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1、第一章 金属的力学性能第1页，本讲稿共35页材料的性能材料的性能使用性能使用性能工艺性能工艺性能 物理性能物理性能 化学性能化学性能 力学性能力学性能 热处理性能热处理性能铸造性能铸造性能焊接性能焊接性能锻造性能锻造性能切削加工性能切削加工性能(指金属材料在使指金属材料在使用过程中表现出用过程中表现出的性能的性能)(指金属材料在指金属材料在加工过程中表现加工过程中表现出的性能出的性能)第2页，本讲稿共35页金属材料的力学性能金属材料的力学性能 -是指金属材料在受外力作用时所是指金属材料在受外力作用时所反映出来的性能。反映出来的性能。思考思考如果把铁丝和钢如果把铁丝和钢丝折弯有何区别丝折弯有何区
2、别?常用的力学性能主要有常用的力学性能主要有：强度、硬度、塑性、冲击韧度：强度、硬度、塑性、冲击韧度和疲劳强度等。和疲劳强度等。研究力学性能意义研究力学性能意义：是选择：是选择和使用金属材料的重要依据和使用金属材料的重要依据第3页，本讲稿共35页第一节第一节 刚度、强度、塑性刚度、强度、塑性一、拉伸试验及拉伸曲线一、拉伸试验及拉伸曲线一、拉伸试验及拉伸曲线一、拉伸试验及拉伸曲线第4页，本讲稿共35页第5页，本讲稿共35页OEOE段：段：弹性变形弹性变形 阶段；阶段；平台或锯齿（平台或锯齿（E ES S段段）：）：屈服屈服阶段；阶段；SBSB段：段：均匀塑性变形均匀塑性变形阶段，是强阶段，是强化
3、阶段。化阶段。B B点点：形成了：形成了“缩颈缩颈”。BKBK段：段：非均匀变形非均匀变形阶段，承载下阶段，承载下降，到降，到K K点断裂。点断裂。弹性变形弹性变形弹性变形弹性变形去除外力后试样恢复原状的变形去除外力后试样恢复原状的变形去除外力后试样恢复原状的变形去除外力后试样恢复原状的变形 塑性变形塑性变形塑性变形塑性变形在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形 1、变形过程、变形过程第6页，本讲稿共35页2、应力与应变曲线、应力与应变曲线应力应力：单位面积上试样承受的载荷
4、。单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的载荷除以试样的这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积原始横截面积S 0表示表示:F =(M pa)S 0应变应变：单位长度的伸长量。这里用单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原始标试样的伸长量除以试样的原始标距表示距表示:l =l 0应力应变曲线应力应变曲线（-曲线）曲线）形状和拉伸曲线基本相同，单位形状和拉伸曲线基本相同，单位不同不同思考思考怎样比较不同材料抵怎样比较不同材料抵抗外力能力的大小？抗外力能力的大小？第7页，本讲稿共35页2、应力与应变曲线、应力与应变曲线比例极限（比例极限（p）例例:弹簧秤弹簧秤弹性极限（弹性极限（e）如
5、如:弹簧弹簧屈服极限（屈服极限（s）抗拉极限抗拉极限(b)第8页，本讲稿共35页二、刚度二、刚度 是表征金属材料抵抗弹性变形的能力是表征金属材料抵抗弹性变形的能力E 式中的式中的E为与材料有关的常数，称为弹性模量，工程上常为与材料有关的常数，称为弹性模量，工程上常用用E作为衡量材料刚度的指标。作为衡量材料刚度的指标。弹性模量主要取决于金属材料的种类，即金属的本性（晶格弹性模量主要取决于金属材料的种类，即金属的本性（晶格类型、晶格常数等）。一般机械零件大都在弹性状态下工作，类型、晶格常数等）。一般机械零件大都在弹性状态下工作，对刚度有一定要求，如机床主轴、起重机臂等，在使用时不对刚度有一定要求，
