第一章 金屬材料的力學(xué)性能

1、第一章第一章金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能金屬在外加載荷（包括靜載荷、沖擊載荷、金屬在外加載荷（包括靜載荷、沖擊載荷、交變載荷）作用下表現(xiàn)出來(lái)的特性。交變載荷）作用下表現(xiàn)出來(lái)的特性。強(qiáng)度強(qiáng)度塑性塑性硬度硬度沖擊韌性沖擊韌性疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度材料的性能材料的性能第一節(jié)第一節(jié) 剛度、強(qiáng)度、塑性剛度、強(qiáng)度、塑性1 1、拉伸試樣、拉伸試樣 試驗(yàn)前在試棒上打出試驗(yàn)前在試棒上打出標(biāo)距標(biāo)距按國(guó)標(biāo)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣可分為：按國(guó)標(biāo)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣可分為：) ) 板形試樣：原材料為板材或帶材板形試樣：原材料為板材或帶材) ) 圓形試樣圓形試樣：長(zhǎng)試樣：長(zhǎng)試樣L L0 010d10d0 0， 短試樣短試樣L L0

2、 0=5d=5d0 0 其中：其中：L L0 0為試樣標(biāo)距，為試樣標(biāo)距，d d0 0為試樣直徑為試樣直徑一、拉伸試驗(yàn)與拉伸曲線一、拉伸試驗(yàn)與拉伸曲線剛度、強(qiáng)度和塑性是根據(jù)剛度、強(qiáng)度和塑性是根據(jù)拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)測(cè)定出來(lái)的。測(cè)定出來(lái)的。2 2、拉伸過(guò)程、拉伸過(guò)程將試樣裝在拉伸試驗(yàn)機(jī)夾將試樣裝在拉伸試驗(yàn)機(jī)夾頭上，緩慢加載，通過(guò)自頭上，緩慢加載，通過(guò)自動(dòng)記錄裝置得到試樣所受動(dòng)記錄裝置得到試樣所受載荷載荷F F和伸長(zhǎng)量和伸長(zhǎng)量L L的關(guān)系的關(guān)系曲線稱為拉伸曲線。曲線稱為拉伸曲線。拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象3、拉伸曲線、拉伸曲線4、應(yīng)力與應(yīng)變曲線、應(yīng)力與應(yīng)變曲線(3)應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線（

3、-曲線曲線）： 形狀和拉伸曲線相同，單位不同。(1)應(yīng)力應(yīng)力 ：?jiǎn)挝幻娣e上試樣承受的載荷。單位面積上試樣承受的載荷。F=S0(Mpa)F:載荷載荷(N)S0:原始橫截面積原始橫截面積(mm2)(2)應(yīng)變應(yīng)變：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量。單位長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量。l=l 0l：伸長(zhǎng)量伸長(zhǎng)量(mm)l 0：原始長(zhǎng)度：原始長(zhǎng)度(mm)5、不同材料的拉伸曲線、不同材料的拉伸曲線45鋼鋁青銅35鋼硬鋁純銅二、通過(guò)二、通過(guò)拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)測(cè)得的性能指標(biāo)測(cè)得的性能指標(biāo)剛度剛度、強(qiáng)度強(qiáng)度屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度塑性塑性伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率斷面收縮率斷面收縮率1 1）剛度）剛度 表征金屬材料抵抗彈性變形的能力。表征金屬材料抵抗彈

4、性變形的能力。 彈性模量彈性模量E E（GPaGPa） ：表示引起單位：表示引起單位變形時(shí)所需要的應(yīng)力。即材料的變形時(shí)所需要的應(yīng)力。即材料的E E越越大，產(chǎn)生的彈性變形越小，剛度越大。大，產(chǎn)生的彈性變形越小，剛度越大。 E E值主要取決于材料的本性。值主要取決于材料的本性。 碳鋼為碳鋼為210 210 GPaGPa ，鋁合金為，鋁合金為70 70 GPa GPa = E = E e e通過(guò)改變橫截面積來(lái)提高材料的剛度通過(guò)改變橫截面積來(lái)提高材料的剛度2 2）、強(qiáng)度）、強(qiáng)度材料在外力作用下，抵抗塑性變形和斷裂的抗力。材料在外力作用下，抵抗塑性變形和斷裂的抗力。 有屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度之分。有屈服強(qiáng)度

