第一章 金属材料的力学性能

第一章金属材料的力学性能（P3）第一节：静载荷条件下材料的力学性能第二节：非静载荷时材料的力学性能第三节：金属材料的断裂韧度第四节：高温下材料的力学性能金属材料的性能(P3)1）使用性能：在使用过程中表现出的性能——力学性能、物理性能、化学性能等。力学性能（又称机械性能）——是指材料抵抗外力（载荷）作用的能力。设计零件时是由力学性能作为主要设计依据的。2）工艺性能：在各种加工过程中表现出来的性能。如：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削性能等。第一节静载荷条件下材料的力学性能（P3）静载荷——是指对材料缓慢地施加载荷，使材料的相对变形速度较小时的载荷（一般是小于0.01mm/s）。动载荷——（1）是指加载速度比较快，使材料的塑性变形速度也较快的冲击载荷。（2）作用力大小与方向作周期性变化的交变载荷。一、静拉伸试验及材料的强度与塑性（P3）标准拉伸试样（GB228—87）L0——试样原始标距长度（mm）d0——试样的原始直径（mm）长试样L0=10d0短试样L0=5d0静拉伸试验机原理一、静拉伸试验及材料的强度与塑性（P3）ε=ΔL/L0ΔL=Lk－L0σ=F/A0图1—2低碳钢拉伸曲线低碳钢应力——应变曲线弹性变形——是指当外力解除后变形能够全部消除恢复原状的变形。弹性极限σe=Fe/A0物理意义——材料保持完全弹性变形所承受的最大应力。表征材料对（极）微量塑性变形的抗力。（一）弹性极限和刚度1、弹性极限（P4）材料刚度（弹性模量）E=σ/ε=tgα物理意义——材料产生单位弹性的相对变形所需的应力。它是表征材料抵抗弹性变形能力的力学性能指标。（一）弹性极限和刚度2、材料刚度E（P4）材料强度——是指在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。屈服点（屈服强度）：σs=Fs/A0物理意义——是指材料在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力。表征材料抵抗微量塑性变形的能力。（二）材料强度1、屈服点σs（P4）（二）材料强度2、抗拉强度（P4）抗拉强度σb=Fb/A0物理意义——材料断裂前所承受的最大应力。屈强比σs/σb材料的屈强比愈小，构件的可靠性愈高。（三）材料的塑性1、伸长率δ（P5）材料塑性：是指材料在外力作用下产生塑性变形而不发生断裂的能力。伸长率δ：是指试样拉断后其标距长度的相对伸长值。定义为：短试样的伸长率记为δ5（L0=5d0）长试样的伸长率记为δ10或δ（L0=10d0）对于同一种塑性材料δ5δ10%100%100000lllllk（三）材料的塑性2、断面收缩率ψ（P5）断面收缩率ψ：是指试样拉断后断口处横截面积的相对收缩值。定义为：断面收缩率与试样尺寸无关；金属材料只有具备足够的塑性才能承受各种变形加工。%100%1000010AAAAA二、硬度（P6）硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能指标。是材料抵抗局部塑性变形的能力，或者说抵抗其它硬物压入的能力。硬度计种类：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、维氏硬度（HV）重要零件或零件的重要部位大多规定材料的硬度值。因为：（1）硬度测量简便迅速，不需做试样，也不需破坏试件；（2）多数金属材料的抗拉强度可以根据其硬度值进行估算。所以硬度是一个很重要的力学性能指标。（一）布氏硬度（HB）（P6）设备：布氏硬度计方法：用规定直径的淬火刚球或硬质合金球以一定的试验力压入所测材料的表面，保持规定时间后，卸除试验力，测量表面压痕直径，然后根据布氏硬度的定义公式计算出布氏硬度值。其物理意义是压痕表面上单位面积所承受的压力。布氏硬度测量原理及计算（P6）AFHB222dDDDA图1—3布氏硬度原理图工件压头布氏硬度的表示方法（P7）标准写法：布氏硬度值，布氏硬度符号，测试条件（压头直径mm/试验力kgf/试验力作用时间s）。如：200HBS2.5/187.5/30简单写法：200HBS淬火刚球作压头HBS——最大有效测量值为450HBS硬质合金压头HBW——最大有效测量值为650HBW（二）洛氏硬度（HR）（P7）洛氏硬度是以压头压入金属材料的压痕深度来表征材料的硬度。压头：1）锥角为120°的圆锥金刚石；2）Ф1.588mm的淬火刚球压痕的深度直接可用百分表测出来，还需另外的测量和计算，十分方便，效率高，是实际生产中使用最普遍的一种硬度测量方法。