6、如机床主轴、起重机臂等，在使用时不允许产生过量的弹性变形。允许产生过量的弹性变形。第9页，本讲稿共35页三、强度三、强度 金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力的能力 工程上工程上工程上工程上常用常用常用常用的金属材料的的金属材料的的金属材料的的金属材料的强度强度强度强度指标指标指标指标：屈服点（屈服点（屈服点（屈服点（ss ）或规定残余）或规定残余）或规定残余）或规定残余伸长应力（伸长应力（伸长应力（伸长应力（rr）抗拉强度抗拉强度抗拉强度抗拉强度(bb)第10页，本讲稿共35页屈服点屈服点（s）:指材料产生屈服时的应力指材料产生屈服时的应力规定残
7、余伸长率为规定残余伸长率为0.2%时的应力时的应力材料屈服时的拉力（材料屈服时的拉力（N）屈服点屈服点屈服点屈服点（屈服极限）（屈服极限）（屈服极限）（屈服极限）原标准（原标准（GB228-76）：）：屈服强度屈服强度很重要，大多数很重要，大多数零件不允许有塑零件不允许有塑性变形性变形规定残余伸长应力规定残余伸长应力:对有明显屈服现对有明显屈服现象的材料象的材料对无明显屈服现对无明显屈服现象的材料象的材料第11页，本讲稿共35页抗拉强度抗拉强度(b):材料在拉伸条件下所能承受最大拉材料在拉伸条件下所能承受最大拉力的应力值力的应力值拉伸过程中最大的拉力（拉伸过程中最大的拉力（N）若零件在使用时不
8、允许产生过量塑性变形，应以材料的若零件在使用时不允许产生过量塑性变形，应以材料的若零件在使用时不允许产生过量塑性变形，应以材料的若零件在使用时不允许产生过量塑性变形，应以材料的ss或或或或 r0.2r0.2进行设计计算。进行设计计算。进行设计计算。进行设计计算。若零件在使用时只要求不发生破坏，则以材料的若零件在使用时只要求不发生破坏，则以材料的若零件在使用时只要求不发生破坏，则以材料的若零件在使用时只要求不发生破坏，则以材料的 b b来设计计来设计计来设计计来设计计算。算。算。算。因此因此因此因此ss和和和和 b b是机械零件设计计算的主要依据。是机械零件设计计算的主要依据。是机械零件设计计算
9、的主要依据。是机械零件设计计算的主要依据。很重要，表示零很重要，表示零很重要，表示零很重要，表示零件破坏前能抗的件破坏前能抗的件破坏前能抗的件破坏前能抗的最大应力值最大应力值最大应力值最大应力值第12页，本讲稿共35页四、塑性四、塑性 在外力作用下金属材料在断裂前产生不可逆永在外力作用下金属材料在断裂前产生不可逆永久变形的能力久变形的能力 常用的塑性判据常用的塑性判据：拉伸时的拉伸时的断后伸长率断后伸长率和和断面收缩率断面收缩率第13页，本讲稿共35页由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率由于同一材料
10、用不同长度的试样测得的断后伸长率 数值不数值不数值不数值不同，因此应注明试样尺寸比例。如同，因此应注明试样尺寸比例。如同，因此应注明试样尺寸比例。如同，因此应注明试样尺寸比例。如:1010试样试样试样试样 L L0 0=10d=10d0 0 5 5 试样试样试样试样 L L0 0=5d=5d0 0试样拉断后的标距（试样拉断后的标距（mm）试样原始标距（试样原始标距（mm）第14页，本讲稿共35页2、断面收缩率、断面收缩率试样断裂后缩颈处的最小横截面积（试样断裂后缩颈处的最小横截面积（mm2）试样原始截面积（试样原始截面积（mm2）和和和和 是用来判断材料在断裂前所能产生的最大塑性变形量大是用来
11、判断材料在断裂前所能产生的最大塑性变形量大是用来判断材料在断裂前所能产生的最大塑性变形量大是用来判断材料在断裂前所能产生的最大塑性变形量大小。小。小。小。一般认为一般认为一般认为一般认为 5 5的材料为塑性材料，如低碳钢；的材料为塑性材料，如低碳钢；的材料为塑性材料，如低碳钢；的材料为塑性材料，如低碳钢；5 5的为的为的为的为脆性材料，如灰铸铁脆性材料，如灰铸铁脆性材料，如灰铸铁脆性材料，如灰铸铁.第15页，本讲稿共35页塑性对材料的意义塑性对材料的意义:1.是金属材料进行压力加工的必要条件是金属材料进行压力加工的必要条件;2.提高安全性提高安全性:因为零件在工作时万一超因为零件在工作时万一超
