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1、1.金属材料常用的力学性能指标及意义1.掌握力学性能指标及意义2.了解拉伸实验过程及相关指标概念和意义。3.了解各种硬度实验测试方法和应用范围。4.了解冲击实验方法和所测指标的意义。2第1页/共39页 金属材料的性能是指用来表征材料在给定外界条件下的行为参量，包括使用性能和工艺性能。第1章 3第1章 金属材料的力学性能 使用性能：是指金属材料在使用条件下所表现出来 的性能。工艺性能：是指制造工艺过程中材料适应加工的性能 如：铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性 热处理工艺性 如：力学性能、物理性能、化学性能 第2页/共39页 第1章 41.1 金属材料力学性能的主要指标 由于多数机械零件是在常温
2、、常压、非强烈腐蚀性介质中工作，而且在使用过程中受到不同性质载荷（外力）的作用，所以设计零（构）件、选用材料、鉴定工艺质量时大多以力学性能为主要依据外力形式：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。第3页/共39页1.1.1强度、刚度与塑性 金属材料在外力作用时表现出来的性能。力学性能指标：强度、刚度、硬度、塑性、韧性等。1.1.1强度、刚度与塑性5第1章 静载单向静拉伸实验应力（）：单位横截面积的内力标准拉伸试样：长试样L0=10d0 短试样L0=5d0 1.1金属材料力学性能的主要指标第4页/共39页1.1.1强度、刚度与塑性 第1章 6静载单向静拉伸应力应
3、变曲线第5页/共39页1.1.1强度、刚度与塑性 7静载单向静拉伸应力应变曲线第1章 分析拉伸实验：oe弹性变形阶段csd屈服阶段db强化阶段bk缩颈阶段k试样断裂第6页/共39页 1.1.1强度、刚度与塑性 第1章 81、强度（1）弹性极限e 材料拉伸时保持弹性变形，不发生永久变形的最大应力。单位:MPa(MN/mm2)金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力。（2）屈服极限s（屈服强度或屈服点）s=Fs/So（MPa）金属材料开始发生明显塑性变形的抗力。e=Fe/So（MPa）条件屈服强度0.2 规定残余伸长率为0.2%时的应力值。(L=0.2%LO)用于无屈服点的中高碳钢，脆性材料：灰口铸铁。第
4、7页/共39页1.1.1强度、刚度与塑性 第1章 9（3）抗拉强度b（强度极限）是试样被拉断前的所能承受的最大应力 b=Fb/So（MPa）材料抵抗外力而不致断裂的最大应力值 屈强比s与b的比值。屈强比愈小，工程构件的可靠性愈高，屈强比太小，则材料强度的有效利用率太低。2、刚度表示材料抵抗弹性变形的能力。第8页/共39页弹性模量弹性模量EE=/弹性模量,应力应变的比值。单位 MPa1.1.1强度、刚度与塑性 第1章 10E愈大，刚度越大，弹性变形越不容易进行。3.塑性断后伸长率断面收缩率是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标。材料在断裂前发生塑性变形的能力第9页/共39页1.1.1强度、刚度与塑
5、性 第1章 11、越大，材料塑性越好1.1.2.硬度 材料抵抗局部变形、特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念，硬度试验简单易行，又无损于零件，而且可以近似的推算出材料的其它机械性能，因此在生产和科研中应用广泛断面收缩率不受试样尺寸的影响 硬度试验方法很多，机械工业普遍采用压入法来测定硬度，压入法又分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。第10页/共39页1.1.1强度、刚度与塑性 第1章 121、布氏硬度（1）布氏硬度测定的原理 是把一定直径的淬火钢球或硬质合金球，以规定的载荷F压入被测材料表面，保持一定时间后卸除载荷，测出压痕直径d，求出压痕面积，实验载荷
