1、第一章 金属材料的力学性能,第一节 金属材料的强度与塑性,2、工艺性能在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能。,1、使用性能材料在使用过程中所表现的性能,力学性能,物理性能,化学性能,铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削加工性能、热处理工艺性能,3、材料的力学性能,指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。,材料的性能,作用在机件上的外力载荷,F = F,（MPa）,外力 内力应力,静载荷,动载荷,R= F /S,1.应力,应力：物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。同截面垂直的称为“正应力”或“法向应力”，同截面相切的称为
2、“剪应力”或“切应力”。,常用术语,F,F,拉伸前,拉伸后,应变：物体形状尺寸所发生的相对改变。物体内部某处的线段在变形后长度的改变值同线段原长之比值称为“线应变”,2. 应变,（1）弹性变形：,材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来形状，这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形。,3.两种基本变形,（2）塑性变形:,材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形，称为塑性变形。,拉伸试验,F,F,L,拉伸前,拉伸后,k,m,m 极限载荷点,F,p,p 弹性极限点,s,S 屈服点,K 断裂点,拉伸曲线,o,材料的拉伸曲线,1、op段：直线、弹性变形,2、ps段：曲线、弹性变形+塑性变形,5
3、、m点出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低，拉伸力达到最大值，而后降低，但变形量增大，K点时试样发生断裂。,3、s s段：水平线（略有波动）明显的塑性变形屈服现象，作用的力基本不变，试样连续伸长。,4、sm曲线：弹性变形+均匀塑性变形,s,1强度,材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。,（1） 弹性极限（Rp）,指金属材料能保持弹性变形的最大应力。,Rp =Fp/S0 （MPa）,它表征了材料抵抗弹性变形的能力。,（2） 屈服强度（RS）,指材料在外力作用下，产生屈服现象时的最小应力。,RS =Fs/S0 （MPa）,它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。,当材料单位面积上
4、所受的应力RpRs时，材料将产生明显的塑性变形。,条件屈服强度:,R0.2=F 0.2/S0 （MPa）,屈服强度 是塑性材料选材和评定的依据。,0.2%l0,对于低塑性材料或脆性材料：,Rm =Fm/S0 （MPa）,（3）抗拉强度（Rm ）,抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。,它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。,抗拉强度 是脆性材料选材的依据。,物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力,2. 塑性,常用 A 和 Z 作为衡量塑性的指标。,伸长率：,材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。,断面收缩率:,良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。,第二节 金属
5、材料的硬度,定义：材料抵抗表面局部变形的能力。特别是塑形变形、压痕或划痕的能力。,布氏硬度计,1、布氏硬度HB,压头为一定直径的硬质合金球，符号HBW表示,例如：120HBW10/1000/30 表示直径为10mm的硬质合金球在1000kgf载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。,布氏硬度压痕,标注方法：硬度值+HBW+D+F+t,布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。应用：适于测量退火、正火、调质钢, 铸铁及有色金属的硬度。材料的b与HB之间的经验关系： 对于低碳钢: b(MPa)3.6HB 对于高碳钢：b(MPa)3.4HB
6、对于铸铁： b(MPa)1HB或 b(MPa) 0.6(HB-40),2、洛氏硬度,洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002,压头为锥角120的金刚石圆锥体或者直径为1.5875mm的球（淬火钢球或硬质合金球）,标注方法：符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。例如：50HRC,根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。,HRA用于测量高硬度材料, 如硬质合金、表淬层和渗碳层。HRB用于测量低硬度材料, 如有色金属和退火、正火钢等。HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。洛氏硬度的优点：操作简 便，压痕小，适用范围广。缺点：测量结果分散度
