《機械制造基礎》 自考 課件 第2章 金屬材料的力學性能

第2章金屬材料的力學性能本章要點課程名稱、模塊（章或節(jié)）序號與模塊（章或節(jié)）名稱12.1金屬材料的力學性能2.2金屬材料的物理性能、化學性能和工藝性能機械制造基礎第2章金屬材料的力學性能22.1金屬材料的力學性能2.1.1強度按照外力作用的形式不同，可分為屈服強度、抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度和抗扭強度等。工程常用的是屈服強度和抗拉強度，這兩個強度指標可通過拉伸試驗測出。應力是強度大小的通用表示，單位為兆帕（MPa）。指金屬材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。全自動萬能材料試驗機適用對各種金屬、非金屬材料進行拉伸、壓縮、彎曲、剪切、撕裂、剝離、穿刺等力學性能的測試，進行等速加載、等速變形、等速位移的自動控制試驗，有低周載荷循環(huán)、變形循環(huán)、位移循環(huán)的功能。機械制造基礎第2章金屬材料的力學性能32.1金屬材料的力學性能2.1.1強度一般用力-伸長曲線上所對應某點的應力來表示，即1.強度表示

R為應力（MPa）；F為拉力（N）；S0為試樣原始橫截面面積（mm2）。機械制造基礎第2章金屬材料的力學性能42.1金屬材料的力學性能2.1.1強度指當金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時，在試驗期間發(fā)生塑性變形而力不增加的應力點。分上屈服強度和下屈服強度。上屈服強度ReH是指試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最高應力，下屈服強度ReL是指在屈服期間不計初始瞬時效應時的最低應力。上屈服強度（ReH）：下屈服強度（ReL）：2.屈服強度

FeH為試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最高力（N）；FeL為試樣屈服期間不計初始瞬時效應時的最低力（N）；S0為試樣的原始橫截面面積（mm2）。應力-延伸率曲線上、下屈服強度機械制造基礎第2章金屬材料的力學性能52.1金屬材料的力學性能2.1.1強度對于屈服現(xiàn)象不明顯的材料，如高碳鋼、鑄鐵等，應測定規(guī)定塑性延伸強度Rp，或規(guī)定殘余延伸強度Rr。下標0.2表示試樣標距部分殘余伸長率達到規(guī)定數(shù)值0.2%。例如，Rp0.2表示規(guī)定塑性延伸率為0.2%時的應力，Rr0.2表示規(guī)定殘余延伸率為0.2%時的應力。機械零件在工作時一般不允許產(chǎn)生明顯的塑性變形，材料的屈服強度或規(guī)定殘余延伸強度越高，允許的工作應力也越高，則零件的截面尺寸及自身質(zhì)量就可以減小。通常以屈服強度或規(guī)定殘余延伸強度作為機械零件設計和選材的主要依據(jù)。2.屈服強度應力-延伸率曲線b）規(guī)定塑性延伸強度Rp；c）規(guī)定殘余延伸強度Rr機械制造基礎第2章金屬材料的力學性能62.1金屬材料的力學性能2.1.1疲勞強度是機械零件評定和選材時的重要強度指標。隨著載荷的增加，拉伸曲線開始上升，當載荷達到最大值Fm后，可以看到試樣局部開始出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，隨著縮頸處橫截面面積不斷減小，試樣的承載能力不斷下降，直至試樣拉斷?？估瓘姸龋?/p>

零件在工作中所承受的應力不允許超過其抗拉強度，否則會產(chǎn)生斷裂。3.抗拉強度抗拉強度是指金屬材料抵抗外力而不致斷裂的最大應力值，用符號Rm表示。

Rm為抗拉強度（MPa）；Fm為試樣在斷裂前所受的最大力（N）；S0為試樣的原始橫截面面積（mm2）。機械制造基礎第2章金屬材料的力學性能72.1金屬材料的力學性能2.1.2塑性試樣被拉斷后標距的伸長量與原始標距的百分比稱為斷后伸長率。用符號A表示。即1.伸長率塑性是指材料受力時產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力，工程上常用伸長率A和斷面收縮率Z來評價。