6、除以球面压痕表面积所得的商即为布氏硬度。选压头加载保荷卸载测压痕计算或查表得硬度值第11页/共39页1.1.1强度、刚度与塑性第1章 13布氏硬度测试原理示意图第12页/共39页材料材料种类种类布氏硬度使布氏硬度使用范围用范围(HBS)球直径球直径D/mm0.102F/D2试验载荷试验载荷F/N试验载荷试验载荷保持时间保持时间t/s注注钢钢铸铁铸铁1401052.530294207355183910压痕中心距压痕中心距试样边缘距试样边缘距离不应小于离不应小于压痕平均直压痕平均直径的径的2.5倍倍两相邻压痕两相邻压痕中心距离不中心距离不应小于压痕应小于压痕平均直径的平均直径的4倍倍试样厚度至试样
7、厚度至少应为压痕少应为压痕深度的深度的10倍。倍。试验后，试试验后，试样支撑面应样支撑面应无可见变形无可见变形痕迹痕迹1401052.510980724526131015非非铁铁金金属属材材料料1301052.530294207355183930351301052.510（5或或15）9807245261330351052.52.5（或（或1.25）245261315360布氏硬度的试验规范14第13页/共39页1.1.1强度、刚度与塑性 第1章 15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。标注：如120HBS10/
8、1000/10，即表示用直径D=10mm 的淬火钢球压头在1000kgf（9.8KN）的试验载荷作用下，保持10秒所测得布氏硬度值为120。HBS只可用来测定硬度值小于450的金属材料 500HBW5/750表示用直径D=5mm 的硬质合金球压头在750kgf（7.35KN）的试验载荷作用下，保持10-15秒（不标注）所测得布氏硬度值为500。HBW可用来测定硬度值450-650的金属材料（2）布氏硬度的表示方法第14页/共39页1.1.1强度、刚度与塑性 第1章 162、洛氏硬度（HR）洛氏硬度就是以主载荷引起的残余压入深度来表示硬度值。硬度值的大小直接由硬度计表盘上读出 （1）洛氏硬度测试
9、原理 洛氏硬度测定时需要先后施加二次载荷 （初载荷F0和主载荷F1）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。第15页/共39页1.1.1强度、刚度与塑性 第1章 17洛氏硬度实验原理示意图第16页/共39页1.1.1强度、刚度与塑性 第1章 18(2)洛氏硬度表示方法如4045HRC 常见洛氏硬度的试验条件及应用范围硬度硬度符号符号压头压头总载荷总载荷（kgf）表盘上刻表盘上刻度颜色度颜色常用硬度常用硬度值范围值范围使用范围使用范围HRA金钢石圆金钢石圆锥锥60黑黑 色色2085碳化物、硬质合碳化物、硬质合金、表面淬火层金、表面淬火层等等HRB1.5875mm钢球钢球10
10、0红红 色色25100有色金属、退火有色金属、退火及正火钢等及正火钢等HRC金钢石圆金钢石圆锥锥150黑黑 色色2067调质钢、淬火钢调质钢、淬火钢等等第17页/共39页151.1.1强度、刚度与塑性 第1章 19(3)特点与应用 洛氏硬度测定仅产生很小压痕，并不损坏零件，因而适合于成品检验和较薄工件。设备简单，操作迅速方便。但测一点无代表性，不准确，需多点测量，然后取平均值。洛氏硬度可用来测定各种金属材料的硬度。不宜用来测定极薄工件及氮化层、金属镀层等的硬度 洛氏硬度无单位，各标尺之间没有直接的对应关系。第18页/共39页1.1.1强度、刚度与塑性 第1章 203、维氏硬度（HV）为了从软到
11、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。是用一种顶角为136的正四棱锥体金钢压头，在载荷F（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）供以计算试样的硬度值。根据d值查表即可得到硬度值。（1）维氏硬度试验法原理第19页/共39页1.1.1强度、刚度与塑性 第1章 21 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。维氏硬度用符号HV表示，HV前面为硬度值，HV后面的数字按试验载荷、试验载荷保持时间（1015s不标注）的顺序表示试验条件。例如：（2）维氏硬度的表示方法640HV30表示用294.2
