第一章 金屬材料的機械(力學)(2)新

包括兩方面材料使用性能材料工藝性能力學性能（強度、塑性、韌性等）物理性能（光、熱、電、磁等）化學性能（氧化、腐蝕等）生物性能（相容性、自恢復性等）加工性能（切削、鍛造等）鑄造性能（適合鑄造與否）焊接性能（容易焊接與否）熱處理性能（可熱處理強化）機械工程材料的常用性能第一章金屬材料的機械（力學）性能材料的性能包括:

●

使用性能(力學性能、物理、化學性能)

●

工藝性能(鑄造性、可鍛性、切削加工性)力學性能

(機械性能)_____材料在載荷(外力或能量)以及環(huán)境因素作用下表現(xiàn)出的變形和破斷的特性。

材料受外力作用時，將會產(chǎn)生變形和破壞。其過程一般是：彈性變形－塑性變形－斷裂。彈性變形是外力去除后能夠自行恢復的變形。塑性變形是外力去除后不能完全自動恢復而保留下來的變形，又稱永久變形。§1-1

靜載時材料的機械性能一、靜拉伸試驗——各種性能指標含義、單位、及影響因素。1.應力-應變曲線（分為四階段）：

●彈性變形

●屈服變形●

均勻塑性變形階段

●局部集中塑性變形——頸縮拉伸試樣拉伸試驗機*拉伸試樣：長試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0d0L0拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象力—伸長曲線FesbkLFsFbO屈服彈性變形縮頸斷裂塑性變形拉伸圖bse彈性變形彈性變形、塑性變形非線性彈性變形2.強度

——材料抵抗變形、斷裂的能力，單位MN/m2

(MPa

）●屈服強度σs

——材料開始明顯塑性變形的抗力,

是設計和選材的主要依據(jù)之一。

▲σs

=Fs/Ao

▲工業(yè)上的屈服強度規(guī)定產(chǎn)生0.2%變形時應力值為屈服強度.即:σs

=

σ0.2

●抗拉強度σb

(質(zhì)量控制指標)————抗拉強度是指試樣拉斷前所承受的最大拉應力，用符號σb表示。是零件設計的重要依據(jù),也是評定金屬材料質(zhì)量的重要指標。

▲σb

=Fb/Ao

▲鑄鐵、陶瓷、復合材料等脆性材料

σb

=σs

▲中、高碳鋼等無明顯屈服現(xiàn)象.●比強度σb/d——玻璃鋼d=2.0,σb=1060MN/m2，為鋁的三倍。

3.

塑性δ、ψ

——塑性是材料在靜載荷作用下產(chǎn)生變形而不破壞的能力。

評定材料塑性的指標是斷后伸長率和斷面收縮率。

塑性直接影響到零件的成形及使用。塑性好的材料，不僅能順利地進行軋制、鍛壓等成形工藝，而且在使用中萬一超截，由于變形而能避免突然斷裂。所以大多數(shù)機械零件除要求具有較高的強度外，還必須有一定的塑性。一般情況，伸長率達5％或斷面收縮率達10％的材料，即可滿足大多數(shù)零件的使用要求?！?/p>

δ、ψ是表示材料塑性好壞的指標。▲塑性好的材料易加工、使用時不易突然斷裂。(1)斷面收縮率(percentagereductioninarea):

是指試樣拉斷處橫截面積A1

的收縮量與原始橫截面積A0之比。

A0–A1

ψ=×100%A0(2)伸長率(延伸率)specificelongation:

是指試樣拉斷后的標距伸長量Lk與原始標距L0之比。

Lk–L0δ=×100%L0

δ<2~5%屬脆性材科δ≈5~10%屬韌性材料δ>10%屬塑性材料二.硬度(hardness):是指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力。

布氏硬度HB洛氏硬度HR維氏硬度HV肖氏硬度HS銼刀法常用測量硬度的方法硬度

——硬度是指材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力，是衡量材料軟硬的判據(jù)，是一個綜合的物理量。是工業(yè)上質(zhì)量檢驗、工藝設計最常用的試驗方法。材料的硬度越高，耐磨性越好，故常將硬度值作為衡量材料耐磨性的重要指標之一。抵抗外物壓入的能力。

