方面的質量。(3)試驗溫度:

在進行不同溫度的一系列沖擊試驗時，隨試驗溫度的降低，沖擊吸收功總的變化趨勢是隨溫度降低而降低的。當溫度降至某一數(shù)值時，沖擊吸收功急劇下降，金屬由韌性斷裂變?yōu)榇嘈詳嗔?，這種現(xiàn)象稱為冷脆轉變。金屬由韌性狀態(tài)向脆性狀態(tài)轉變的溫度稱為韌脆轉變溫度。第十七頁，共二十三頁。第三節(jié)

沖擊韌度（ak）（三）影響沖擊韌度的因素(4)材料的纖維方向:第十八頁，共二十三頁。第四節(jié)

疲勞強度一、疲勞現(xiàn)象1．交變載荷載荷的大小與方向隨時間發(fā)生周期性的變化。2．疲勞指材料在循環(huán)載荷作用下，即使所受應力低于屈服強度也常發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。二、疲勞強度通常材料疲勞性能的測定是在旋轉彎曲疲勞試驗機上進行的，常見的疲勞曲線和對稱循環(huán)交變應力圖如下圖。第十九頁，共二十三頁。第四節(jié)

疲勞強度1、疲勞的危險性疲勞破壞的突然性，故造成得大的危險。2、疲勞機理生成裂紋源→裂紋擴展→最后脆斷。三、提高材料疲勞強度的措施（1）合理的結構形狀，防止表面損傷，避免應力集中。（2）表面強化。第二十頁，共二十三頁。第五節(jié)

斷裂韌性一、斷裂韌度概念的建立低應力脆斷特點：（1）不論脆性材料或塑性材料，斷裂前均無塑性變性，斷口平直光亮；（2）斷裂時工作應力很低，遠低于材料的屈服強度和許用應力。低應力脆斷與材料內部的裂紋及裂紋擴展有關。由此發(fā)展出一門新的學科——斷裂力學。它提出了一些新的強度、韌性指標。第二十一頁，共二十三頁。二、斷裂韌度（引入的參數(shù)）（1）應力強度因子KⅠ：用來表示裂紋尖端附近某點處的實際應力值。與施加的應力、裂紋長度、距裂紋尖端的距離有關。（2）斷裂韌性KⅠc：裂紋由正常擴展過度過到失穩(wěn)擴展時所對應的應力場強度因子的臨界值。它表示了材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展而斷裂的能力，只與材料的成份、組織結構有關。（3）斷裂韌度是用來反映材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展，即抵抗脆性斷能力的性能指標。當KⅠ＜KⅠC時，裂紋擴展很慢或不擴展；當KⅠ＞KⅠC時，則材料發(fā)生失穩(wěn)脆斷。第五節(jié)

斷裂韌性第二十二頁，共二十三頁。內容總結第一篇機械工程材料基礎。Fs——材料屈服時的拉伸力(N)。原標準GB228-76曾將產(chǎn)生0.2%殘余伸長率的規(guī)定殘余伸長應力σ0.2稱為