12、N（30kgf）的试验载荷，保持1015s（不标出）测定的维氏硬度值为640；640HV30/20表示用294.2N（30kgf）的试验载荷，保持20s测定的维氏硬度值为640。第20页/共39页1.1.1强度、刚度与塑性 第1章 221.1.3.冲击韧性（Ak或ak）韧性：材料断裂前吸收变形能量的能力冲击韧性：冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。ak=冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断口截面积F 单位为焦耳/厘米（J/cm）ak值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形ak值高，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性材料。Ak=mg(h1-h2)冲击吸收功（Ak）：单位为焦耳冲击韧度（ak）
13、：韧脆转变温度：冲击吸收功急剧 变化或断口韧性急 剧转变的温度区域第21页/共39页1.1.1强度、刚度与塑性 第1章 23冲击韧性实验Ak=mg(h1-h2)第22页/共39页 冲击吸收功还与试样形状、尺寸、表面粗糙度、内部组织和缺陷等有关，所以冲击吸收功一般只能作为选材的参考，而不能直接用于强度计算。在不同温度的冲击试验中，冲击吸收功急剧变断口韧性急剧转变的温度区域，称为韧脆转变温度。韧脆转变温度越低，材料的低温抗冲击性能越好。选择金属材料时，应使该材料的韧脆转变温度低于其服役环境的最低温度。冲击吸收功与温度有关，Ak值随温度降低而减小。1.1.1强度、刚度与塑性 第1章 24第23页/共
14、39页1.1.4.疲劳强度-1 1.1.1强度、刚度与塑性 第1章 2580%的断裂由疲劳造成 1.疲劳断裂：材料在承受大小和方同随时间作周期性变化（包括交变应力和重复）的载荷作用下，往往在远小于强 度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。2.疲劳强度（疲劳极限）：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。循环基数：钢铁材料10；非铁金属10；腐蚀介质作用下107 陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低，金属材料疲劳强度较高，纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能。影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余应力等。86第24页/共39页1.1.5.金属材料的断裂韧度
15、有些高强度材料的零（构）件往往在远低于屈服点的状态下发生脆性断裂；中、低强度的重型零（构）件、大型结构件也有类似情况 1.1.1强度、刚度与塑性 第1章 262、裂纹扩展的基本形式1、低应力脆断 第25页/共39页3、断裂韧度及其应用 1.1.1强度、刚度与塑性 第1章 27单位为MPam1/2 当材料中存在裂纹时，裂纹尖端附近某点处的实际应力值与施加应力 （称为名义应力）裂纹半长a及外力施力点距裂纹尖端的距离有关。施加的应力在裂纹尖端附近形成了一个应力场，为表述该应力场的强度，引入应力场强度因子的概念。应力场强度因子第26页/共39页 当KI达到某一临界值时，就能使裂纹尖端附 加的内应力达到
16、材料的断裂强度，裂纹将发生突 然的失稳扩展，导致构件脆断。这时所对应的应 力场强度因子KI就称为材料的断裂韧度，用KIC表示。KIC的单位与KI相同，它表示材料抵抗裂纹 失稳 扩展（即抵抗脆性断裂）的能力。1.1.1强度、刚度与塑性 第1章 28断裂韧度断裂韧度第27页/共39页 已知材料的工作应力和最大裂纹尺寸，可以算出应力场强度因子KI，根据应力场强度因子和断裂韧度的相对大小，可判断材料在受力时，是否会因为裂纹失稳扩展而断裂。1.1.1强度、刚度与塑性 第1章 29断裂韧度的应用断裂韧度的应用 已知KIC，可根据工作应力，确定材料中允许存在的、不会失稳扩展的最大裂纹长度；根据材料已存在的裂