5、和抗拉強(qiáng)度之分。 螺栓的變形螺栓的變形與折斷與折斷齒輪輪齒的齒輪輪齒的折斷折斷okb Fss l () F() Fbe Fe 低碳鋼的力低碳鋼的力-伸長(zhǎng)曲線伸長(zhǎng)曲線a a. .屈服點(diǎn)、屈服強(qiáng)度：表征金屬材料對(duì)產(chǎn)生明顯屈服點(diǎn)、屈服強(qiáng)度：表征金屬材料對(duì)產(chǎn)生明顯 塑性變形的抗力。塑性變形的抗力。okb Fss l () F() Fbe Fe 低碳鋼的力低碳鋼的力-伸長(zhǎng)曲線伸長(zhǎng)曲線屈服點(diǎn)：屈服點(diǎn)：在在S S點(diǎn)附近，曲線點(diǎn)附近，曲線較為平坦，不需要進(jìn)一步的較為平坦，不需要進(jìn)一步的增大外力，便可以產(chǎn)生明顯增大外力，便可以產(chǎn)生明顯的塑性變形，該現(xiàn)象稱為材的塑性變形，該現(xiàn)象稱為材料的屈服現(xiàn)象；料的屈服現(xiàn)象；S

6、 S稱為稱為屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度。0ssAF * *屈服點(diǎn)一般作為低碳鋼、中碳鋼、退火鋼等較屈服點(diǎn)一般作為低碳鋼、中碳鋼、退火鋼等較軟的材料的強(qiáng)度指標(biāo)，用以表明這類(lèi)材料抗永久變軟的材料的強(qiáng)度指標(biāo)，用以表明這類(lèi)材料抗永久變形的能力，它是設(shè)計(jì)和選材的重要依據(jù)之一。形的能力，它是設(shè)計(jì)和選材的重要依據(jù)之一。 選用原則：若不允許發(fā)生過(guò)量的塑性變形，以選用原則：若不允許發(fā)生過(guò)量的塑性變形，以屈服屈服強(qiáng)度強(qiáng)度S S 、0.20.2為依據(jù)；若零件在使用時(shí)只要求不發(fā)為依據(jù)；若零件在使用時(shí)只要求不發(fā)生破壞，以生破壞，以抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度來(lái)設(shè)計(jì)。來(lái)設(shè)計(jì)。u某些較硬的材料，如鑄鐵、高碳鋼某些較硬的材料，如鑄鐵、高碳鋼以及合

7、金沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象。通常以及合金沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象。通常規(guī)定，試棒產(chǎn)生規(guī)定，試棒產(chǎn)生0.2%0.2%的塑性變形時(shí)的的塑性變形時(shí)的應(yīng)力值作為這類(lèi)材料的條件屈服點(diǎn)，應(yīng)力值作為這類(lèi)材料的條件屈服點(diǎn)，記為記為 。2 . 0 F lob.b.抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度0bbAF 指材料在斷裂前所能承指材料在斷裂前所能承受的最大拉應(yīng)力，記為受的最大拉應(yīng)力，記為 。b FoesbeFsFbFl 3 3、塑性、塑性材料在外力作用下產(chǎn)生不可逆永久變形（塑性材料在外力作用下產(chǎn)生不可逆永久變形（塑性變形）而不斷裂的能力。變形）而不斷裂的能力。1 1）伸長(zhǎng)率）伸長(zhǎng)率2 2）斷面收縮率）斷面收縮率%100lll001 %100

8、AAA010 注意：注意：長(zhǎng)試樣長(zhǎng)試樣(l(l0 0=10d=10d0 0) )的伸長(zhǎng)率寫(xiě)成的伸長(zhǎng)率寫(xiě)成或或1010。短試樣短試樣( l( l0 0 =5d =5d0 0) )的伸長(zhǎng)率須寫(xiě)成的伸長(zhǎng)率須寫(xiě)成5 5。同一種材料同一種材料5 5，不同材料，不同材料值和值和5 5值不能直接比。值不能直接比。5%5%的材料稱為塑性材料，的材料稱為塑性材料，5%5%的材料稱為脆性材料。的材料稱為脆性材料。鑄鐵是典型的脆性材料，低碳鋼是塑性最好的材料。鑄鐵是典型的脆性材料，低碳鋼是塑性最好的材料。材料在材料在沖擊載荷沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。作用下抵抗破壞的能力。通常用沖擊韌性指標(biāo)通常用沖擊韌性指標(biāo)a

