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1、第一章 金属材料的力学性能本讲稿第一页，共三十三页第一节第一节 金属材料的力学性能金属材料的力学性能本讲稿第二页，共三十三页第一第一 刚度、强度、塑性刚度、强度、塑性1 1、拉伸试样、拉伸试样 试验前在试棒上打出试验前在试棒上打出标距标距按国标规定标准拉伸试样可分为：按国标规定标准拉伸试样可分为：)板形试样：原材料为板材或带材板形试样：原材料为板材或带材)圆形试样圆形试样：长试样：长试样L L0 010d10d0 0，短试样短试样L L0 0=5d=5d0 0 其中：其中：L L0 0为试样标距，为试样标距，d d0 0为试样直径为试样直径一、拉伸试验与拉伸曲线一、拉伸试验与拉伸曲线刚度、强度
2、和塑性是根据刚度、强度和塑性是根据拉伸试验拉伸试验测定出来的。测定出来的。本讲稿第三页，共三十三页2 2、拉伸过程、拉伸过程将试样装在拉力试验机夹头上，缓慢加载，通过自将试样装在拉力试验机夹头上，缓慢加载，通过自动记录装置得到试样所受载荷动记录装置得到试样所受载荷F F和伸长量和伸长量L L的关系的关系曲线称为拉伸曲线；曲线称为拉伸曲线；本讲稿第四页，共三十三页HT-2402-100KN电脑伺电脑伺服控制材料实验机服控制材料实验机 拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象本讲稿第五页，共三十三页3 3、拉伸曲线、拉伸曲线本讲稿第六页，共三十三页弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形本讲稿第七页，共三十三
3、页4 4、应力与应变曲线、应力与应变曲线(3)(3)应力应变曲线应力应变曲线（-曲线曲线）：形状和拉伸曲线相同，单位不同。(1)(1)应力应力：单位面积上试样承受的载荷。单位面积上试样承受的载荷。F F =S S 0(M pa)(M pa)F:F:载荷载荷(N)N)S S 0:原始横截面积原始横截面积(mmmm2 2)(2)(2)应变应变：单位长度的伸长量。：单位长度的伸长量。l=l 0l：伸长量伸长量(mm)mm)l 0：原始长度：原始长度(mm)mm)本讲稿第八页，共三十三页5 5、不同材料的拉伸曲线、不同材料的拉伸曲线45钢铝青铜35钢硬铝纯铜本讲稿第九页，共三十三页二、通过二、通过拉伸
4、试验拉伸试验测得的性能指标测得的性能指标刚度、刚度、强度强度屈服强度屈服强度抗拉强度抗拉强度塑性塑性伸长率伸长率断面收缩率断面收缩率1 1）刚度）刚度 表征金属材料抵抗弹性变形的能力。表征金属材料抵抗弹性变形的能力。弹性模量弹性模量E E ：表示引起单位变形时所需：表示引起单位变形时所需要的应力。即材料的要的应力。即材料的E E越大，产生的弹性越大，产生的弹性变形越小，刚度越大。变形越小，刚度越大。E E值主要值主要取决于取决于材料的本性材料的本性;提高刚度的方法是增加横截面积或改提高刚度的方法是增加横截面积或改变截面形状。变截面形状。=E=E e e本讲稿第十页，共三十三页举例：通过改变横截
5、面积来提高材料的刚度举例：通过改变横截面积来提高材料的刚度本讲稿第十一页，共三十三页2 2）强度）强度 金属材料在载荷作用下抵抗塑性金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形和破坏的能力。变形和破坏的能力。a.a.屈服点、屈服强度：屈服点、屈服强度：表征金属材料对产生明表征金属材料对产生明 显塑性变形的抗力。显塑性变形的抗力。屈服点是指在外力作用下开始是指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力，产生明显塑性变形的最小应力，用用S S表示。表示。okb FsFss l()F(F()FbFbe FeFep FpFp低碳钢的力低碳钢的力-伸长曲线伸长曲线屈服现象：屈服现象：S S点点S S=F=FS S/
6、S/S0 0 (N/mm (N/mm2 2=Mpa)=Mpa)本讲稿第十二页，共三十三页对于没有明显屈服现象发生的对于没有明显屈服现象发生的金属材料，产生金属材料，产生规定产生规定产生0.2%0.2%塑性变形时的应力值塑性变形时的应力值作为该材作为该材料的屈服强度，以料的屈服强度，以0.20.2表示。表示。0.20.2=F=F0.2 0.2 /S/S0 0 b.b.抗拉强度：抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力。试样在断裂前所能承受的最大应力。b b b b=F=F=F=Fb b b b/S/S/S/S0 0 0 0选用原则：若不允许发生过量的塑性变形，选用原则：若不允许发生过量的塑性变形