Lu為試樣斷后標距（mm）；L0為試樣原始標距（mm）。標準拉伸試樣有長試樣（L0=10d0）和短試樣（L0=5d0），d0為試樣截面直徑（mm）。機械制造基礎第2章金屬材料的力學性能82.1金屬材料的力學性能2.1.2塑性斷面收縮率Z是指斷裂后試樣橫截面面積的最大縮減量與原始橫截面面積之比的百分率。即斷面收縮率不受試樣尺寸的影響，因此能更可靠、更靈敏地反映材料塑性的變化。金屬材料的伸長率與斷面收縮率數(shù)值越大，說明其塑性越好。塑性直接影響零件的成形加工及使用。例如，低碳鋼的塑性好，能通過鍛壓加工成形，而灰鑄鐵塑性差，不能進行壓力加工。塑性好的材料，在受力過大時，首先產(chǎn)生塑性變形而不致發(fā)生突然斷裂，所以大多數(shù)機械零件除要求具有較高的強度外，還必須具有一定的塑性。2.斷面收縮率

Su為試樣斷口處的橫截面面積（mm2）；S0為試樣的原始橫截面面積（mm2）。機械制造基礎第2章金屬材料的力學性能92.1金屬材料的力學性能2.1.3硬度布氏硬度值是由布氏硬度試驗測定的。試驗原理：用一定直徑D的硬質(zhì)合金球作為壓頭，在規(guī)定試驗力F的作用下壓入試件表面。保持規(guī)定的時間后卸除試驗力，測量試樣表面壓痕直徑d，用載荷與壓痕球形表面積的比值乘以一個常數(shù)（0.102）作為布氏硬度（HBW）值。符號：HBW，硬度數(shù)值標在符號前（420~450HBW）。其數(shù)值越大，表示材料越硬。布氏硬度壓痕面積大，能反映出較大面積范圍內(nèi)被測試金屬的平均硬度，故試驗結果穩(wěn)定、準確。但因壓痕較大，所以不宜測試成品及薄片金屬的硬度。布氏硬度適用于測量硬度值小于650HBW的有色金屬、熱處理之前或退火后及調(diào)質(zhì)鋼、鑄鐵、鑄鋼等。1.布氏硬度硬度是指材料表面在外力作用下，抵抗局部變形，尤其是塑性變形、壓痕或劃痕的能力，是衡量材料軟硬的指標。布氏硬度測試原理與布氏硬度儀機械制造基礎第2章金屬材料的力學性能102.1金屬材料的力學性能2.1.3硬度洛氏硬度試驗法是目前工廠中應用最廣泛的硬度試驗方法。將特定尺寸、形狀和材料的壓頭（錐頂角為120°的金剛石圓錐體或一定直徑的碳化鎢合金球），按照規(guī)定分兩級試驗力壓入試樣表面，初試驗力加載后測量初始壓痕深度，隨后施加主試驗力，在卸除主試驗力后保持初試驗力時測量最終壓痕深度。根據(jù)殘余壓痕深度h（最終壓痕深度和初始壓痕深度的差值）來計算洛氏硬度值。2.洛氏硬度金剛石圓錐壓頭的洛氏硬度試驗原理試驗時，1）加初試驗力F?，壓痕深度為h1，目的是使壓頭與試樣表面緊密接觸。2）加主試驗力F1，在總試驗力（F1+F?）作用下，壓入深度為h2。3）卸除主試驗力F1，由于金屬彈性變形的恢復，使壓頭略微回升，這時壓頭實際壓入試樣的深度為h3，故由主試驗力引起的塑性變形而產(chǎn)生的殘余壓痕深度h=h3-h1，并以此衡量被測金屬的硬度。顯然，h值越大時，被測金屬的硬度越低；反之，則越高。機械制造基礎第2章金屬材料的力學性能112.1金屬材料的力學性能2.1.3硬度為了能用同一種硬度計測定從軟到硬的不同金屬材料的硬度，采用不同的壓頭和試驗力組成幾種不同的洛氏硬度的標尺。每一種標尺用一個（或兩個）字母在洛氏硬度符號HR后面加以注明。我國常用的標尺A、B、C硬度符號分別用HRA、HRB、HRC表示。