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1、第1章 材料的力学性能 材料的性能是评价和选择材料的依据。学习材料课，应当熟悉各种常用材料的性能。1.1材料性能的分类 材料的性能使用性能工艺性能 材料的力学性能1.1材料的性能的分类1.1.1使用性能力学性能（机械性能）物理性能强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等密度、电导率、磁导率等化学性能抗氧化性、抗腐蚀性等 材料的力学性能1.1材料的性能的分类1.1.2工艺性能（加工的难易性）切削性能（可切削性）锻压性能（塑性）铸造性能焊接性能（可焊性）材料的力学性能1.2基本概念和术语1.2基本概念和术语力学性能材料受载荷作用时表现出的与变形、断裂相关的一系列性能。载荷材料（或零件、构件）所受的力（N
2、）或应力。应力材料（或零件、构件）的单位横截面积上所受的力（N/m2)。应力的单位：Pa，1Pa=1N/m2 MP，1MPa=106 Pa=1N/mm2 材料的力学性能1.2基本概念和术语静载荷大小和方向都不随时间改变或缓慢变化的载荷。动载荷大小或方向随时间改变的载荷。载荷 载荷 冲击载荷 交变载荷 时间 时间 静载荷 动载荷 材料的力学性能1.2基本概念和术语材料受载荷作用时可能发生的现象：2.断裂脆性断裂韧性断裂1.变形弹性变形塑性变形 材料的力学性能1.3拉伸试验1.3.拉伸试验 通过拉伸试验可以测定材料的强度、刚度和塑性。材料的力学性能1.3拉伸试验oe段：弹性变形，伸长量与L与拉力F
3、成正比。S平台：屈服现象，开始塑性变形。Sb段：均匀塑性变形。bk段：颈缩（局部塑性变形）K点：断裂 低碳钢拉伸曲线F拉力 L伸长量 材料的力学性能1.4强度1.4 强度 强度材料受静载荷作用时，抵抗塑性变形和断裂的能力。1.屈服强度s 材料受静载荷作用时，抵抗塑性变形的能力。MPa 材料的力学性能1.4强度 如果材料所受的载荷达到或超过其屈服强度，材料就会发生塑性变形。在设计和使用机器零件时，必须保证零件的工作载荷低于零件材料的屈服强度（工作s），否则零件就会发生塑性变形而失效。练习（见下页）材料的力学性能1.4强度练习：要制造一根受拉力的圆杆，已知圆杆直径为20 mm，拉力为93 kN。现
4、有两种钢，其中Q235钢的s为235 MPa；45钢的s 为355 MPa。用这两种钢来制造此圆杆，是否都能保证不发生塑性变形？解：圆杆所受应力为：若选用Q235钢制造制造此圆杆，其s，会发生塑性变形；选用45钢制造制造此圆杆，其s，能保证不发生塑性变形。材料的力学性能1.4强度2.抗拉强度（强度极限）b 材料受静载荷作用时，抵抗断裂的能力。MPa 材料的力学性能1.4强度 如果材料所受的载荷达到其抗拉强度，材料就会发生断裂。在设计和使用机器零件时，必须保证零件的工作载荷低于零件材料的抗拉强度（工作b），否则零件就会发生断裂而失效。材料的力学性能1.5刚度1.5 刚度 刚度材料受静载荷作用时，
5、抵抗弹性变形的能力。衡量刚度大小的指标是弹性模量E。在拉伸曲线上，E体现为oe 段的斜率。材料的力学性能1.5刚度 常用材料的弹性模量E/MPa 在一定的载荷作用下，弹性模量（E）大的材料发生的弹性变形比较小。材料的弹性模量是一个常数，不会因热处理、合金化等外部条件而改变。铁镍钛铝铜镁2140002100001180107200013240045000 材料的力学性能1.6塑性1.6 1.6 塑性塑性 塑性材料在受载荷作用时，在断裂之前发生永久性变形的能力。材料的力学性能1.6塑性衡量材料塑性好坏的指标：1.延伸率 延伸率又称伸长率，是试样被拉断后，塑性伸长量与试样原始标距长度的百分比：材料的
6、力学性能1.6塑性2.断面收缩率 断面收缩率是试样被拉断后，颈缩处的横截面积收缩量（S0-S1）与原始横截面积S0之百分比：材料的力学性能1.6塑性 材料的、值越大，表明其塑性越好。材料的塑性在工程上的实用意义：1）塑性是变形加工（锻压）的条件。塑性较好的材料才可以进行变形加工。2）塑性好的材料，不易脆断，应用时安全性比较好。材料的力学性能1.7硬度1.7 硬度 硬度用来衡量材料软硬程度的性能指标。测试硬度的方法有多种，相应的也有多种硬度指标。材料的力学性能1.7硬度1.布氏硬度 HB1）试验原理 以压力F 将直径为D的球形压头压入材料表面，形成直径为d的压痕，以压痕单位面积上承受的压力大小来
