第一章 材料力學性能

1、金屬材料的性能金屬材料的性能 工藝性能工藝性能使用性能使用性能物理性能物理性能化學性能化學性能力學性能力學性能鑄造性能鑄造性能鍛造性能鍛造性能切削加工性能切削加工性能焊接性能焊接性能熱處理性能熱處理性能彈性彈性塑性塑性強度強度硬度硬度韌性韌性疲勞疲勞斷裂斷裂 靜態(tài)拉伸實驗靜態(tài)拉伸實驗42013-2014學年第1學期材料力學性能1. 試樣制備中華人民共和國國標GB/T228-2002金屬材料室溫拉伸實驗方法1.1 實驗方法5工作部分過渡部分夾持部分試樣表面光潔2014-2015學年第1學期材料力學性能62014-2015學年第1學期材料力學性能72014-2015學年第1學期材料力學性能82.

2、試驗設(shè)備2014-2015學年第1學期材料力學性能低碳鋼的應(yīng)力低碳鋼的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線拉伸試樣拉伸試樣拉伸試驗機拉伸試驗機應(yīng)力應(yīng)力 = F/A0應(yīng)變應(yīng)變 = (l-l0)/l0 s e s bbO 塑性變形彈性變形e1.1.彈性與剛度彈性與剛度 e e點對應(yīng)的應(yīng)力點對應(yīng)的應(yīng)力e e。應(yīng)力。應(yīng)力低于低于e e點時，產(chǎn)生彈性變形，超過點時，產(chǎn)生彈性變形，超過e e點時，產(chǎn)點時，產(chǎn)生塑性變形。生塑性變形。 彈性極限彈性極限比例極限比例極限 p p點對應(yīng)的應(yīng)力點對應(yīng)的應(yīng)力p p。OeOe線上線上OpOp部分為一條斜直線，應(yīng)力與應(yīng)變始終部分為一條斜直線，應(yīng)力與應(yīng)變始終成比例。成比例。 材料在彈

3、性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的比值材料在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的比值/（MpMp）稱）稱為彈性模數(shù)為彈性模數(shù)E E，表示材料抵抗彈性變形的能力，用來表示材料的剛度表示材料抵抗彈性變形的能力，用來表示材料的剛度。E E值值主要取決于各種材料的本性，而工藝參數(shù)對它的影響很小。主要取決于各種材料的本性，而工藝參數(shù)對它的影響很小。 彈性模數(shù)彈性模數(shù) e2.2.強度與塑性強度與塑性強度強度指材料在外力作用下抵抗永久變形和破壞的能力指材料在外力作用下抵抗永久變形和破壞的能力，最常，最常用的是拉伸實驗測得的抗拉強度用的是拉伸實驗測得的抗拉強度b bF Fb b/A/A 0.2塑性變形O0.2sesep bbpOb屈

4、服強度屈服強度 s：材料發(fā)材料發(fā)生微量塑性變形時的生微量塑性變形時的應(yīng)力值。應(yīng)力值。條件屈服強度條件屈服強度 0.2：殘余變形量為殘余變形量為0.2%0.2%時的應(yīng)力值。時的應(yīng)力值?？估瓘姸瓤估瓘姸?b：材料材料斷裂前所承受的最大斷裂前所承受的最大應(yīng)力應(yīng)力值值.指材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力指材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力 塑性塑性斷后伸長率斷后伸長率 %100%1000001lllll斷面收縮率斷面收縮率 %100%100010AAAAA斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象說明：說明： 用面縮率表示塑性比伸長率更接近真實用面縮率表示塑性比伸長率更接近真實變形。

5、變形。 直徑直徑d0 相同時，相同時，l0 ， 。只有當。只有當l0/d0 為為常數(shù)時，塑性值才有可比性。常數(shù)時，塑性值才有可比性。當當l0=10d0 時，伸長率用時，伸長率用 10 表示；表示；當當l0=5d0 時，伸長率用時，伸長率用 5 表示。顯然表示。顯然 5 10 時，無頸縮，為脆性材料表征時，無頸縮，為脆性材料表征 時，有頸縮，為塑性材料表征時，有頸縮，為塑性材料表征3.3.硬度硬度 材料對局部塑性變形、壓痕或劃痕的抗力材料對局部塑性變形、壓痕或劃痕的抗力。是表現(xiàn)材料軟硬程度的一種性能。金屬硬度試驗也是應(yīng)用最廣泛是表現(xiàn)材料軟硬程度的一種性能。金屬硬度試驗也是應(yīng)用最廣泛的力學性能試驗

