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1、第一章第一章 工程材料的力学性能工程材料的力学性能是指材料在外力作用时表现出来的性能。是指材料在外力作用时表现出来的性能。力学性能力学性能外力形式：拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等。外力形式：拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等。载荷形式：静载荷、冲击载荷、交变载荷等。载荷的衡量：F/S1.1 静载荷条件下材料的力学性能静载荷条件下材料的力学性能1.1.1强度单位单位:MPa(N/mm2)分：抗拉强度b、抗压bc、抗弯bb、抗剪b、抗扭t。材料抵抗塑性变形或断裂的能力。(1)拉伸试验拉伸试验介绍拉伸实验：介绍拉伸实验：ob弹性变形阶段弹性变形阶段bcd屈服阶段屈服阶段dB强化阶段强化阶段Bk缩颈阶段缩
2、颈阶段k试样断裂试样断裂(3)根据拉伸实验确定一些强度指标根据拉伸实验确定一些强度指标1屈服极限屈服极限s（屈服强度或屈服点）（屈服强度或屈服点）材料开始发生明显塑性变形的抗力。材料开始发生明显塑性变形的抗力。s=Fs/So 条件屈服强度条件屈服强度0.2 产生产生0.2%残余塑性变形的抗力的极限应力值。残余塑性变形的抗力的极限应力值。2 抗拉强度抗拉强度b（强度极限）（强度极限）是试样被拉断前的最大承载能力，是试样被拉断前的最大承载能力，b=Fb/S0（MPa）材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值 低碳钢和铸铁的拉伸曲线1.1.2 塑性塑性断裂前材料产生永久变
3、形的能力（1）伸长率:=(L1-L0)/L0100%(2)断面收缩率:=(S0-S1)/S0100%1.1.3 硬度硬度:材料抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。1.布氏硬度（HB)（1）测试原理一定直径的球体(钢球或硬质合金球)在一定载荷作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，测量其压痕直径,计算硬度值。布氏硬度值用球面压痕单位表面积上所承受的平均压力来表示。用符号HBS(当用钢球压头时)或HBW(当用硬质合金球时)来表示.。布氏硬度试验原理图布氏硬度计（2）标注方法：硬度值/球体直径/试验力/试验力保持时间(10-15不标注）例：例：120HBS/10/
4、3000/30530HBW/5/750（3）试验规范材材料料布氏硬度布氏硬度试样厚度试样厚度/mm/mm 实验力实验力F F与钢球直径与钢球直径D D的相互关的相互关系系钢球直径钢球直径D/mmD/mm实验力实验力F/NF/N 实验力保持时实验力保持时间间/s/s黑黑色色金金属属1401404504506 6 3 34 4 2 22 2F=9.830DF=9.830D2 210105 52.52.529 42029 420 7 355 7 355 1 838 1 83810101401406 66 6 3 33 3F=9.810DF=9.810D2 210105 52.52.5 9 8079
5、807 2 452 2 452 613 6131010有有色色金金属属1301306 6 3 34 4 2 22 2F=9.830DF=9.830D2 210105 52.52.529 42029 420 7 355 7 355 1 838 1 838303036 36 1301309 93 36 63 33 3F=9.810DF=9.810D2 210105 52.52.5 9 8079 807 2 452 2 452 613 61330308 8 35356 66 6 3 33 3F=9.82.5DF=9.82.5D2 210105 52.52.5 2 4522 452 613 613 1
6、53 1536060(4)优缺点及使用范围：优点：精确度高和其它力学性能联系紧密缺点:操作时间长、只能用于测硬度不高的材料使用范围：布氏硬度测定主要适用于各种未经淬火的钢、退火、正火状态的钢；结构钢调质件；铸铁、有色金属、质地轻软的轴承合金等原材料。（1）基本原理洛氏硬度属压入法 洛氏硬度测定时需要先后施加二次载荷（予载荷P1和主载荷P2）预加载 荷的目的是使压头与试样表面接触良好以保证测量结果准确。洛氏硬度就是以主载荷引起的残余压入深度（）来表示 2、洛氏硬度、洛氏硬度洛氏硬度值公式如下：采用金钢石圆锥时k=0.2（用于HRA，HRC）用钢球时k=0.26（用于HRB）。为了与习惯上数值越大
