金屬材料的力學(xué)性能

德修身技立業(yè)金屬材料的力學(xué)性能盾構(gòu)教研室主講：呂金豆強(qiáng)度塑性硬度CONTENTS目錄010203韌性疲勞性能0405金屬材料的力學(xué)性能金屬材料是目前應(yīng)用最廣泛的材料，常用的金屬材料有碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金鋼、鑄鐵、非鐵金屬及合金、金屬粉末冶金材料。一般聯(lián)結(jié)件(普通碳）素鋼)機(jī)床床身（灰鑄鐵）中低壓閥門（可鍛鑄鐵）曲軸（球墨鑄鐵）熱水器內(nèi)膽（不銹鋼）車刀刀片（硬質(zhì)合金）制動器(粉末冶金摩擦材料)低載齒輪(粉末冶金結(jié)構(gòu)材料)銑刀（刃具鋼）沖壓模具（模具鋼）機(jī)床主軸(優(yōu)質(zhì)碳素鋼)游標(biāo)卡尺(碳素工具鋼）鍋爐結(jié)構(gòu)件（耐熱鋼）挖掘機(jī)鏟斗（高猛鋼）深溝球軸承（軸承鋼）蝸輪蝸桿（銅合金）自行車架（鋁合金）滑動軸承（軸承合金）碳素鋼合金鋼有色金屬鑄鐵粉末冶金材料1.金屬材料的力學(xué)性能—強(qiáng)度1、強(qiáng)度：強(qiáng)度是指金屬材料在靜載荷作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。當(dāng)材料在滿足強(qiáng)度的載荷作用范圍內(nèi)是不會發(fā)生破壞，只有當(dāng)材料承受的載荷超過了自身的強(qiáng)度時才會發(fā)生斷裂之類的破壞。車軸斷裂1.金屬材料的力學(xué)性能—強(qiáng)度

根據(jù)外力作用性質(zhì)不同，主要有屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等。工程常用的是屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。相同條件下，材料的強(qiáng)度越高，則構(gòu)件的承載力也就越高。材料的強(qiáng)度等力學(xué)性能須通過試驗(yàn)的方法進(jìn)行測定。此類試驗(yàn)須按標(biāo)準(zhǔn)（如國家標(biāo)準(zhǔn)、部標(biāo)準(zhǔn)）中規(guī)定的方法進(jìn)行。此處重點(diǎn)介紹低碳鋼的拉伸強(qiáng)度測試實(shí)驗(yàn)。

拉伸試驗(yàn)機(jī)1.金屬材料的力學(xué)性能—強(qiáng)度1.金屬材料的力學(xué)性能—強(qiáng)度

為了便于對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，試驗(yàn)時首先要把待測試的材料加工成試件。我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228-1987《金屬拉力試驗(yàn)法》中規(guī)定，拉伸試件截面可采用圓形（如圖2-4a）或矩形，長度可根據(jù)其截面尺寸按規(guī)定比例或不按比例適當(dāng)選取。按比例選取的試件長短兩種規(guī)格。圓截面長試件其工作段長度（也稱標(biāo)距）l0=10d0，短試件l0=5d0。金屬材料的壓縮實(shí)驗(yàn)，一般采用短圓柱形試件，其高度為直徑d0的1.5-3倍。圖3拉伸試件圖4壓縮試件1.金屬材料的力學(xué)性能—強(qiáng)度

拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)在實(shí)驗(yàn)過程中可以繪制出施加的載荷與試件變形的線圖，一般稱為拉伸曲線。隨試件尺寸的不同，會使拉伸圖在量的方面有所差異。為了消除尺寸的影響，將拉力除以試件橫截面的原始面積A0，得出試件橫截面上的正應(yīng)力用σ表示；伸長量Δl除以標(biāo)距的原始長度l0，得出試件在工作段內(nèi)的相對伸長量ε，以σ為縱坐標(biāo)、ε為橫坐標(biāo)繪出的曲線稱為應(yīng)力—應(yīng)變圖，它表明從加載開始到破壞為止，應(yīng)力與應(yīng)變的對應(yīng)關(guān)系，反映了材料的性能。圖5拉伸曲線圖圖6應(yīng)力-應(yīng)變圖1.金屬材料的力學(xué)性能—強(qiáng)度階段力學(xué)特性拉伸圖（應(yīng)力-應(yīng)變線圖）特征第Ⅰ階段（彈性變形階段）試件受力以后，長度增加，產(chǎn)生變形，這時如將外力卸去，試件工作段的變形可以消失，恢復(fù)原狀。此類變形稱為彈性變形，因此，稱第Ⅰ階段為彈性變形階段。曲線呈直線狀第Ⅱ階段（屈服階段）彈性變形階段以后，試件的伸長顯著增加，但外力卻滯留在很小的范圍內(nèi)上下波動。外力不需增加，變形卻繼續(xù)增大，這種現(xiàn)象稱為屈服或流動。屈服階段中拉力波動的最低值稱為屈服載荷，用Fs表示。所對應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度（屈服極限），用σs表示。曲線出現(xiàn)波動第Ⅲ階段（強(qiáng)化階段）過了屈服階段以后，繼續(xù)增加變形，需要加大外力，試件對變形的抵抗能力又獲得增強(qiáng)，力與變形是非線性的關(guān)系。此階段稱為強(qiáng)化階段。曲線非線性增長第Ⅳ階段（頸縮階段）當(dāng)拉力繼續(xù)增大達(dá)某一確定數(shù)值時，可以看到，試件某處突然開始逐漸局部變細(xì)，形同細(xì)頸，稱頸縮現(xiàn)象。因此，第Ⅳ階段稱為頸縮階段。頸縮出現(xiàn)前，試件所能承受的拉力最大值，稱為最大載荷，用Fb表示。所對應(yīng)的應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度（強(qiáng)度極限），用σb表示。曲線單調(diào)下降2.金屬材料的力學(xué)性能—塑性2.塑性