12、载，也会由于塑性变形使材料强化而避载，也会由于塑性变形使材料强化而避免突然断裂免突然断裂 第16页，本讲稿共35页第二节 冲击韧性在设计和制造受冲击载荷的零件和工具（如锻锤、冲床、铆钉枪等）在设计和制造受冲击载荷的零件和工具（如锻锤、冲床、铆钉枪等）时，必须考虑所用材料的冲击吸收功或冲击韧度。时，必须考虑所用材料的冲击吸收功或冲击韧度。一、摆锤式一次冲击试验一、摆锤式一次冲击试验第17页，本讲稿共35页把试样放在试验机的支承面上，试样的缺口背向摆锤冲击方向。将质量为把试样放在试验机的支承面上，试样的缺口背向摆锤冲击方向。将质量为m的的摆锤安放到规定的高度摆锤安放到规定的高度H，然后下落，将试样
13、打断，并摆过支点升到某一高度然后下落，将试样打断，并摆过支点升到某一高度h，试样试样在冲击试验力一次作用下，折断时所吸收的功为冲击吸收功为在冲击试验力一次作用下，折断时所吸收的功为冲击吸收功为Ak。第18页，本讲稿共35页1、试样冲断时所消耗的、试样冲断时所消耗的冲击功冲击功A k为为:A k=m g H m g h(J)2、冲击韧度冲击韧度a k AK a k=(J/cm)Sk二、冲击吸收功和冲击韧度二、冲击吸收功和冲击韧度就是试样缺口处单位截面积上所就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。消耗的冲击功。冲击吸收功冲击吸收功 Ak 作为材料韧性判据，与温度、试样形状、尺寸、作为材料韧性判据
14、，与温度、试样形状、尺寸、表面粗糙度、内部组织和缺陷有关。表面粗糙度、内部组织和缺陷有关。第19页，本讲稿共35页1.冲击韧度对材料内部缺陷反映很敏感冲击韧度对材料内部缺陷反映很敏感能够灵敏地显示材料的宏观缺陷和组织微小变化，因能够灵敏地显示材料的宏观缺陷和组织微小变化，因此在生产中可用来检验材料的冶金质量此在生产中可用来检验材料的冶金质量,热加工质量热加工质量冲击韧度对材料的意义:2.冲击韧度随温度下降越冲击韧度随温度下降越来越低来越低冷脆现象冷脆现象在韧脆转变温度以下，材料由韧在韧脆转变温度以下，材料由韧性状态转变为脆性状态。材料的性状态转变为脆性状态。材料的韧脆转变温度越低，说明低温冲韧
15、脆转变温度越低，说明低温冲击性能越好击性能越好 第20页，本讲稿共35页第四节 疲劳强度材料的疲劳：材料的疲劳：材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产 生局部永久性生局部永久性累计损伤累计损伤，经一定循环次数后产生，经一定循环次数后产生 裂纹或突然发生完全断裂的过程。裂纹或突然发生完全断裂的过程。在多次交变应力作用，金属会在远小于抗拉强度在多次交变应力作用，金属会在远小于抗拉强度b，甚至小甚至小于屈服点于屈服点s的应力下失效（出现裂纹或完全断裂）的应力下失效（出现裂纹或完全断裂）疲劳破坏的原因：疲劳破坏的原因：应力集中应力集中微裂纹微裂纹扩展扩展断
16、裂破坏。断裂破坏。疲劳强度（疲劳强度（-1）：金属材料经无穷多次（钢材金属材料经无穷多次（钢材107）应力循环）应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力值。而不发生疲劳破坏的最大应力值。第21页，本讲稿共35页第四节第四节 硬硬 度度硬度：硬度：硬度试验方法硬度试验方法:压入法压入法 它是材料性能的一个综合的物理量。它是材料性能的一个综合的物理量。(表示金属材料在一个小的体积范围内金属材料抵抗表示金属材料在一个小的体积范围内金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力）局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力）布氏硬度（布氏硬度（HB）洛氏硬度（洛氏硬度（HR）维氏硬度（维氏硬度（HV）