碳化鎢合金球壓頭適用于退火鋼件、有色金屬等較軟材料的硬度測定；金剛石圓錐壓頭適用于淬火鋼等較硬材料的硬度測定。表示方法：硬度值+HRA（HRBW、HRC），如60HRC、85HRA等，60HRC：用C標尺測定的洛氏硬度值為60；85HRA：用A標尺測定的洛氏硬度值為85。優(yōu)點：操作簡單、方便，測試的硬度范圍大，可測定從較軟到極硬的金屬材料，可從表盤上直接讀出硬度值，不必查表或計算，而且壓痕小，可測量較薄工件的硬度。缺點：由于壓痕較小，當材料內(nèi)部組織不均勻時，會使測量值不夠準確，故需要在材料的不同部位測試數(shù)次，取其平均值來代表材料的硬度。2.洛氏硬度機械制造基礎第2章金屬材料的力學性能122.1金屬材料的力學性能2.1.3硬度用一個相對面夾角為136°的金剛石正四棱錐體壓頭，在規(guī)定試驗力F作用下壓入試樣表面，保持規(guī)定時間后，卸除試驗力，測量試樣表面壓痕兩對角線的平均長度d，進而計算出壓痕的表面積S，以0.102×F/S的數(shù)值來表示被測試試樣的硬度值，稱為維氏硬度，用符號HV表示，硬度數(shù)值標在符號前，如640HV。數(shù)值越大，表示材料越硬。3.維氏硬度維氏硬度測試原理與維氏硬度儀機械制造基礎第2章金屬材料的力學性能132.1金屬材料的力學性能2.1.3硬度維氏硬度試驗法的優(yōu)點：試驗時所加試驗力小，壓入深度淺，故適用于測試零件表面淬硬層及化學熱處理的表面層（如滲碳層、滲氮層等）；維氏硬度是一個連續(xù)一致的標尺，試驗時試驗力可任意選擇，而不影響其硬度值的大小，因此可測定從極軟到極硬的各種金屬材料的硬度。將試驗力減小后，使壓痕對角線長度以μm級計量，從而可測定金屬箔、金屬粉末、極薄表層以及金屬中晶粒與合金相的顯微維氏硬度值。缺點：硬度值的測定較麻煩，工作效率不如測洛氏硬度高。3.維氏硬度機械制造基礎第2章金屬材料的力學性能142.1金屬材料的力學性能2.1.4沖擊韌性常用標準試樣的沖擊吸收能量K表示，沖擊吸收能量由沖擊試驗測得。試驗時，將試樣安放在沖擊試驗機的支座上，試樣的缺口背向擺錘的沖擊方向。將重力為G的擺錘抬到高度H，使其獲得一定的勢能GH。然后，讓擺錘由此高度落下，將試樣沖斷。試樣沖斷后，擺錘繼續(xù)向前升高到h高度，此時擺錘具有的勢能為Gh。計算出擺錘沖斷試樣時的沖擊吸收能量:

沖擊試驗原理1-試樣；2-刻度盤；3-指針；4-擺錘；5-機架指材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力K=GH-Gh=G（H-h）K為沖擊吸收能量（J）；G為擺錘的重力（N）；H為沖擊前擺錘的初始高度（m）；h為沖斷試樣后擺錘回升的高度（m）。機械制造基礎第2章金屬材料的力學性能152.1金屬材料的力學性能2.1.4沖擊韌性將沖擊吸收能量除以試樣缺口處的橫截面面積所得之商，稱為沖擊韌度，是材料沖擊韌性的一種力學性能指標。沖擊吸收能量主要消耗于裂紋出現(xiàn)至斷裂的過程。沖擊韌度值αK的大小，反映出金屬材料韌性的好壞。αK越大，表示材料的韌性越好，抵抗沖擊載荷而不被破壞的能力越大，即受沖擊時不易斷裂的能力越大。在實際生產(chǎn)制造中，對于長期在沖擊載荷力下工作的零件，需要進行沖擊韌度試驗，如壓力機的曲柄、空氣錘的錘桿、發(fā)動機的轉(zhuǎn)子等。

