第1章 材料的力學性能

1、第1章 材料的力學性能 材料的性能是評價和選擇材料的依據(jù)。 學習材料課，應當熟悉各種常用材料的性能。 1.1材料性能的分類 材料的性能 使用性能 工藝性能 材料的力學性能1.1材料的性能的分類 1.1.1使用性能 力學性能（機械性能） 物理性能 強度、硬度、塑性、 韌性、疲勞強度等 密度、電導率、磁導率等 化學性能 抗氧化性、抗腐蝕性等 材料的力學性能1.1材料的性能的分類 1.1.2工藝性能 （加工的難易性） 切削性能（可切削性） 鍛壓性能（塑性） 鑄造性能 焊接性能（可焊性） 材料的力學性能1.2基本概念和術語 1.2基本概念和術語 力學性能材料受載荷作用時表現(xiàn)出的與變形、 斷裂相關的一系

2、列性能。 載荷材料（或零件、構件）所受的力（N）或 應力。 應力材料（或零件、構件）的單位面積上所受 的力（N/m2)。 應力的單位：Pa， 1Pa = 1N/m2 MP， 1MPa =106 Pa = 1N/mm2 材料的力學性能1.2基本概念和術語 靜載荷大小和方向都不隨時間改變或緩慢變化的載荷。 動載荷大小或方向隨時間改變的載荷。 載荷 載荷 沖擊載荷 交變載荷 時間 時間 靜載荷 動載荷 材料的力學性能1.2基本概念和術語 材料受載荷作用時可能發(fā)生的現(xiàn)象： 2.斷裂 脆性斷裂 韌性斷裂 1.變形 彈性變形 塑性變形 材料的力學性能1.3拉伸試驗 1.3.拉伸試驗 通過拉伸試驗可以測定材

3、料的強度、剛度 和塑性。 材料的力學性能1.3拉伸試驗 oe段：彈性變形，伸長量與L 與拉力F成正比。 S平臺：屈服現(xiàn)象，開始塑性變 形。 Sb段：均勻塑性變形。 bk段：頸縮（局部塑性變形） K點：斷裂 低碳鋼拉伸曲線 F拉力 L伸長量 材料的力學性能1.4強度 1.4 強度 強度材料受靜載荷作用時，抵抗塑性變形和 斷裂的能力。 1. 屈服強度s 材料受靜載荷作用時，抵抗塑性 變形的能力。 MPa 0 S s S F 材料的力學性能1.4強度 如果材料所受的載荷達到或超過其屈服強度，材 料就會發(fā)生塑性變形。 在設計和使用機器零件時，必須保證零件的工作 載荷低于零件材料的屈服強度（工作s），否

4、則 零件就會發(fā)生塑性變形而失效。 材料的力學性能1.4強度 2. 抗拉強度（強度極限）b 材料受靜載荷作 用時，抵抗斷裂的能力。 MPa 0 b b S F 材料的力學性能1.4強度 如果材料所受的載荷達到或超過其抗拉強度，材 料就會發(fā)生斷裂。 在設計和使用機器零件時，必須保證零件的工作 載荷低于零件材料的抗拉強度（工作b），否則 零件就會發(fā)生斷裂而失效。 材料的力學性能1.5剛度 1.5 剛度 剛度材料受靜載荷作用時，抵抗彈性變形的 能力。 衡量剛度大小的指標是彈性模量E。在拉伸曲線 上，E體現(xiàn)為oe 段的斜率。 材料的力學性能1.5剛度 常用材料的彈性模量E/MPa 在一定的載荷作用下，彈

5、性模量（E）大的材料 發(fā)生的彈性變形比較小。 材料的彈性模量是一個常數(shù)，不會因熱處理、合 金化等外部條件而改變。 鐵鎳鈦鋁銅鎂 2140002100001180107200013240045000 材料的力學性能1.6塑性 1.6 1.6 塑性塑性 塑性材料在受載荷作用時，發(fā)生永久性變形的能力。 衡量材料塑性好壞的指標有兩個：伸長率和斷面收縮率。 1.延伸率 延伸率又稱伸長率，是試樣被拉斷后，塑性伸長量與試樣原 始標距長度的百分比： %100 L LL 0 01 材料的力學性能1.6塑性 2. 斷面收縮率 斷面收縮率是試樣被拉斷后，頸縮處的橫截面積 收縮量（S0-S1）與原始橫截面積S0之百分

6、比： %100 S SS 0 10 材料的力學性能1.6塑性 材料的、值越大，表明其塑性越好。 塑性在工程上的實用意義： 1）塑性是變形加工（鍛壓）的條件。塑性較好 的材料才可以進行變形加工。 2）塑性好的材料，不易脆斷，應用時安全性比 較好。 材料的力學性能1.7硬度 1.7 硬度 硬度用來衡量材料軟硬程度的性能指標。 測試硬度的方法有多種，相應的也有多種硬 度指標。 材料的力學性能1.7硬度 1.布氏硬度 HB 1）試驗原理 以壓力F 將直徑為D的 球形壓頭壓入材料表面， 形成直徑為d的壓痕，以 壓痕單位面積上承受的壓 力大小來衡量材料的硬度。 F 材料的力學性能1.7硬度 kgf/mm2