7、，以以屈服强度屈服强度S S、0.20.2为依据；若零件在为依据；若零件在使用时只要求不发生破坏，以使用时只要求不发生破坏，以抗拉强度抗拉强度b b b b来设计。来设计。ssbbee本讲稿第十三页，共三十三页(1)(1)断面收缩率断面收缩率:是指试样拉断处横截面积的收缩是指试样拉断处横截面积的收缩 量量 S S与原始横截面积与原始横截面积S S0 0之比。之比。(2)(2)断后伸长率断后伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量是指试样拉断后的标距伸长量 L L 与原与原始标距始标距L L 0 0之比。之比。3 3）塑性）塑性:是指材料在载荷作用下产生不可逆是指材料在载荷作用下产生不可逆 永久变形而
8、不被破坏的能力。永久变形而不被破坏的能力。本讲稿第十四页，共三十三页说明：说明：直径直径d d0 0 相同时，相同时，l l0 0，。只有当。只有当l l0 0/d/d0 0 为常数为常数时，塑性值才有可比性。时，塑性值才有可比性。当当l l0 0=10d=10d0 0 时，伸长率用时，伸长率用 表示；表示；当当l l0 0=5d=5d0 0 时，伸长率用时，伸长率用 5 5 表示。显然表示。显然 5 5 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。时，无颈缩，为脆性材料表征时，无颈缩，为脆性材料表征 时，有颈缩，为塑性材料表征时，有颈缩，为塑性材料表征本讲
9、稿第十五页，共三十三页(1)(1)布氏硬度布氏硬度 HB 用一定载荷用一定载荷P，将直径为，将直径为D的球体压入被测材料的表的球体压入被测材料的表面，保持一定时间后卸去面，保持一定时间后卸去载荷，根据压痕面积载荷，根据压痕面积S确确定硬度大小。定硬度大小。1.1.测量原理测量原理第二第二 硬硬 度度硬度硬度:是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力，是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力，是衡量金属软硬的指标，直接影响金属的耐磨性。常用压入是衡量金属软硬的指标，直接影响金属的耐磨性。常用压入法；法；三种：布氏、洛氏、维氏硬度三种：布氏、洛氏、维氏硬度本讲稿第十六页，共三十三页2.2.测量过程测量
10、过程注意：注意：d d必须在必须在0.240.6D0.240.6D之间。之间。本讲稿第十七页，共三十三页3.3.测定条件测定条件 压头为压头为淬火钢球淬火钢球时时,以以HBS表示表示,可测可测 450 450的材料；的材料；压头为压头为硬质合金硬质合金时时,以以HBW表示表示,可测可测650650的材料。的材料。压头直径有压头直径有10、5、2.5、2、1mm五种。五种。4.4.表示方法表示方法 符号符号HBS S或或HBW之前的数字表示硬度值，符号后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面的数字按顺序分别表示球体直径mm、载荷载荷Kgf（N）及载荷保持时间及载荷保持时间
11、S。如如:120HBS10/1000/30表示表示直径为直径为10mm的钢球的钢球在在1000kgf（9.807kN）载荷载荷作用下作用下保持保持3030s测得的测得的布氏硬度值布氏硬度值为为120。本讲稿第十八页，共三十三页布氏硬度的优点：布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。测量误差小，数据稳定。缺点：缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压 头还硬的材料。头还硬的材料。适于测量灰适于测量灰铸铁、非铁合金及较软钢材的硬度。铸铁、非铁合金及较软钢材的硬度。另外：材料的另外：材料的 b b与与HBHB之间的经验关系：之间的经验关系：对于低碳钢对于低碳钢:b
12、(MPa)3.6HB 对于高碳钢：对于高碳钢：b(MPa)3.4HB 对于灰铸铁：对于灰铸铁：b(MPa)1HB 或或 b(MPa)0.6(HB-40)5.5.优缺点优缺点 本讲稿第十九页，共三十三页(2)(2)洛氏硬度洛氏硬度 HR 测量步骤测量步骤：洛氏硬度：洛氏硬度HR是将是将标准压头标准压头用规定压力用规定压力压入被测材料表面，根据压入被测材料表面，根据压痕深度压痕深度h来确定硬度值。来确定硬度值。值越小，材料越硬。值越小，材料越硬。本讲稿第二十页，共三十三页本讲稿第二十一页，共三十三页分类：分类：根据压头的材料及压头所加的负荷不同又可根据压头的材料及压头所加的负荷不同又可分为分为HR