洛氏硬度测量原理（P7）002.0ekHRh为压痕深度金刚石压头k=0.2刚球压头k=0.26P0为初载荷P1为主载荷P=P0+P1图1—4洛氏硬度原理图h三种洛氏硬度试验条件标值压头类型初载荷（kg）总载荷（kg）测试范围应用举例HRA1200金刚石圆锥106070~85硬质合金、表面淬硬层、渗碳层HRBφ1.588mm淬火钢球1010025~100有色金属、退火钢、正火钢HRC1200金刚石圆锥1015020~67淬火钢、调质钢☆总载荷=初载荷+主载荷（三）维氏硬度（HV）（P7）1、维氏硬度是一种以正四棱锥金刚石为压头的硬度测量方法。2、硬度值的定义与布氏硬度相同，即压痕表面上单位面积所承受的压力。所不同的是压痕形状为正四棱锥形。3、硬度值计算公式：2102.08544.1dFAFHV图1—5维氏硬度原理图布氏硬度——压痕面积大，代表性好（准确），效率低；适合测试硬度较低的材料；不适合测量薄件和成品件。洛氏硬度——压痕面积小，代表性较差，所以通常要取三点平均值作为测试结果；测试极为方便，是实际生产中最为常用的一种测试方法；一般用于较高硬度的测量。维氏硬度——非常准确；从低硬度到高硬度均可测量；测试设备昂贵，科学研究用该方法较多。各种硬度值可进行粗略换算，换算公式如下：三种硬度测试方法优缺点HB≈HV≈10HRC第二节非静载荷时材料的力学性能（P8）静载荷——是指对材料缓慢地施加载荷，使材料的相对变形速度较小时的载荷（一般是小于0.01mm/s）。非静载荷（动载荷）——（1）是指加载速度比较快，使材料的塑性变形速度也较快的冲击载荷，锻床、冲床等。（2）作用力大小与方向作周期性变化的交变载荷，如轴、弹簧、齿轮等。一、冲击韧度（P8）冲击韧度：是指材料抵抗冲击载荷的能力。以单位面积承受的冲击吸收功来衡量。计算公式：试样种类：尺寸：10mm×10mm×55mm无缺口V型缺口U型缺口0AAakkAk=mgΔH对于一般常用钢材来说，冲击吸收功越大，材料的韧性越好。考虑到试样被冲断所需的冲击吸收功，并非均匀地消耗于断口处。所以，往往直接用冲击吸收功来表征材料的冲击韧度。材料的冲击韧度值除了取决于材料本身之外，还与环境温度及缺口的状况密切相关。冲击韧度除了用来表征材料的韧性大小外，还用来测量韧脆转变温度。材料的冲击韧度一般只作为设计的参考值。一、冲击韧度（P9）二、疲劳强度（P9）疲劳强度：是指材料抵抗交变应力的能力。应力循环对称因数：γ=-1疲劳强度σ-1（轴类所受到的交变弯曲应力）脉动循环交变应力γ=0疲劳强度σ0（齿轮齿跟受到的循环弯曲应力）maxmin疲劳强度的测试在疲劳试验机上，用较多的试棒，在不同交变载荷下进行试验，作出疲劳曲线。疲劳强度的测试(P10)材料经交变应力无数次循环作用而不发生断裂的最大应力称为材料的疲劳强度。应力循环次数图1—8金属材料的疲劳曲线示意图疲劳强度的定义（P10）疲劳强度定义为：材料经交变应力无数次循环作用而不发生断裂的最大应力。工程上规定，对于钢铁材料为107次；对于有色金属材料为108次。材料的疲劳强度σ-1与抗拉强度σb密切相关。对钢来说，其关系为σ-1=0.45∽0.55σb。可见，材料的疲劳强度随其抗拉强度增高而增高。金属材料的疲劳强度通常都小于屈服点，这说明材料抵抗交变应力比抵抗静应力的能力低。疲劳强度的影响因素（P10）疲劳强度的影响因素：1）材料本身的组织结构状态；2）表面粗糙度和应力状态。提高零件疲劳强度的措施：1、改善内部组织；2、设计上减小应力集中，转接处避免锐角连接；3、降低零件表面粗糙度；4、强化表面，如表面淬火、表面滚压、渗碳等。早在上世纪20年代,Griffth就提出了著名的裂纹体的脆断强度理论。第二次世界大战后，广泛使用高强度材料，引起了一系列的脆断事故。而且断裂应力远低于σs，即低应力脆断。为防止低应力脆断，不得不对其强度—断裂抗力进行研究，从而形成断裂力学这门新学科。根据断裂力学的分析，裂纹的尖端前沿存在应力集中，形成裂纹尖端的应力场，其大小可用应力强度因子K1来描述：第三节金属材料的断裂韧度(P10)K1=Yσ√a第四节高温下材料的力学性能（P11）高压蒸气锅炉、内燃机、航空航天发动机等机器设备中的一些构件是长期在较高温度下运行的。所谓高温是指机件的服役温度超过金属的再结晶温度。如何评价材料的高温力学性能，并运用这些力学性能评估高温构件的安全性和寿命，是一个十分复杂和问题。第四节高温下材料的力学性能（P11）图为撞击倒塌之后的世贸中心原址一片狼籍第四节高温下材料的力学性能（P11）第二架飞机撞向世贸中心大楼时的一刹那作业（P12）P12：1（没讲的不做）、2、6、11题。