17、纹长度，确定材料能够承受的不致脆断的最大应力。第28页/共39页1.2常用力学性能指标在选材中的意义1.2常用力学性能指标在选材中的意 义 第1章 301、刚度刚度和弹性 当零件的尺寸和外加载荷一定时，材料的弹性模量E（或切变模量G）越高，零件的弹性变形量越小，则刚度越好。1.2.1 例如：一根承受弯曲载荷的轴，在轴的长度和截面尺寸及外加载荷相同的情况下，分别选用钢、铝合金、聚苯乙烯这三种材料进行比较 第29页/共39页它们的弹性模量E的比为21104MPa：7104MPa：0.35104MPa，三者的弹性挠曲变形量之比则为1:3:60，即钢轴弹性挠曲变形为1cm，铝合金轴为3cm，聚苯乙烯轴
18、为60cm，显然，钢轴的刚度最好。1.2.1刚度与弹性 第1章 31第30页/共39页 在不同的加载方式下，比刚度可分别以E/、/、/等表示。例如，飞机机翼的加载方式为平板受弯曲，其比刚度应以 /来度量。若选用钢和铝合金比较，由于钢的密度为7.8g/cm3，铝合金的密度为2.7g/cm3，则钢的比刚度为0.76，铝合金为1.5，是钢的两倍，因此，飞机机翼应选用铝合金制造。1.2.1刚度与弹性 第1章 32 如果要在给定的弹性变形量下，要求零件的重量最轻，则必须按照比刚度进行选材。第31页/共39页2、弹性 材料的弹性极限越高和弹性模量E越低，则弹性能越大,零件的弹性越好。工程结构中的弹簧都选用
19、弹性模量较大，弹性极限或屈服强度较高的材料。如汽车板弹簧，常选用合金弹簧钢经淬火+中温回火，以获得尽可能高的弹性极限和屈服强度。1.2.1刚度与弹性第1章 弹性元件在工作时，不仅要满足弹性要求，还要满足强度要求33第32页/共39页硬度和强度1、硬度1.2.2 1.2.2硬度和强度 第1章 34硬度高，耐磨性就好，一般情况下，在一定的处理工艺下，只要硬度达到了规定的要求，其他性能也基本能达到要求。同样的硬度可以通过不同的处理工艺得到。2、强度=/K 承受纯剪或纯拉的零件，可直接作为设计的依据，并取K=1.11.3；屈服强度第33页/共39页 承受交变接触应力的零件，除保证表面高硬度外，要适当提
20、高零件心部屈服强度；抗拉强度1.2.2硬度和强度第1章 35疲劳断裂：通常也以抗拉强度来衡量疲劳强度的高低 塑性低的材料：抗拉强度作为两种不同材料或同一材料在两种不同热处理状态下性能比较的标准。=/K 承受弯曲和扭转的轴类零件，只要求一定的淬硬层深，对于零件心部的屈服强度不需做过高要求。低应力脆断的零件，其承载能力决定于材料的韧性，应适当地降低材料的屈服强度；第34页/共39页1.2.3塑性和冲击韧性 第1章 36塑性和冲击韧性1.2.3 1、塑性 塑性指标、只能表示在单向拉伸应力状态下的塑性，不能反映应力集中、工作温度、零件尺寸等对断裂强度的影响，因此不能可靠的避免零件脆断。是材料产生塑性变
21、形使应力重新分布而减少应力集中的能力的度量。冲击韧性指标或表征在有缺口时材料塑性变形的不足。2.冲击韧性的能力，反映了应力集中和复杂应力状态下材料的塑性，而且对温度很敏感，正好弥补了、第35页/共39页由于影响材料冲击韧性的因素很多，1.2.4断裂韧度 第1章 37不能定量的用于设计。断裂韧度1.2.4 低应力脆断为主要危险时，其承载能力取决于材料的断裂韧度，应该根据断裂韧度KIC选材。或第36页/共39页材料强度、塑性与韧性的合理配合1.2.5 1.2.5材料强度、塑性与韧性的合理配合 第1章 38 通常材料的强度与塑性、韧性是互相矛盾的，强度高，则塑性、韧性低。传统设计中，为防止零件发生脆
22、断，一般选定较高的 、和 或 值，势必造成零件尺寸增大，而又未必能保证零件工作安全可靠，因为大多数机件的断裂是由高周疲劳引起的，因强度不足而发生早期疲劳断裂时，往往塑性、韧性尚有余。如果选用强度、塑性和韧性都好的高级材料，又会使零件成本提高。所以，在零构件的设计中，必须兼顾材料的强度、塑性与韧性。第37页/共39页1.2.5材料强度、塑性与韧性的合理配合 第1章 39 以高周疲劳断裂为主要危险的零件，在 1400MPa范围内，提高材料强度，适当降低塑性、韧性。这类中低强度材料的断裂韧度较高，可以用工作应力 K若1400MPa，随强度增加，其疲劳寿命可能会对于以低应力脆断为主要危险的零件，应该反而降低。用断裂韧度来选材。来计算和选材，提高屈服强度可以提高零件的允许工作应力和减轻零件的重量。第38页/共39页感谢您的观看！第39页/共39页