7、 式中 F 試驗壓力，kgf ； S 壓痕面積， mm2 ； D 壓頭直徑，mm ； d 壓痕直徑，mm 。 )( 22 dDDD 2F S F HB 2 dDDD S 22 )( 材料的力學性能1.7硬度 2）標注示例 120HBS 10/1000/30 500HBW 5/750 3）特點和應用范圍 （1）試驗結果較準確，數(shù)據(jù)的重復性較好； （2）操作較繁瑣； （3）試驗壓力較大，壓痕大，可能損壞薄壁零 件; （4）適合于測試厚度較大的原材料、毛坯。 材料的力學性能1.7硬度 2. 洛氏硬度 HR 1）試驗原理 用一定的 壓力將壓頭壓入材料 表面，以壓痕深度來 衡量材料的硬度。 洛氏硬度計的

8、指示 表直接顯示出硬度值。 壓痕越淺，硬度值越 大，表明材料硬度越 高。 試驗原理示意圖 洛氏硬度計 材料的力學性能1.7硬度 2）幾種常用的洛氏硬度標尺 標尺 標注 符號 壓頭 類型 試驗壓力 數(shù)值 有效范圍 適用對象 AHRA 金剛石 圓錐 60 kgf (588.4 N) 20-88HRA 很硬的材料，如鋼的 表面硬化層、硬質合金等。 BHRB 鋼球 100 kgf （980.7 N) 20-100HRB 較軟的材料，如退火 的鋼、銅合金、鋁合金等。 CHRC 金剛石 圓錐 150 kgf (1471 N) 20-70HRC 較硬的材料，如淬火 的鋼件 材料的力學性能1.7硬度 3）洛氏

9、硬度的特點 （1）測試操作簡便，效率高； （2）適應的材料種類較多； （3）壓痕小，對零件損傷?。?（4）測試準確度和數(shù)據(jù)重復性稍差； （5）HRA、HRB、HRC測試值不能直接對比。 例如:不能認為60HRB代表的硬度高于 40HRC。 材料的力學性能1.7硬度 3.其它硬度 維氏硬度、肖氏硬度，等等。 4.硬度試驗的應用 1）對于有耐磨性要求的零件，其硬度是主要的 質量指標。 2）多數(shù)金屬材料的硬度與強度有一定正比關系。 在實際工作中，常常通過測試零件的硬度來 換算出強度，既簡便，成本又低。 材料的力學性能1.7硬度 黑色金屬硬度及強度換算表 鋼的HBS與b的換算關系： b 0.36 HB

10、S 材料的力學性能1.8 沖擊韌性 1.8 沖擊韌性 ak 有些零件在工作時會受沖擊載荷。如沖壓 模、鏨子、飛機起落架等。 材料的強度、塑性等在靜載荷下測定的力 學性能指標，不能體現(xiàn)材料的抗沖擊性能。 沖擊韌性 ak材料受沖擊載荷時，抵抗 斷裂的能力。 材料的力學性能1.8 沖擊韌性 沖擊韌性試樣 沖擊試驗示意圖沖擊試驗機 材料的力學性能1.8 沖擊韌性 材料的力學性能1.8 沖擊韌性 沖擊韌性ak在數(shù)值上等于沖斷試樣消耗的 能量AK 與試樣缺口處橫截面積S之比： J/cm2 沖擊韌性高的材料，使用安全性好。 S A a k k 材料的力學性能1.8 沖擊韌性 材料脆斷引發(fā)的事故 材料的力學性

11、能1.9 疲勞強度 1.9 疲勞強度 1.9.1 材料的疲勞現(xiàn)象 疲勞零件（材料）在交變載荷長時間作用下， 產(chǎn)生裂紋并逐漸擴展，最終導致突然斷裂的現(xiàn)象。 在裂紋萌生和擴展的較長一段時間中，是不易被 發(fā)現(xiàn)的，而最終的斷裂是在瞬間發(fā)生的。因此，疲 勞現(xiàn)象對于運行中的機器，尤其對飛行中的飛機， 是危害性極大的事故隱患。 據(jù)統(tǒng)計，機器零件的斷裂有80%是疲勞引起的。 材料的力學性能1.9 疲勞強度 1.9.2 疲勞強度 疲勞強度-1材料在受交變載荷時，抵 抗疲勞破壞的能力。 鋼的疲勞強度與抗拉強度有一定的比例關系： -1 0.4b 材料的力學性能1.9 疲勞強度 1.9.3 提高零件抗疲勞性的措施 疲勞裂紋通常在