6、方法。的力學性能試驗方法。僅在金屬表面產(chǎn)生很小壓痕，可在成品上試驗不需專門加工試樣僅在金屬表面產(chǎn)生很小壓痕，可在成品上試驗不需專門加工試樣易于檢查金屬表面層的質(zhì)量（如脫碳、表面淬火和化學熱處理后的表面性能）易于檢查金屬表面層的質(zhì)量（如脫碳、表面淬火和化學熱處理后的表面性能） 設(shè)備簡單，操作方便迅速設(shè)備簡單，操作方便迅速。 測量方法測量方法布氏硬度布氏硬度HBHB洛氏硬度洛氏硬度HRHR維氏硬度維氏硬度HVHV彈性回跳法彈性回跳法肖氏硬度肖氏硬度壓入法壓入法劃痕法劃痕法莫氏硬度莫氏硬度（1 1）布氏硬度（）布氏硬度（HBHB）D=10、5、2.5的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓入試

7、樣表面壓入試樣表面 保持一定時間后卸除試驗力保持一定時間后卸除試驗力 測量壓痕平均直徑，求出球形面積測量壓痕平均直徑，求出球形面積 用試驗力除以球冠面積用試驗力除以球冠面積 )(2102. 022dDDDPHB 布氏硬度計布氏硬度計符號符號HBS或或HBW之前的數(shù)字表示硬之前的數(shù)字表示硬度值度值, 符號后面的數(shù)字按順序分別表符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑示球體直徑、載荷及載荷保持時載荷及載荷保持時間。如間。如 120HBS10/1000/30 表表示直徑為示直徑為10mm的鋼球在的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作）載荷作用下保持用下保持30s測得的布氏硬度值為測得的布氏硬度值

8、為120。布氏硬度壓痕布氏硬度壓痕壓頭為鋼球時壓頭為鋼球時，布氏硬度用符號，布氏硬度用符號HBS表示，適用表示，適用于布氏硬度值在于布氏硬度值在450450以下的材料。以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金球時壓頭為硬質(zhì)合金球時，用符號，用符號HBW表示，適用表示，適用于布氏硬度在于布氏硬度在650650以下的材料。以下的材料。布氏硬度的特點：布氏硬度的特點： 壓痕面積大，其硬度值能反映金屬在較大范圍內(nèi)各組成相的平均性能，壓痕面積大，其硬度值能反映金屬在較大范圍內(nèi)各組成相的平均性能，而不受個別組成相及微小不均勻性的影響，測量誤差小，試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，而不受個別組成相及微小不均勻性的影響，測量誤差小，試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)

9、定，重復性強；重復性強；壓痕大，不能用于小件、成品件及比壓頭還硬的材料。壓痕大，不能用于小件、成品件及比壓頭還硬的材料。布氏硬度的應(yīng)用：布氏硬度的應(yīng)用： 適于測量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼、有色金屬適于測量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼、有色金屬、鑄鐵和鑄鐵和軸承合金等具有軸承合金等具有粗大晶?；蚪M成相的金屬材料的硬度。粗大晶?；蚪M成相的金屬材料的硬度。 （2 2）洛氏硬度（）洛氏硬度（HRHR）F1F0h0表盤表盤主試驗力主試驗力預試驗力預試驗力壓頭壓頭試樣試樣F1F0h1F1F0h1200洛氏硬度（常數(shù)洛氏硬度（常數(shù)h）/ S=N-h/S 符號符號HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標尺。前面的數(shù)字為硬度值，

