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1、学习情境二金属材料性能的测定本章基本要求：1、理解材料的常用机械性能（强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度）的含义及其指标。2、了解材料的常用机械性能（强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度）测定方法本章重点难点：1、强度的概念及其指标2、塑性的概念及其指标3、硬度的概念及其指标金属材料的力学性能v静载时材料的力学性能静载时材料的力学性能静拉伸试验（弹性和刚度、强度、塑性）静拉伸试验（弹性和刚度、强度、塑性）硬度（布氏硬度、洛氏硬度）硬度（布氏硬度、洛氏硬度）v动载时材料的力学性能动载时材料的力学性能冲击韧性（冲击韧性（KU）疲劳强度疲劳强度v高温力学性能（蠕变、其它力学性能）高温力学性能（蠕变
2、、其它力学性能）v断裂韧性断裂韧性1、强度指标拉伸实验介绍标准拉伸试样拉伸试验低碳钢拉伸分为四个阶段：即弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段强度指标有：屈服极限：强度极限：除低碳钢种中碳钢及少数合金钢有屈服现象外，大多数金属材料没有明显的屈服现象，因此，对这些材料，规定产生0.2%塑性变形时的应力作为条件屈服强度0.2可以替代s，称条件（名义）屈服强度。屈服强度标志着材料对起始塑性变形的抗力，是工程技术中最重要的机械性能指标之一，设计零件时常以s或0.2作为选用金属材料的依据。抗拉强度表示试件在拉断前能承受的最大应力。显然，材料不能在承受b的载荷条件下工作，这样会导致金属构件和零件的破坏。另
3、外，抗拉强度和屈强比s/b也是设计和选材的重要依据。强度是指材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。以屈服强度s和抗拉强度b最为常用。疲劳强度极限疲劳强度极限金属材料在长期的反复应力作用或交变应力作用下（应力一般均小于屈服极限强度s），未经显著变形就发生断裂的现象称为疲劳破坏或疲劳断裂，这是由于多种原因使得零件表面的局部造成大于s甚至大于b的应力（应力集中），使该局部发生塑性变形或微裂纹，随着反复交变应力作用次数的增加，使裂纹逐渐扩展加深（裂纹尖端处应力集中）导致该局部处承受应力的实际截面积减小，直至局部应力大于b而产生断裂。在实际应用中，一般把试样在重复或交变应力（拉应力、压应力、弯曲或扭转应
4、力等）作用下，在规定的周期数内（一般对钢取106107次，对有色金属取108次）不发生断裂所能承受的最大应力作为疲劳强度极限，用-1表示，单位MPa。疲劳曲线-1Nn21N1N2NnNc钢铁材料：107次非铁合金：108次疲劳强度部分工程材料的疲劳极限部分工程材料的疲劳极限-1（MPa）2、塑性指标断面延伸率：断面收缩率：为塑性材料 为脆性材料塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力，常用延伸率()和断面收缩率()作为材料的塑性指标。3、刚度指标金属材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚性.弹性模数是反映金属材料刚性的指标,是材料在弹性极限范围内的应力与应变（与应力相对应的单位变形量
5、）之比，用E表示，单位兆帕（MPa）：E=/=tg式中为拉伸试验曲线上o-e线与水平轴o-x的夹角。4、硬度指标硬度是指金属材料抵抗硬物压入其表面的能力。工程上常用的有布氏硬度和洛氏硬度。(1)布氏硬度布氏硬度布氏硬度试验是用一定的载荷P，将直径为D的淬火钢球，在一定压力作用下，压入被测金属的表面，保持一定的时间后卸去载荷，以载荷与压痕表面积的比值作为布氏硬度值，用HB表示。HB值愈大，材料愈硬。用布氏硬度试验测材料的硬度值，其测试数据比较准确，但不能测太薄的试样和硬度较高的材料。优点：测量数值稳定，准确，一般不标单位缺点：操作慢，不适用批量生产和太薄、太硬（450HB）的材料应用范围：应用范