17、第22页，本讲稿共35页一、布氏硬度1、测定原理布氏硬度计布氏硬度计 第23页，本讲稿共35页2、计算公式HBS：淬火钢球作压头；适用于450HBSHBW：硬质合金作压头；适用于650HBW第24页，本讲稿共35页试验时，根据被测的材料不同，球直径、试验力及试验力试验时，根据被测的材料不同，球直径、试验力及试验力保持时间按表保持时间按表1-1选择选择材料材料种类种类布氏硬度范布氏硬度范围围HBSHBS（HBWHBW）试样厚试样厚度度/mmmm0.1020.102球的直球的直径径/mmmm试验力试验力F/KNF/KN（k k g f)g f)试验力试验力保持时保持时间间/s s钢、钢、铸铁铸铁1
18、40-450140-4506 63 34 42 222303010.010.05.05.02.52.529.42(3000)29.42(3000)7.355(750)7.355(750)1.839(187.5)1.839(187.5)1212140666 63 3101010.010.05.05.09.807(1000)9.807(1000)2.452(250)2.452(250)1212非铁非铁金属金属1301306 63 34 42 22662.52.510.010.02.452(250)2.452(250)6060表表1-1 布氏硬度试验规范布氏硬度试验规范第25页，本讲稿共35页3、表
19、示方法XXX HBS(W)XX/XXX/XX硬度值压头直径（mm）试验力保持 时间（s）试验力（0.102N）500HBW5/750例：表示用直径表示用直径5mm硬质合金球在硬质合金球在7355N试验力试验力作用下保持作用下保持1015s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为500120HBS10/1000/30表示用直径表示用直径10mm钢球压头在钢球压头在9807N试验力试验力作用下保持作用下保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120习惯上布氏硬度值不标出试验规范，如习惯上布氏硬度值不标出试验规范，如 170HBS。第26页，本讲稿共35页4、适用范围、适用范围常用于测小于常用于测
20、小于450HBS450HBS的原材料或零件毛坯的硬度，的原材料或零件毛坯的硬度，不能测淬火钢件的硬度。不能测淬火钢件的硬度。优点：试验数据优点：试验数据准确准确、稳定稳定缺点：测试较麻烦缺点：测试较麻烦;压痕大，不适合成压痕大，不适合成品检验品检验第27页，本讲稿共35页二、洛氏硬度测定原理第28页，本讲稿共35页硬度硬度符号符号压头类压头类型型总实总实验验力力F/N 硬度硬度值值有效范有效范围围应应用范用范围围HRA金金刚刚石石圆锥圆锥体体58870 08585适用于适用于测测量硬量硬质质合金、表面淬硬合金、表面淬硬层层或渗碳或渗碳层层HRB直径直径为为1.588mm钢钢球球98025100
21、100适用于适用于测测量非量非铁铁金属金属,退火、退火、正正火火钢钢等等HRC金金刚刚石石圆锥圆锥体体1470206767适用于适用于调质钢调质钢、淬火、淬火钢钢等等试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表1-2选择，对应的洛氏硬度标尺为选择，对应的洛氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种三种表表1-2 常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围2、符号第29页，本讲稿共35页3、表示方法硬度值+HR例：52HRC 70HRA4、适用范围洛洛氏氏硬硬度度HRC可可以以用用于于硬硬度度很很高高的的材
22、材料料，在在钢钢件件热热处处理理质量检查中应用最多。质量检查中应用最多。优点：测量迅速简便，压痕小，可在成品零件上检测。缺点:准确性不够。第30页，本讲稿共35页三、维氏硬度1、测定原理用一定的试验力用一定的试验力F，将顶角为，将顶角为1360的金刚石四棱锥压入金属的金刚石四棱锥压入金属表面，保持一定时间后卸去试表面，保持一定时间后卸去试验力，然后测出压痕对角线长验力，然后测出压痕对角线长度度d1、d2（mm），并求出压），并求出压痕对角线的平均值痕对角线的平均值d。第31页，本讲稿共35页2、计算公式、计算公式3、表示方法、表示方法硬度值硬度值+HV+试验力试验力/保持时间保持时间如：如：6