13、A、HRB、HRC三种三种:特点：特点：操作简便，可直接读出硬度值，压痕小，操作简便，可直接读出硬度值，压痕小，可用于成品件的测量，但测值重复性差。可用于成品件的测量，但测值重复性差。HRC测定淬火钢的硬度测定淬火钢的硬度,应用最广。应用最广。表示方法：表示方法：55HRC表示表示C标度测定的洛氏硬度值为标度测定的洛氏硬度值为55，无单位。无单位。K0.20.260.2本讲稿第二十二页，共三十三页(3)维氏硬度维氏硬度 HVHV=0.1891Fd2FA=0.1891表示方法：表示方法：640HV30/20,表示在表示在30kgf作用下保持作用下保持20 s，维氏硬度值为，维氏硬度值为640。测
14、量步骤：测量步骤：用一定载荷用一定载荷F(N)，将顶角为，将顶角为136o的金刚的金刚石四棱锥压入被测材料的表面，保持一石四棱锥压入被测材料的表面，保持一定时间后卸去载荷，求出平均压痕对角定时间后卸去载荷，求出平均压痕对角线的长度，确定硬度大小。线的长度，确定硬度大小。特点：特点：可测较薄的硬化层以及很软、很硬的材料。可测较薄的硬化层以及很软、很硬的材料。本讲稿第二十三页，共三十三页 布氏硬度计布氏硬度计 洛氏硬度计洛氏硬度计 维氏硬度计维氏硬度计本讲稿第二十四页，共三十三页材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。通常用冲击韧性指标aK来度量。第三第三 韧性韧性冲击试验机冲击试验机冲击试样和冲击试
15、验示意图冲击试样和冲击试验示意图本讲稿第二十五页，共三十三页冲击试验示意冲击试验示意本讲稿第二十六页，共三十三页 A A kUkU =m g=m g（H hH h）(J)(J)v冲击韧性值冲击韧性值a a k k 就是试样缺口处单位截面积上所消就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。耗的冲击功。试样冲断时所消耗的试样冲断时所消耗的冲击吸收功冲击吸收功A kUA kU为为:a a k k=AKAKS0S0(J/cm(J/cm)冲击韧性冲击韧性：U Uv冲击吸收功的大小与试验冲击吸收功的大小与试验的温度有关。材料的韧脆转的温度有关。材料的韧脆转变温度越低，说明低温冲击变温度越低，说明低温冲击性能
16、越好。性能越好。v冲击吸收功的大小并不能真正反映材料的韧脆程度，冲击吸收功的大小并不能真正反映材料的韧脆程度，因为其中有一部分功损失。因为其中有一部分功损失。本讲稿第二十七页，共三十三页TITANICTITANIC建造中的建造中的Titanic Titanic 号号TITANICTITANIC的沉没与船的沉没与船体材料的质量直接有体材料的质量直接有关关本讲稿第二十八页，共三十三页Titanic Titanic 号钢板号钢板（左图）（左图）和和近代船用钢板近代船用钢板（右图）（右图）的冲击试验结果的冲击试验结果Titanic近代船用钢板近代船用钢板本讲稿第二十九页，共三十三页第四第四 疲劳强度疲
17、劳强度fatigue strengthfatigue strength1 1、疲劳断裂、疲劳断裂原因：原因：疲劳裂纹产生疲劳裂纹产生 扩展扩展 瞬时断裂的。瞬时断裂的。特点：特点：断裂前无明显的断裂前无明显的塑性变形，断裂突然塑性变形，断裂突然发生；发生；断裂时应力很低，断裂时应力很低，大多低于大多低于ss2 2、疲劳强度、疲劳强度:材料经无数次交变载荷作用而不断裂的最材料经无数次交变载荷作用而不断裂的最大应力值，用大应力值，用-1-1表示，单位为表示，单位为MPa.MPa.本讲稿第三十页，共三十三页3 3、提高疲劳极限的途径、提高疲劳极限的途径:1 1）在零件结构设计中尽量避免尖角，缺口和截
18、面）在零件结构设计中尽量避免尖角，缺口和截面 突变，以免产生应力集中而由此产生疲劳裂纹；突变，以免产生应力集中而由此产生疲劳裂纹；2)2)提高零件表面加工质量，减少疲劳源；提高零件表面加工质量，减少疲劳源；3)3)采用各种表面强化处理，如表面淬火、喷丸等。采用各种表面强化处理，如表面淬火、喷丸等。疲劳试验原理示意图疲劳试验原理示意图钢铁材料：钢铁材料：N=10N=107 7次次 有色金属：有色金属：N=10N=108 8次次 疲劳曲线疲劳曲线 循环次数循环次数N N本讲稿第三十一页，共三十三页硬度的测定硬度的测定本讲稿第三十二页，共三十三页第二节第二节 金属材料的物理、化学及工艺性能金属材料的物理、化学及工艺性能本讲稿第三十三页，共三十三页