7、硬度越高的概念相一致采用一常数（k）减去（h3-h1）的差值表示硬度值。为了简便起见又规定每0.002mm压入深度作为一个硬度单位（即刻度盘上一小格。）洛氏硬度计洛氏硬度计(2)使用范围硬度符号压头总载荷（kgf）表盘上刻度颜色常用硬度值范围使用范围HRA120度金钢石圆锥60黑色7085碳化物、硬质合金表面淬火等HRB1.588mm钢球100红色25100有色金属、退火及正火钢等HRC120度金钢石圆锥150黑色2067调质钢、淬火钢等设备简单，操作迅速方便。洛氏硬度虽可用来测定各种金属材料的硬度，但测一点无代表性，不准确，需多点测量，然后取平均值。洛氏硬度测定仅产生很小压痕，并不损坏零件，
8、因而适合于成品检验（3）优缺点）优缺点3.3.维氏硬度（维氏硬度（HV）为了从软到硬的各种金属材料有一个连续一致的硬度标度，因而制定了维氏硬度试验法。维氏硬度试验法是压入试验法中较精确的一种，它与布氏硬度试验法相同，是用一种顶角为136的金钢石角锥压头，在载荷p（kgf）作用下，试样表面压出一个四方锥形压痕，测量压痕对角线长度d（mm）供以计算压痕面积F（mm2）以P/F的数值表示试样的硬度值。维氏硬度值表示方法为维氏硬度值表示方法为HV硬度数值，有时为反映试验条件，在硬硬度数值，有时为反映试验条件，在硬度数值前用下标加上负荷，例如度数值前用下标加上负荷，例如HV20232，20为加载负荷。为
9、加载负荷。维氏硬度试验主要用来测定金属镀层、薄片金属以及化学热处理维氏硬度试验主要用来测定金属镀层、薄片金属以及化学热处理（如氮化、渗碳等）后的表面硬度。（如氮化、渗碳等）后的表面硬度。维氏硬度的压力一般可选维氏硬度的压力一般可选5，10，20，30，50，100，120kg等，等，小于小于10kg的压力可以测定显微组织硬度。的压力可以测定显微组织硬度。缺点：需测量压痕对角线长度，操作繁琐。压痕小，对试样表面质缺点：需测量压痕对角线长度，操作繁琐。压痕小，对试样表面质量要求较高。量要求较高。1.2 动载荷条件下材料的力学性能动载荷条件下材料的力学性能1.2.2冲击韧度（冲击韧度（ak）许多机械
10、零件和工具在工作中,往往要受到冲击载荷的作用,如活塞销、锤杆、冲模和锻模等，材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧性，常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。测得试样冲击吸收功,用符号Ak表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截面积S0,即得到材料的冲击韧度 ak。（1）冲击试样单位为焦耳单位为焦耳/厘米厘米（J/cm）ak=mg(h1-h2)/S0（2）原理及方法：能量守恒1.2.2 疲劳强度疲劳强度（1）概念）概念轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力(也称循环应力)。在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但
11、经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为金属的疲劳。材料承受的交变应力()与材料断裂前承受交变应力的循环次数(N)之间的关系可用疲劳曲线来表示。金属承受的交变应力越大,则断裂时应力循环次数N越少。当应力低于一定值时,试样可以经受无限周期循环而不破坏,此应力值称为材料的疲劳极限(亦叫疲劳强度)，用-1表示。（2）疲劳断裂的特征）疲劳断裂的特征1、突然性2、低应力引起3、断口分区明显1.3 断裂韧性断裂韧性桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应力脆断，这种断裂的名义断裂应力低于材料的屈服强度。尽管在设计时保证了足够的延伸率、韧性和屈服强度，但仍不免破坏。究其原因是构件或零件内部存在着或大或小、或多或少的裂纹和类似裂纹的缺陷造成的。裂纹在应力作用下可失稳而扩展，导致机件破断。材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力叫断裂韧性。