10、后面為使用的標尺。最常用的標尺有最常用的標尺有A,B,ClHRA用于測量高硬度材料用于測量高硬度材料, 如如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。lHRB用于測量低硬度材料用于測量低硬度材料, 如如有色金屬和退火有色金屬和退火、正火鋼等。正火鋼等。lHRC用于測量中等硬度材料，用于測量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。鋼球壓頭與鋼球壓頭與金剛石壓頭金剛石壓頭洛氏硬度壓痕洛氏硬度壓痕洛氏硬度的特點：洛氏硬度的特點：洛氏硬度的應(yīng)用：洛氏硬度的應(yīng)用： 操作簡便迅速，硬度值可直接讀出，壓痕較小，可在工件上進行試驗；操作簡便迅速，硬度值可直接讀出，壓痕較小，可在工件上進行

11、試驗；缺點是壓痕小，代表性差，所測硬度值重復性差，分散度大。缺點是壓痕小，代表性差，所測硬度值重復性差，分散度大。 廣泛用于熱處理質(zhì)量的檢驗廣泛用于熱處理質(zhì)量的檢驗 洛氏硬度計的壓頭有兩種，當測定硬度較高的材料時，選洛氏硬度計的壓頭有兩種，當測定硬度較高的材料時，選用用120120 的金剛石圓錐壓頭；測定硬度較低的材料時，選用淬的金剛石圓錐壓頭；測定硬度較低的材料時，選用淬火鋼壓頭火鋼壓頭。 （3 3）維氏硬度（）維氏硬度（HVHV） 測試原理與布氏相同，根據(jù)壓痕面積計算硬測試原理與布氏相同，根據(jù)壓痕面積計算硬度值。壓頭為兩對面夾角度值。壓頭為兩對面夾角為為136136o o的金剛石四棱的金剛

12、石四棱錐體，測定壓痕對角線長度進行查表。錐體，測定壓痕對角線長度進行查表。 維氏硬度維氏硬度維氏硬度計維氏硬度計維氏硬度試驗原理維氏硬度試驗原理維氏硬度壓痕維氏硬度壓痕 維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點，既可測量由極軟到極硬的材料的硬度，又能互相比較。既可測量大塊材料、表面硬化層的硬度，又可測量金相組織中不同相的硬度。但是，要測量對角線，工作效率低 。維氏硬度用符維氏硬度用符號號HV表示，符號前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示表示，符號前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。載荷值及載荷保持時間。d1d2TEM of Al85Ni10Ce5HVHV的特點及

13、應(yīng)用：的特點及應(yīng)用：4.4.韌性韌性（1 1）沖擊韌性）沖擊韌性（2 2）斷裂韌性）斷裂韌性（1 1）沖擊韌性）沖擊韌性材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力（材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力（a ak k）。 a a擺錘式一次沖擊實驗擺錘式一次沖擊實驗b. b.小能量多次沖擊實驗小能量多次沖擊實驗l指標為沖擊指標為沖擊韌性值韌性值ak(通通過沖擊實驗過沖擊實驗測得測得)。韌脆轉(zhuǎn)變溫度韌脆轉(zhuǎn)變溫度 材料的沖擊韌性隨溫材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。度下降而下降。在某在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象性值急劇下降的現(xiàn)象稱稱韌脆轉(zhuǎn)變韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱脆轉(zhuǎn)變的溫度

14、范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變韌脆轉(zhuǎn)變溫度。溫度。材料材料的使用溫度應(yīng)高于韌的使用溫度應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。脆轉(zhuǎn)變溫度。韌體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而大多數(shù)面心立變溫度，而大多數(shù)面心立方金屬沒有。方金屬沒有。TITANIC的沉沒的沉沒與船體材料的質(zhì)量與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)直接有關(guān)TITANICTitanic 號鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）號鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗結(jié)果的沖擊試驗結(jié)果Titanic近代船用鋼板近代船用鋼板（2 2）斷裂韌性）斷裂韌性材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴展的能力。材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴展的能力。裂紋尖端形成應(yīng)力分布特殊的應(yīng)力場。其強度可以用應(yīng)裂

