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1、金属材料力学性能培训本讲稿第一页，共二十五页一、力学性能的定义力学性能是指材料在外加载荷与环境因素联合作用下表现的行为，也就是材料抵抗外加载荷引起变形和断裂的能力。拉伸实验是应用最广泛的力学性能实验方法。拉伸实验测定的力学性能指标称为拉伸性能，是材料的基本力学性能，是各种材料结构强度设计的主要依据，是评定、选定材料的主要依据。对于某些脆性材料，一般采用弯曲或压缩实验测定材料力学性能。本讲稿第二页，共二十五页二、拉伸试验中的基本概念应力：应力：应力是在它所作用面积上的力，用N/mm2表示。在米制单位中，用千帕（kPa）或兆帕（MPa）表示。1)圆形截面圆形截面2)矩形截面矩形截面l0ab本讲稿第
2、三页，共二十五页本讲稿第四页，共二十五页拉应力是能够使材料伸长的应力。压应力是能使材料缩短的应力。剪切应力是能使材料沿应力平行方向产生位移的应力。扭转应力是能使材料的两个底面沿相反方向产生扭动的应力。四种形式的应力本讲稿第五页，共二十五页应变是被测试材料尺寸的变化率，它是加载后应力引起的尺寸变化。由于应变是一个变化率，所以它没有单位。应变的计算本讲稿第六页，共二十五页有关拉伸试样的基本术语原始标距原始标距(L(Lo o)：施力前的试样标距。断后标距断后标距(L(Lu u)：试样断裂后的标距。平行长度平行长度(L(Lc c)：试样两头部或两夹持部分(不带头试样)之间平行部分的长度。断后伸长率断后
3、伸长率(A)(A)：是断后标距的残余伸长(Lu-Lo)与原始标距(Lo)之比的百分率。断面收缩率断面收缩率(Z)(Z)：断裂后试样横截面积的最大缩减量(So-Su)与原始横截面积(So)之比的百分率。本讲稿第七页，共二十五页低碳钢的拉伸应力低碳钢的拉伸应力-应变曲线应变曲线O 应力应力应变应变弹性阶段弹性阶段下屈服强度下屈服强度 ReL屈服阶段屈服阶段强化阶段强化阶段颈缩阶段颈缩阶段断裂断裂抗拉强度(Rm)：tensile strength 相应最大力(Fm)的应力。S0：试样原始横截面积屈服强度：yield strength当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力
4、点，应区分上屈服强度和下屈服强度。上屈服强度(ReH)：upper yield strength试样发生屈服而力首次下降前的最高应力。下屈服强度(ReL)：lower yield strength在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力。根据低碳钢应力-应变曲线不同阶段的变形特征，整个拉伸过程依次分为：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段。本讲稿第八页，共二十五页弹性阶段：当外力解除后变形能够全部消除、恢复原状，为弹性变形弹性变形。屈服阶段：开始产生塑性变形塑性变形，即当外力解除后，变形不能完全恢复，而残留下一部分变形。强化阶段：经过屈服阶段后，材料又恢复了抵抗变形的能力，要使它继续变形必须
5、增加拉力。颈缩阶段：在试件某一薄弱的横截面处发生急剧的局部收缩，横截面面积迅速减小，塑性变形迅速增加。a)试样 b)拉伸 c)颈缩 d)断裂颈缩本讲稿第九页，共二十五页 上屈服点的数值与试样形状、加载速度等因素有关，一般是不稳定的；下屈服点则有比较稳定的数值，能够反映材料的性能。通常就把下屈服点称为屈服点，而下屈服点对应的应力值称为屈服强度。本讲稿第十页，共二十五页规定非比例延伸强度(Rp)非比例延伸率等于规定的引伸计标距百分率时的应力。使用的符号应附以下脚注说明所规定的百分率，例如RP0.2，表示规定非比例延伸率为0.2%时的应力。其他金属材料的拉伸实验和低碳钢拉伸实验方法相同，但材料所显示
6、出来的力学性能有很大差异。下图给出了锰钢、硬铝、退火球墨铸铁和45 钢的应力-应变图。这些材料都是塑性材料，但前三种材料没有明显的屈服阶段。对于没有明显屈服阶段的塑性材料，通常规定以产生0.2%塑性应变时所对应的应力值作为材料的名义屈服极限，以RP0.2表示。本讲稿第十一页，共二十五页抗拉强度抗拉强度Rm抗拉强度抗拉强度(Rm)-试样拉伸过程中最大试验力所试样拉伸过程中最大试验力所对应的应力。对应的应力。本讲稿第十二页，共二十五页断后伸长率-试样拉断后，标距部分的残余伸试样拉断后，标距部分的残余伸长与原始标距的百分比。长与原始标距的百分比。断后伸长率A的测定：将拉断后的试样的断裂部：将拉断后的
7、试样的断裂部分在断裂处紧密对接在一起，测出试样断裂后标分在断裂处紧密对接在一起，测出试样断裂后标距间的长度距间的长度LL。本讲稿第十三页，共二十五页本讲稿第十四页，共二十五页断面收缩率 Z-试样拉断后，颈缩处横截面的最大试样拉断后，颈缩处横截面的最大缩减量与原始横截面积的百分比。缩减量与原始横截面积的百分比。断面收缩率Z的测定：测出断裂后试样颈缩处最小测出断裂后试样颈缩处最小横截面积横截面积 Su。颈缩本讲稿第十五页，共二十五页本讲稿第十六页，共二十五页铸铁的拉伸实验方法与低碳钢的拉伸实验相同，但是铸铁在拉伸时的力学性能明显不同于低碳钢，其应力应变曲线如图25所示。铸铁从开始受力直至断裂，变形
8、始终很小，既不存在屈服阶段，也无颈缩现象。断口垂直于试样轴线，这说明引起试样破坏的原因是最大拉应力。本讲稿第十七页，共二十五页第二节：硬度硬度硬度(hardness):是指材料抵抗其他硬物体压入其是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力表面的能力常用测量硬度的方法常用测量硬度的方法布氏硬度布氏硬度HB 洛氏硬度洛氏硬度HR 维氏硬度维氏硬度HV本讲稿第十八页，共二十五页布氏硬度布氏硬度 HB(Brinell-hardness)布氏硬度计布氏硬度计 本讲稿第十九页，共二十五页适用范围适用范围:v 450HBS;v 650HBW;本讲稿第二十页，共二十五页 符号符号HBS或或HBW之前的数字表示硬度
9、值，之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如载荷及载荷保持时间。如:120HBS10/1000/30表示直径为表示直径为10mm的钢球在的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持载荷作用下保持30s测得的测得的布氏硬度值为布氏硬度值为120。本讲稿第二十一页，共二十五页洛氏硬度洛氏硬度 HR(Rockwll hardness)h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度计本讲稿第二十二页，共二十五页维氏硬度维氏硬度 HV (diamond penetrator hardness)适用范围适用范围:测量薄板类测量薄板类;HVHBS;本讲稿第二十三页，共二十五页冲击韧性冲击韧性(notch toughness):材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。本讲稿第二十四页，共二十五页本讲稿第二十五页，共二十五页