塑性是指金屬材料在給定載荷外力的作用下，產(chǎn)生永久變形而不被破壞的能力。金屬材料在受到拉伸變形時，長度和橫截面積都要發(fā)生變化。因此，金屬的塑性可以用材料的伸長率δ和截面收縮率ψ兩個指標(biāo)來衡量伸長率δ試件拉斷后，工作段的殘余伸長量Δl=l1-l0與標(biāo)距長度l0的比值，代表試件拉斷后塑性變形程度，稱為材料的伸長率，用δ表示。即

截面收縮率ψ試件斷口處橫截面面積的相對變化率稱為截面收縮率，用ψ表示，即

金屬材料的伸長率和截面收縮率愈大，表示該材料的塑性愈好，即材料能承受較大的塑性變形而不破壞。2.金屬材料的力學(xué)性能—塑性工程上通常把常溫、靜載下伸長率大于5%的金屬材料稱為塑性材料，如低碳鋼；而把伸長率小于5%的金屬材料稱為脆性材料，如灰口鑄鐵等。低碳鋼是一種塑性極好的材料，在汽車制造業(yè)中常用這種材料通過沖裁、拉延、翻邊等壓力加工的方法來加工出汽車的車身覆蓋件。圖7壓力加工圖8汽車覆蓋件3.金屬材料的力學(xué)性能—硬度3.硬度

硬度是指材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力，是衡量材料軟硬程度的指標(biāo)。例如將一個堅(jiān)硬的鋼球壓入鋼板的表面，就會在鋼板表面留下圓形痕跡，這個痕跡的大小就反映了材料的軟硬程度。硬度是由硬度計(jì)測試出來的。圖9硬度測試原理圖10硬度計(jì)3.金屬材料的力學(xué)性能—硬度

硬度是由硬度計(jì)測試出來的。常用的硬度標(biāo)準(zhǔn)有三套：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度，這三種硬度標(biāo)準(zhǔn)有不同的測試方法和應(yīng)用范圍。圖11布氏硬度測試原理圖12洛氏硬度測試原理圖13維氏硬度測試原理3.金屬材料的力學(xué)性能—硬度

硬度是由硬度計(jì)測試出來的。常用的硬度標(biāo)準(zhǔn)有三套：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度，這三種硬度標(biāo)準(zhǔn)有不同的測試方法和應(yīng)用范圍。類別測試方法應(yīng)用范圍布氏硬度（HB）用一定大小的試驗(yàn)力F,把直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓入被測金屬的表面，保持規(guī)定時間后卸除試驗(yàn)力，用讀數(shù)顯微鏡測出壓痕平均直徑d，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。布氏硬度測量法適用于鑄鐵、非鐵合金、各種退火及調(diào)質(zhì)的鋼材，不宜測定太硬、太小、太薄的工件。洛氏硬度（HR）洛氏硬度（HR）試驗(yàn)方法是用一個頂角為120度的金剛石圓錐體或直徑為/的鋼球，在一定載荷下壓入被測材料表面，由壓痕深度求出材料的硬度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)材料硬度的不同，可分為三種不同標(biāo)度來表示：HRA、HRB、HRC。測試當(dāng)被測樣品過小或者布氏硬度（HB）大于450時，就改用洛氏硬度計(jì)量。維氏硬度（HV）以49.03~980.7N的負(fù)荷,將相對面夾角為138°的方錐形金剛石壓入材料表面,保持規(guī)定時間后，用測量壓痕對角線長度，再按公式來計(jì)算硬度的大小。維氏硬度還有小負(fù)荷維氏硬度和顯微維氏硬度，試驗(yàn)負(fù)荷<1.961N，試驗(yàn)負(fù)荷1.961~<49.03N，它適用于較大工件和較深表面層的硬度測定。還適用于較薄工件、工具表面或鍍層的硬度測定。4.金屬材料的力學(xué)性能—韌性4.韌性

韌性表示材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。韌性越好，則發(fā)生脆性斷裂的可能性越小。韌性可在材料科學(xué)及冶金學(xué)上，韌性是指當(dāng)承受應(yīng)力時對折斷的抵抗，其定義為材料在破裂前所能吸收的能量與體積的比值。衡量材料抗沖擊能力的指標(biāo)用沖擊韌度來表示。沖擊韌度是通過沖擊實(shí)驗(yàn)來測定的。圖14韌性測試原理圖15韌性測試機(jī)5.金屬材料的力學(xué)性能—疲勞性能5.疲勞性能

許多機(jī)械零件和工程構(gòu)件，是承受交變載荷工作的。在交變載荷的作用下，雖然應(yīng)力水平低于材料的屈服極限，但經(jīng)過長時間的應(yīng)力反復(fù)循環(huán)作用以后，也會發(fā)生突然脆