9、aK K來(lái)度量。來(lái)度量。第二節(jié)第二節(jié) 沖擊韌性沖擊韌性沖擊試驗(yàn)示意沖擊試驗(yàn)示意 A A kU kU = m g= m g（h h h h） (J) (J)v沖擊韌度指標(biāo)沖擊韌度指標(biāo)就是試樣缺口處單位截面積上所消就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。耗的沖擊功。試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊吸收功試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊吸收功A A kUkU為為: :v沖擊吸收功的大小與試沖擊吸收功的大小與試驗(yàn)的溫度有關(guān)。材料的驗(yàn)的溫度有關(guān)。材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，說(shuō)韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，說(shuō)明低溫沖擊性能越好。明低溫沖擊性能越好。v沖擊吸收功的大小并不能真正反映材料的韌脆程沖擊吸收功的大小并不能真正反映材料的韌脆程度，因

10、為其中有一部分功損失。度，因?yàn)槠渲杏幸徊糠止p失。 )cm/J(SA20kuk a a沖擊韌度指標(biāo)：沖擊韌度指標(biāo)：TITANIC建造中的建造中的Titanic 號(hào)號(hào)TITANIC的沉沒(méi)的沉沒(méi)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)Titanic 號(hào)鋼板號(hào)鋼板（左圖）（左圖）和和近代船用鋼近代船用鋼板（右圖）板（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果的沖擊試驗(yàn)結(jié)果Titanic近代船用鋼板近代船用鋼板第三節(jié)第三節(jié) 疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度1 1、疲勞斷裂、疲勞斷裂原因：原因：疲勞裂紋產(chǎn)生疲勞裂紋產(chǎn)生 擴(kuò)展擴(kuò)展 瞬時(shí)斷裂的。瞬時(shí)斷裂的。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：斷裂前無(wú)明顯的斷裂前無(wú)明顯的塑性變形，斷裂突塑性變形，斷裂突然發(fā)生

11、；然發(fā)生；斷裂時(shí)應(yīng)力很低，斷裂時(shí)應(yīng)力很低，大多低于大多低于ss。2 2、疲勞強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度: :材料經(jīng)無(wú)數(shù)次交變載荷作用而不斷材料經(jīng)無(wú)數(shù)次交變載荷作用而不斷裂的最大應(yīng)力值，用裂的最大應(yīng)力值，用-1-1表示，單位為表示，單位為MPa.MPa.3 3、提高疲勞強(qiáng)度的途徑、提高疲勞強(qiáng)度的途徑: :1 1）在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中盡量避免尖角，缺口和截面）在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中盡量避免尖角，缺口和截面 突變，以免產(chǎn)生應(yīng)力集中而由此產(chǎn)生疲勞裂紋；突變，以免產(chǎn)生應(yīng)力集中而由此產(chǎn)生疲勞裂紋；2) 2) 提高零件表面加工質(zhì)量，減少疲勞源；提高零件表面加工質(zhì)量，減少疲勞源；3) 3) 采用各種表面強(qiáng)化處理，如表面淬火、噴丸等

12、。采用各種表面強(qiáng)化處理，如表面淬火、噴丸等。材料經(jīng)過(guò)無(wú)限次應(yīng)材料經(jīng)過(guò)無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)不發(fā)生斷裂的最力循環(huán)不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。對(duì)應(yīng)于疲勞曲大應(yīng)力。對(duì)應(yīng)于疲勞曲線上水平部分的應(yīng)力值線上水平部分的應(yīng)力值-1 。(1)(1)布氏硬度布氏硬度 HBHB 用載荷用載荷P P，將直徑為將直徑為D D的球體的球體壓入被測(cè)材料的表面，保持一壓入被測(cè)材料的表面，保持一定時(shí)間后卸去載荷，根據(jù)壓痕定時(shí)間后卸去載荷，根據(jù)壓痕面積面積S S確定硬度大小。確定硬度大小。1.1.測(cè)量原理測(cè)量原理第四節(jié)第四節(jié) 硬硬 度度硬度硬度: :是指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力。是指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力。 常用壓入法；