23、40HV30/204、适用范围、适用范围适用于测量零件薄的表面硬化层的硬度。适用于测量零件薄的表面硬化层的硬度。第32页，本讲稿共35页一、判断题一、判断题1.1.有些没有明显屈服现象的金属材料其屈服点可用符号有些没有明显屈服现象的金属材料其屈服点可用符号r0.2r0.2表示表示2.2.一般来说硬度高的金属材料耐磨性也好。一般来说硬度高的金属材料耐磨性也好。3.3.压痕直径越大，材料硬度越高。压痕直径越大，材料硬度越高。4.4.甲零件的硬度为甲零件的硬度为250HBS250HBS，乙零件的硬度为，乙零件的硬度为52HRC52HRC，则甲比乙的，则甲比乙的硬度高。硬度高。5.5.材料在受力时抵抗
24、弹性变形的能力称为刚度。材料在受力时抵抗弹性变形的能力称为刚度。6.6.材料在多次交变载荷作用下的破坏现象称为疲劳。材料在多次交变载荷作用下的破坏现象称为疲劳。7.7.强度高的材料，韧性都低。强度高的材料，韧性都低。8.8.冲击吸收功是机械零件设计选材的主要依据。冲击吸收功是机械零件设计选材的主要依据。9.9.某些机械零件工作时承受应力远小于材料的屈服点，也能发某些机械零件工作时承受应力远小于材料的屈服点，也能发生突然性断裂。生突然性断裂。10.10.拉伸试验时，试样的伸长量与拉伸力总成正比。拉伸试验时，试样的伸长量与拉伸力总成正比。11.11.屈服点代表试样在试验过程中力不增加，而仍能继续伸
25、长屈服点代表试样在试验过程中力不增加，而仍能继续伸长（变形）时的应力。（变形）时的应力。12.12.金属材料的硬度越高，其抵抗局部弹性变形能力越强。金属材料的硬度越高，其抵抗局部弹性变形能力越强。第33页，本讲稿共35页二、选择题二、选择题1 1、拉伸试验可测定材料的（、拉伸试验可测定材料的（）。）。A.A.强度强度 B.B.硬度硬度 C.C.塑性塑性 D.D.韧性韧性2 2、材料在动载荷作用下表现的力学性能是（、材料在动载荷作用下表现的力学性能是（）。）。A.b B C.Ak D.A.b B C.Ak D.-1-13.3.在设计机械零件时多用（在设计机械零件时多用（）作为强度判据。）作为强度
26、判据。A.b B C.Ak D.s E.A.b B C.Ak D.s E.4.4.试样在拉伸过程中，力不增加仍能继续伸长时的应力称（试样在拉伸过程中，力不增加仍能继续伸长时的应力称（）A.A.屈服力屈服力 B.B.疲劳强度疲劳强度 C.C.屈服点屈服点5.5.测量钢车刀、锉刀的硬度，应选用（测量钢车刀、锉刀的硬度，应选用（）。）。A.HRA B.HRB C.HRCA.HRA B.HRB C.HRC6.6.测量有色金属及合金的硬度，应选用（测量有色金属及合金的硬度，应选用（）。）。A.HRA B.HRB C.HRC D.HBSA.HRA B.HRB C.HRC D.HBS第34页，本讲稿共35页
27、作业一熟悉拉伸曲线熟悉拉伸曲线掌握强度、塑性及硬度指标，了解这些指标在工程上的应用掌握强度、塑性及硬度指标，了解这些指标在工程上的应用课后习题：课后习题：（1 1）某工厂买回一批材料（要求：）某工厂买回一批材料（要求：s230MPas230MPa；b410MPab410MPa；5 523%23%；50%50%）做短试样做短试样（0 0=5=50 0；0 0=10=10mmmm）拉伸试验，结果如下：拉伸试验，结果如下：Fs=19KNFs=19KN，Fb=34.5KNFb=34.5KN；l l1 1=63.1mm=63.1mm；d d1 1=6.3mm;=6.3mm;问买回的材料合格吗？问买回的材料合格吗？（2 2）下列硬度要求或写法是否正确？为什么？）下列硬度要求或写法是否正确？为什么？12HRC12HRC15HRC15HRC，550HBS550HBS600HBS600HBS，70HRC70HRC75HRC75HRC，HBS30HBS30HBS40HBS40，HRC50kgf/mmHRC50kgf/mm2 2HRC60kgf/mmHRC60kgf/mm2 2第35页，本讲稿共35页