6、围：铸铁，有色金属，退火、正火、调质处理钢，原材料，毛坯表示方法：表示方法：HBS：淬火钢球，HBW：硬质合金球布氏硬度试验(2)洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度试验是用一定的载荷将顶角为120的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球压入被测试样表面，然后根据压痕的深度来确定它的硬度值。用洛氏硬度计可以测量从软到硬的各种不同材料，这是因为它采用了不同的压头和载荷，组成各种不同的洛氏硬度标度，如HRA、HRB、HRC。优点：操作简便，压痕小，可用于成品和薄形件缺点：测量数值分散，不如布氏硬度测量准确(3)、维氏硬度HV主要用于薄工件或薄表面硬化层的硬度测试，参照GB4340-84金属维氏硬度试验方
7、法进行。(4)、显微硬度HV用于材料微区硬度(如单个晶粒、夹杂物、某种组成相等)的测试，可参照GB4342-84金属显微维氏硬度试验方法进行。5、韧性指标韧性,金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力称为韧性。通常采用冲击试验，即用一定尺寸和形状的金属试样在规定类型的冲击试验机上承受冲击载荷而折断时，断口上单位横截面积上所消耗的冲击功表征材料的韧性：冲击韧度是指材料抵抗冲击载荷的能力。金属材料韧性的好坏用冲击韧度值衡量。冲击韧度（KU）试验KUA/FA=(GH1-GH2)9.8 J/cm2其中：KU（J/cm2）H（m）A（m2）G（kg）高温下材料的力学性能高温下材料的力学性能v高温下：b、s
8、、E、HRC 降低、KU 升高发生蠕变现象 K1=Ya1/2 式中：Y_裂纹的几何形状因子;_外加应力（N/mm2）；a_裂纹的半长（mm）；K1_ 强度因子（MPam1/2或MNm-3/2）当K1达到临界值K1C时，零件内裂纹将发生失稳扩展失稳扩展而出现低应力脆性断裂低应力脆性断裂，而K1K1C时，零件安全可靠。K1C即为断裂韧度。常见工程材料的断裂韧度常见工程材料的断裂韧度K1C值（值（MNm-3/2）根据K1=Ya1/2K1C的临界判据知：为使零件不发生脆断，设计者可以控制三个参数：材料的断裂韧度K1C、名义工作应力和零件内的裂纹长度a，它们之间的定量关系能直接用于设计计算，可以解决以下
9、三方面的工程实际问题：1）根据零件的实际工作应力和其内可能的裂纹尺寸a，确定材料应有的断裂韧度K1C，为正确选材提供依据；2）根据零件所使用的材料断裂韧度K1C及已探伤出的零件内存在的裂纹尺寸a，确定零件的临界断裂应力C，为零件最大承载能力设计提供依据；3）根据已知材料的断裂韧度K1C和零件的实际工作应力，估算断裂时的临界裂纹长度aC，为零件的裂纹探伤提供依据。习题一、选择题l1.表示金属材料屈服强度的符号是（）。A.eB.sC.bD.-1l2.表示金属材料弹性极限的符号是（）。A.eB.sC.bD.-1l3.在测量薄片工件的硬度时，常用的硬度测试方法的表示符号是（）。A.HBB.HRD.HS
10、l4.金属材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力叫（）。A.强度B.硬度C.塑性D.弹性二、填空v1.金属材料的机械性能是指在载荷作用下其抵抗（）或（）的能力。v2.金属塑性的指标主要有（）和（）两种。v3.低碳钢拉伸试验的过程可以分为弹性变形、（）和（）三个阶段。v4.常用测定硬度的方法有（）、（）和维氏硬度测试法。v5.疲劳强度是表示材料经（）作用而（）的最大应力值。三、简答题v1.说明下列机械性能指标符合所表示的意思：S、0.2、HRC、-1。v2.说明下列机械性能指标符合所表示的意思：b、5、HBS、akv。金属材料的物理和化学性能v物理性能物理性能:物理性能，不仅对工程材料的选用来说，
11、有着重要的意义；而且也会对材料的加工工艺产生一定的影响。（一）密度（二）热学性能熔点；热容；热膨胀；热传导（三）电学性能电阻率；电阻温度系数；介电性（四）磁学性能磁导率；饱和磁化强度Ms和磁矫顽力cv化学性能：化学性能：材料在生产、加工和使用时，均会与环境介材料在生产、加工和使用时，均会与环境介质发生化学反应，从而使其性能恶化或功能质发生化学反应，从而使其性能恶化或功能丧失。丧失。（一）化学腐蚀（一）化学腐蚀（二）电化学腐蚀（二）电化学腐蚀 (三）提高零件耐蚀性的主要措施铝三）提高零件耐蚀性的主要措施铝材料的工艺性能材料的工艺性能本课程则主要解决材料本身与其工艺性能的关系，主要加工工艺性能是：一铸造性能二锻造性能三焊接性能四切削加工性能五热处理性能本章主要应掌握以下内容：1、强度的含义及其指标：屈服强度、抗拉强度。2、塑性的含义及其指标：伸长率、断面收缩率。3、硬度的含义及其指标：布氏硬度、洛氏硬度。4、冲击韧度的含义及其指标：冲击功。5、疲劳强度的含义。