7、衡量材料的硬度。F 材料的力学性能1.7硬度 kgf/mm2 式中 F 试验压力，kgf；S 压痕面积，mm2；D 压头直径，mm；d 压痕直径，mm 。材料的力学性能1.7硬度2）标注示例 120HBS 10/1000/30 500HBW 5/7503）特点和应用范围（1）试验结果较准确，数据的重复性较好；（2）操作较繁琐；（3）试验压力较大，压痕大，可能损坏薄壁零件;（4）适合于测试厚度较大的、较软的原材料、毛坯。材料的力学性能1.7硬度2.洛氏硬度 HR1）试验原理 用一定的压力将压头压入材料表面，以压痕深度来衡量材料的硬度。洛氏硬度计的指示表直接显示出硬度值。压痕越浅，硬度值越大，表明
8、材料硬度越高。试验原理示意图洛氏硬度计 材料的力学性能1.7硬度2）几种常用的洛氏硬度标尺标尺标注符号压头类型试验压力数值有效范围适用对象 AHRA 金刚石 圆锥 60 kgf (588.4 N)20-88HRA 很硬的材料，如钢的表面硬化层、硬质合金等。BHRB 钢球 100 kgf （980.7 N)20-100HRB 较软的材料，如退火的钢、铜合金、铝合金等。CHRC 金刚石 圆锥 150 kgf (1471 N)20-70HRC 较硬的材料，如淬火的钢件 材料的力学性能1.7硬度3）洛氏硬度的特点（1）测试操作简便，效率高；（2）适应的材料种类较多；（3）压痕小，对零件损伤小；（4）测
9、试准确度和数据重复性稍差；（5）HRA、HRB、HRC测试值不能直接对比。例如:不能认为60HRB代表的硬度高于40HRC。材料的力学性能1.7硬度3.其它硬度 维氏硬度、肖氏硬度，等等。材料的力学性能1.7硬度4.硬度试验的应用1）对于有耐磨性要求的零件，其硬度是主要的质量指标。2）多数金属材料的硬度与强度有一定正比关系。在实际工作中，常常通过测试零件的硬度来换算出强度，既简便，成本又低。材料的力学性能1.7硬度 黑色金属硬度及强度换算表 钢的HBS与b的换算关系：b 0.36 HBS 材料的力学性能1.8 冲击韧性 1.8 冲击韧性 ak 有些零件在工作时会受冲击载荷。如冲压模、錾子、飞机
10、起落架等。材料的强度、塑性等在静载荷下测定的力学性能指标，不能体现材料的抗冲击性能。冲击韧性 ak材料受冲击载荷时，抵抗断裂的能力。材料的力学性能1.8 冲击韧性 冲击韧性试样冲击试验示意图冲击试验机 材料的力学性能1.8 冲击韧性 材料的力学性能1.8 冲击韧性 冲击韧性ak在数值上等于冲断试样消耗的能量AK 与试样缺口处横截面积S之比：J/cm2 冲击韧性高的材料，使用安全性好。材料的力学性能1.8 冲击韧性材料脆断引发的事故 材料的力学性能1.9 疲劳强度 1.9 疲劳强度1.9.1 材料的疲劳现象演示自行车。提问 疲劳零件（材料）在交变载荷长时间作用下，产生裂纹并逐渐扩展，最终导致突然
11、断裂的现象。实例 在裂纹萌生和扩展的较长一段时间中，是不易被发现的，而最终的断裂是在瞬间发生的。因此，疲劳现象对于运行中的机器，尤其对飞行中的飞机，是危害性极大的事故隐患。据统计，机器零件的断裂有80%是疲劳引起的。材料的力学性能1.9 疲劳强度1.9.2 疲劳强度 疲劳强度-1材料在受交变载荷时，抵抗疲劳破坏的能力。钢的疲劳强度与抗拉强度有一定的比例关系：-1 0.4b 材料的力学性能1.9 疲劳强度1.9.3 提高零件抗疲劳性的措施 疲劳裂纹通常在零件薄弱部位的表面萌生。下列方法能提高零件抗疲劳性：1.提高零件表面光洁度（降低表面粗糙度）。2.零件截面和形状变化之处，设计为圆弧过渡，以减小应力集中。3.采用表面热处理、喷丸等方法对零件表面进行强化。4.防止零件表面被划伤、腐蚀。此外，采用无损检测技术定期对重要零件进行检测，争取在早期发现零件上的疲劳裂纹，也是预防疲劳断裂恶性事故的有效手段。