15、紋尖端形成應(yīng)力分布特殊的應(yīng)力場。其強度可以用應(yīng)力場強度因子力場強度因子K K1 1來描述。來描述。K K1 1值的大小與裂紋尺寸（值的大小與裂紋尺寸（2a2a）和外）和外加應(yīng)力（加應(yīng)力（）有下式關(guān)系：）有下式關(guān)系：aYKI 由上式可見，隨著應(yīng)力由上式可見，隨著應(yīng)力的增大，的增大，K K1 1不斷增大，當不斷增大，當K K1 1增大增大到某一定值時，可使裂紋前沿某一區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力大到足以到某一定值時，可使裂紋前沿某一區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力大到足以使材料分離，從而導致裂紋突然失穩(wěn)擴展而發(fā)生斷裂。這使材料分離，從而導致裂紋突然失穩(wěn)擴展而發(fā)生斷裂。這個個K K1 1的臨界值，稱為材料的斷裂韌度，用的臨界值，稱為材

16、料的斷裂韌度，用K K1c1c表示。表示。 練習練習 在交變載荷作用下，材料常常在遠低于其屈服強度的應(yīng)力下在交變載荷作用下，材料常常在遠低于其屈服強度的應(yīng)力下發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為材料的疲勞。發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為材料的疲勞。 材料之所以產(chǎn)生疲勞斷裂，是由于材料表面或內(nèi)部有缺陷。材料之所以產(chǎn)生疲勞斷裂，是由于材料表面或內(nèi)部有缺陷。這些地方應(yīng)力大于屈服強度，從而產(chǎn)生局部塑性變形而開裂。這些地方應(yīng)力大于屈服強度，從而產(chǎn)生局部塑性變形而開裂。這些微裂紋隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴展，使承受載荷這些微裂紋隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴展，使承受載荷的截面面積減少，最終斷裂。的截面面積減少，最終斷裂。

17、 5.5.疲勞疲勞36測試方法采用升降法進行測試疲勞極限 從略高于材料的疲勞極限開始測試，如果在該應(yīng)力下，不到規(guī)定的循環(huán)周次（107）就發(fā)生斷裂，則降低應(yīng)力水平，相反就升高一個應(yīng)力水平。在斷裂的測試結(jié)果圖中，用表示，而未發(fā)生斷裂的測試結(jié)果用表示。按照上述方法，測得的有效數(shù)據(jù)為13個以上，并在3-5個應(yīng)力水平，實驗才結(jié)束。37 出現(xiàn)第一對相反數(shù)據(jù)前的數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)； 實驗前無法知道其疲勞極限，第一測試數(shù)據(jù)如果為一般材料取(0.45-0.5)b，高強度鋼為(0.3-0.4)b 。 每一個應(yīng)力水平相差預計的疲勞極限的3-5%。 在有效數(shù)據(jù)中，斷裂和未斷裂分別大約占50%左右。38 niiirrVmN

18、17110m有效實驗次數(shù)（包括斷裂和未斷試樣）iV實驗的應(yīng)力水平數(shù)ni該應(yīng)力水平的實驗次數(shù)應(yīng)力水平數(shù)值39（3） S-N曲線測定方法通常在4-5級的應(yīng)力水平下測試，每個應(yīng)力水平測試3-5個試樣的實驗數(shù)據(jù)，然后進行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理時，計算出中值疲勞壽命（存活率50%），最后對測試結(jié)果進行擬合，獲得S-N曲線。niiNnN150lg1lg 每一級應(yīng)力水平下的疲勞壽命采用如下公式計算：40 如果在某一應(yīng)力水平下的疲勞壽命大于規(guī)定的數(shù)值，例如107，則這一組疲勞壽命取排列后的中值（測量次數(shù)為奇數(shù)），或兩個中間數(shù)值的平均值（偶數(shù)）。41獲得的數(shù)據(jù)進行繪制時，有兩種方法：1）逐點描述；2）直線擬合。材料在低于材料在低于 s的重復交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。的重復交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時的最大應(yīng)力稱為疲勞極限。材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時的最大應(yīng)力稱為疲勞極限。用用 -1表示。鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為表示。鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107，有色金屬合金為，有色金屬合金為108通過改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進行表通過改善材料的形狀