13、常用壓入法； 三種：布氏、洛氏、維氏硬度三種：布氏、洛氏、維氏硬度齒輪因硬度不足而磨損齒輪因硬度不足而磨損2.2.測(cè)量過(guò)程測(cè)量過(guò)程 3.3.測(cè)定條件測(cè)定條件 壓頭為淬火鋼球時(shí)壓頭為淬火鋼球時(shí), , 以以HBSHBS表示表示, ,可測(cè)可測(cè) 450 450的材料；的材料；壓頭為硬質(zhì)合金時(shí)壓頭為硬質(zhì)合金時(shí), , 以以HBWHBW表示表示, ,可測(cè)可測(cè)650650的材料。的材料。壓頭直徑有壓頭直徑有1010、5 5、2.52.5、2 2、1 1mmmm五種。五種。4.4.表示方法表示方法 符號(hào)符號(hào)HBSHBS或或HBWHBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號(hào)后面的數(shù)之前的數(shù)字表示硬度值，符號(hào)后面的數(shù)字按順序分

14、別表示球體直徑字按順序分別表示球體直徑mmmm、載荷載荷Kgf Kgf （N N）及載）及載荷保持時(shí)間荷保持時(shí)間S S。 如如:120:120HBS10/1000/30HBS10/1000/30表示直徑為表示直徑為1010mmmm的鋼球在的鋼球在10001000kgfkgf（9.807kN9.807kN）載荷作用下保持載荷作用下保持3030s s測(cè)得的布氏測(cè)得的布氏硬度值為硬度值為120120。可直接寫(xiě)成?？芍苯訉?xiě)成120HBS120HBS。布氏硬度壓痕面積大，測(cè)量準(zhǔn)確，又因壓痕大，布氏硬度壓痕面積大，測(cè)量準(zhǔn)確，又因壓痕大，不宜測(cè)試薄件或成品件，主要測(cè)試鑄鐵、碳鋼及不宜測(cè)試薄件或成品件，主要測(cè)

15、試鑄鐵、碳鋼及退火、正火、和調(diào)質(zhì)處理的鋼材的硬度。退火、正火、和調(diào)質(zhì)處理的鋼材的硬度。測(cè)量不同材料需更換壓頭及改變?cè)囼?yàn)力。測(cè)量不同材料需更換壓頭及改變?cè)囼?yàn)力。另外：材料的另外：材料的 b b與與HBHB之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系： 對(duì)于低碳鋼對(duì)于低碳鋼: : b b(MPa)(MPa)3.6HB3.6HB 對(duì)于高碳鋼：對(duì)于高碳鋼： b b(MPa)(MPa)3.4HB3.4HB 對(duì)于灰鑄鐵：對(duì)于灰鑄鐵： b b(MPa)(MPa)1HB1HB 或或 b b(MPa)(MPa) 0.6(HB-40) 0.6(HB-40)(2)(2)洛氏硬度洛氏硬度 HR HR 002. 0hKHR 金剛石壓

16、頭(k=0.2)淬火鋼壓頭(k=0.26)分類(lèi)：分類(lèi)：根據(jù)壓頭的材料及壓頭所加的負(fù)荷不同根據(jù)壓頭的材料及壓頭所加的負(fù)荷不同又可分為又可分為HRAHRA、HRBHRB、HRCHRC三種三種: :特點(diǎn)：特點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，可直接讀出硬度值，壓痕小，操作簡(jiǎn)便，可直接讀出硬度值，壓痕小，可用于成品件的測(cè)量，但測(cè)值重復(fù)性差?？捎糜诔善芳臏y(cè)量，但測(cè)值重復(fù)性差。HRCHRC測(cè)定淬火鋼的硬度測(cè)定淬火鋼的硬度, ,應(yīng)用最廣。應(yīng)用最廣。表示方法：表示方法：5555HRCHRC表示表示C C標(biāo)度測(cè)定的洛氏硬度值標(biāo)度測(cè)定的洛氏硬度值為為5555，無(wú)單位。，無(wú)單位。 (3)維氏硬度維氏硬度HV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，維氏