7、大。,3、维氏硬度,维氏硬度和布氏硬度的测定原理相似,压头是对面夹角为136的正四棱锥体金刚石，测出压痕的对角线长度，再计算。,Kgf/mm2,式中： F试验力，NAo压痕面积，mm2d压痕对角线的算术平均值，mm。,维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。,维氏硬度值一般不标单位，在符号HV前写出硬度值。维氏硬度试验因试验力小（常用49.03N）压痕浅，轮廓清晰，数值准确，试验力选择范围大（49.03980.7N），所以可测量从很软到很硬材料的硬度，维氏硬度值之间能直接进行比较。维氏硬度常用来测试薄
8、片材料、金属镀层及零件表面硬化层的硬度，但试验麻烦，不宜用于成批生产的常规检验。,第三节金属材料的韧性,韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力,可用来衡量金属材料抵抗冲击载荷能力。韧性的判据通过冲击试验来测定。,1摆锤式一次冲击试验冲击吸收功:试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的能量(K)。 KV(KU)=EP1-EP2,开缺口的目的：在缺口附近造成应力集中，使塑性变形局限在缺口附近，并保证在缺口处发生断裂，以便正确测定金属材料承受冲击载荷的能力。,2.试样类型：U形缺口试样和V形缺口试样两种,材料的K值愈大，韧性就愈好；材料的K值愈小，材料的脆性愈大通常把K值小的材料称为脆性材料研究表明
9、，材料的K值随试验温度的降低而降低。加载速度越快，温度越低，表面及冶金质量越差， K的值越低。,金属材料的吸收能量KV(KU)可以直接从试验机上读出,3. 温度对吸收能量的影响,吸收能量K 与温度有关。由下图可知，K 随温度降低而减少，在某一温度区域，K急剧变化，此温度区域称为韧脆转变温度。韧脆转变温度越低，材料的低温冲击性能越好。,TITANIC,建造中的Titanic 号,TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关,Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果,思考题,为什么钢制电力传输塔架、铁桥、工程结构件、海上钻井设施等在风雪交加的寒冷天气中容易发生损坏？,第四
10、节 金属材料的疲劳强度,工程上一些机件工作时受交变应力或循环应力作用，即使工作应力低于材料的Rel ，但经过一定循环周次后仍会发生断裂，这样的断裂现象称之为疲劳。 据统计，约80%的机件失效为疲劳破坏。,一、疲劳现象,循环应力：应力的大小和方向随时间作周期性的变化。,试一试,如果没有钳子，让你用手掰断一根直径5mm的铁丝，你如何做？,微裂源扩展区瞬断区,N0,N,钢：,有色金属：,N0 循环基数,影响疲劳强度的因素:内部缺陷、表面划痕、残留应力等,金属材料在循环应力作用下经受无限多次循环而不断裂的最大应力称为金属材料的疲劳强度，即循环次数值N无穷大时所对应的最大应力值。,二、疲劳强度,有的大型
11、转动零件、高压容器、桥梁等，常在其工件应力远低于屈服强度的情况下突然发生断裂低应力脆性断裂。,1943年美国T-2油轮发生断裂,北极星导弹,断裂韧度（断裂韧性）,产生这种现象的原因是机件内部存在着微裂纹和其它缺陷以及它们的扩展。,材料中存在裂纹时，在裂纹尖端就会产生应力集中，从而形成裂纹尖端应力场。,应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。,Y为与裂纹形状、加载方式和试样几何尺寸有关的无量纲系数,C为断裂应力，aC为临界裂纹半长K KIC，材料必发生裂纹失稳扩展而脆断。K KIC，材料中裂纹不扩展或扩展缓慢。KIC可通过试验来测定，它与材料成分、热处理及加工工艺等有关,随应力的增大，K
12、I不断增大，当KI增大到某一定值时，这可使裂纹前沿的内应力大到足以使材料分离，从而导致裂纹突然扩展，材料快速发生断裂。这个应力强度因子的临界值，称为材料的断裂韧度，用KIC表示。断裂韧性：材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。,力学性能,三、力学性能与失效形式的关系,失效形式,断裂塑性变形磨损,思考题,通过对疲劳断裂的认识，分析一下如何延长零件的使用寿命（或循环次数）,材料性能总结,决定材料性能实质：,构成材料原子的类型：材料的成分描述了组成材料的元素种类以及各自占有的比例。材料中原子的排列方式：原子的排列方式除了和元素自身的性质有关以外，还和材料经历的生产加工过程有密切的关系。,研究的意义：,性能决定了材料的用途。性能决定了材料和零部件生产方法。性能的变化规律为改变材料性能达到人们需求提供途径。,