αK為沖擊韌度值（J/cm2）；S0為試樣缺口處的橫截面面積（cm2）。機械制造基礎第2章金屬材料的力學性能162.1金屬材料的力學性能2.1.5疲勞強度軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等零件，在工作過程中各點的應力隨時間做周期性變化，這種隨時間做周期性變化的應力稱為交變應力（也稱循環(huán)應力）。生產(chǎn)中，零件在循環(huán)應力作用下，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)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程稱為疲勞斷裂。材料在承受無數(shù)次應力循環(huán)而不斷裂或達到規(guī)定的循環(huán)次數(shù)才斷裂的最大應力，稱為材料的疲勞強度。材料的疲勞曲線通常用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗方法測定。由于疲勞斷裂時循環(huán)周次N很大，所以疲勞曲線的橫坐標一般取對數(shù)坐標。大量試驗證明，金屬材料所受的最大交變應力σmax越大，則斷裂前所經(jīng)受的循環(huán)周次N（定義為疲勞壽命）越少。這種交變應力σmax與疲勞壽命N的關系曲線稱為疲勞曲線，或S-N曲線。機械制造基礎第2章金屬材料的力學性能172.1金屬材料的力學性能2.1.5疲勞強度曲線1為一般鋼鐵材料的S-N曲線，當交變應力小于某一數(shù)值時，循環(huán)周次可以達到很大，甚至無限大，而試樣仍不發(fā)生疲勞斷裂，這就是試樣不發(fā)生斷裂的最大交變應力，該應力值稱為疲勞極限或疲勞強度。光滑試樣的對稱循環(huán)旋轉(zhuǎn)彎曲的疲勞極限用σ-1表示。一般鋼鐵材料取循環(huán)周次為107次時，能承受的最大交變應力為疲勞極限或疲勞強度。曲線2為一般有色金屬、高強度鋼及腐蝕介質(zhì)作用下的鋼鐵材料的S-N曲線，循環(huán)周次隨所受應力σ的降低而增加，因此，要根據(jù)零件的工作條件和使用壽命，規(guī)定一個疲勞極限循環(huán)周次N0，并以循環(huán)周次N0所對應的應力作為“條件疲勞極限”（或稱有限壽命疲勞極限）。一般規(guī)定：有色金屬N0取108次；腐蝕介質(zhì)作用下的N0取106次。

疲勞曲線與電液伺服疲勞試驗機1-一般鋼材；2-有色金屬、高強度鋼機械制造基礎第2章金屬材料的力學性能182.2金屬材料的物理性能、化學性能和工藝性能指金屬材料在固態(tài)時所表現(xiàn)出來的一系列物理現(xiàn)象的性能，主要包括密度、熔點、熱膨脹性、導熱性、導電性和磁性等。（1）密度。是單位體積質(zhì)量（單位：g/cm3或kg/m3）。材料的密度直接影響到制成品的重量，低密度材料對輕量化零件（如航天航空、運輸機械等）有重要應用意義。（2）熔點。金屬從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時的溫度稱為熔點。純金屬都有固定的熔點，熔點高的金屬稱為難熔金屬，如鎢、釩等，熔點低的金屬稱為易熔金屬，如錫、鉛等。合金的熔點決定于它的成分，例如鋼和生鐵雖然都是鐵和碳的合金，但含碳量不同，熔點也不同。陶瓷的熔點一般都顯著高于金屬及合金的熔點，而高分子材料一般不是晶體，所以沒有固定的熔點。1.金屬材料的物理性能機械制造基礎第2章金屬材料的力學性能192.2金屬材料的物理性能、化學性能和工藝性能（3）熱膨脹性。金屬材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性稱為熱膨脹性。熱膨脹的大小用線脹系數(shù)和體脹系數(shù)表示。例如精密儀器及形狀尺寸精度要求較高的零件應選用膨脹系數(shù)小的材料制造；異種金屬焊接時要考慮它們的熱脹系數(shù)是否接近，否則會因熱脹系數(shù)不同，使金屬構件變形，甚至損壞。（4）導熱性。金屬材料傳導熱量的能力稱為導熱性。導熱性的大小用熱導率來衡量，金屬材料的熱導率越大，說明導熱性越好。（5）導電性。金屬材料傳導電流的能力稱為導電性。衡量金屬材料導電性的指標是電阻率，電阻率越小，金屬導電性越好。1.金屬材料的物理性能機械制造基礎第2章金屬材料的力學性能202.2金屬材料的物理性能、化學性能和工藝性能（6）磁性。金屬材料在磁場中受到磁化的性能稱為磁性。根據(jù)金屬材料在磁場中受到磁化程度的不同，可分為三類：

1）鐵磁性材料。在外磁場中能強烈地被磁化的材料，如鐵、鈷、鎳等，可用于制造變壓器、電動機、測量儀表等。鐵磁性材料在溫度升高到一定數(shù)值時，其磁疇被破壞，變?yōu)轫槾朋w，這個轉(zhuǎn)變溫度稱為居里點，如鐵的居里點是770oC。2）順磁性材料。在外磁場中只能微弱地被磁化的材料，如錳、鉻、鉑等。

3）抗磁性材料。能抗拒或削弱外磁場對材料本身的磁化作用的材料，如銅、鋅、鉍、銀等，用于制造要求避免電磁場干擾的零件和結構，如航海羅盤等。1.金屬材料的物理性能機械制造基礎第2章金屬材料的力學性能212.2金屬材料的物理性能、化學性能和工藝性能金屬材料的化學性能是指金屬材料在室溫或高溫下抵抗外界介質(zhì)對其化學侵蝕的能力。金屬材料要具有一定的化學穩(wěn)定性能，即耐蝕性和抗氧化性。（1）耐蝕性。金屬材料在常溫下抵抗周圍介質(zhì)侵蝕的能力稱為耐蝕性，包括化學腐蝕和電化學腐蝕兩種類型?；瘜W腐蝕一般是在干燥氣體及非電解液中進行的，腐蝕時沒有電流產(chǎn)生；電化學腐蝕是在電解液中進行，腐蝕時有微電流產(chǎn)生。（2）抗氧化性。金屬材料在高溫時抵抗氧化作用的能力稱為抗氧化性，又稱為熱穩(wěn)定性。在高溫條件下工作的設備，如鍋爐、汽輪機、噴氣發(fā)動機等零部件應選擇熱穩(wěn)定性好的材料來制造。除少數(shù)貴金屬外，絕大多數(shù)金屬在高溫氣體中都會發(fā)生氧化，其中鋼鐵材料的氧化最典型?？赏ㄟ^合金化在材料表面形成保護膜，或在工件周圍造成一種保護氣氛均能避免氧化。2.金屬材料的化學性能機械制造基礎第2章金屬材料的力學性能222.2金屬材料的物理性能、化學性能和工藝性能指制造工藝過程中材料適應加工的性能，即指其鑄造性能、鍛造性能、壓力加工性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理工藝性能等。（1）鑄造性能。金屬材料鑄造成形獲得優(yōu)良鑄件的能力稱為鑄造性能，用流動性、收縮性和偏析來衡量。1）流動性。熔融金屬的流動能力稱為流動性。流動性好的金屬容易充滿鑄型，從而獲得外形完整和尺寸精確、輪廓清晰的鑄件。2）收縮性。鑄件在凝固和冷卻的過程中，其體積和尺寸減少的現(xiàn)象稱為收縮性。鑄件用金屬材料的收縮率越小越好。3）偏析。鑄錠或鑄件化學成分和組織的不均勻現(xiàn)象稱為偏析，偏析大會使鑄件各部分的力學性能有很大的差異，降低鑄件的質(zhì)量。3.金屬材料的工藝性能機械制造基礎