●硬度的應用：▲檢驗產(chǎn)品質(zhì)量▲衡量刀具、軸承等軟硬程度和耐磨性▲可換算為強度極限

1．布氏硬度

——用直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球，以相應的試驗力F壓入試樣表面，保持規(guī)定的時間后卸除試驗力，在試樣表面留下球形壓痕，如左圖所示。布氏硬度值用球面壓痕單位面積上所承受的平均壓力表示。用淬火鋼球作壓頭時，布氏硬度用符號“HBS”表示;用硬質(zhì)合金球作壓頭，布氏硬度用符號“HBW”表示。布氏硬度適用于未淬火的鋼、鑄鐵、有色金屬或軟質(zhì)的軸承合金。

壓頭：淬火鋼球HBS硬質(zhì)合金鋼球HBW布氏硬度計

●HB=F/S（MPa或kgf/mm2），F(xiàn)——施加的載荷

S——壓頭表面積

●

特點：

▲平均、重復性好；▲壓痕面積大，不適合于成品檢驗；▲HBS--鋼球壓頭（＜450）；

HBW--硬質(zhì)合金鋼球壓頭（＞450）●

表示方法：符號HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。如:120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。2洛氏硬度HR(Rockwllhardness)h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計10HRC≈HBS洛氏硬度

——洛氏硬度是以頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑為Φ1.588㎜的淬火鋼球作壓頭，以規(guī)定的試驗力使其壓入試樣表面。試驗時，先加初試驗力，然后加主試驗力。壓入試樣表面之后卸除主試驗力，在保留初試驗力的情況下，根據(jù)試樣表面壓痕深度，確定被測金屬材料的洛氏硬度值。

優(yōu)點：操作簡便、可直接讀數(shù)。壓痕小；適于各種硬度值的測量；是目前工廠應用最為廣泛的試驗方法。缺點：重復率低●HR

（120金剛石圓錐體壓頭或Φ1.588mm的鋼球）▲HRB（鋼球壓頭，100kg載荷）——測量未淬火鋼，有色金屬?！鳫RC（圓錐壓頭，150kg載荷）——測量調(diào)質(zhì)鋼、淬硬鋼制品。

▲HRA（圓錐壓頭，60kg載荷）

——測量硬、薄試件、硬質(zhì)合金。

●表面洛氏硬度（HR15NHR30NHR45N）鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕3維氏硬度HV

(diamondpenetratorhardness)適用范圍:

測量薄板類;

HV≈HBS;用壓痕兩對角線的平均長度來計算。HV=F/Saad維氏硬度（HV）

——金剛石正四棱錐壓頭，精確，但操作復雜，用于科學試驗。

●壓力可選5～120kg間的特定值；適于各種硬度值的測量；壓痕小，可測表面硬化層、薄片零件。工件4.肖氏硬度HS(drophardness)254mm2.5gh5．顯微硬度（HM）壓力小于10kg的HV，可測組成相的硬度。小負荷維氏硬度計顯微維氏硬度計6.銼刀法:一組硬度差為5HRC的銼刀。例如:10HRC、15HRC、20HRC等。HRA、HRB、HRC分別測得的硬度，不可直接比較大小例如：50HRC<70HRA〤50HRB>40HRC〤硬度之間互換的關(guān)系：

200~600HBS時：

10HRc~HBS硬度小于450HBS時：

HBS~HV§1-2

動載時材料的機械性能

一、沖擊韌性（impacttoughness）

——材料抵抗沖擊載荷的能力

●aku=沖擊破壞所消耗的功Ak/試樣斷口截面積F(J/cm2

或MJ/m2)

▲Ak——變形功及斷裂功（J）

●影響因素：材料、T、試樣大小、缺口形狀等。

●

應用——汽車緊急制動；蒸汽錘；沖床等動載荷。

●脆性材料——斷裂前無明顯變形，斷口呈結(jié)晶狀，有金屬光澤。

●

韌性材料

——

斷裂前明顯塑變，斷口呈灰色纖維狀，無光澤。

沖擊韌性(notchtoughness):材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。沖擊試驗機沖擊試樣和沖擊試驗示意圖試樣沖斷時所消耗的沖擊功Ak為:

Ak=mgH–mgh(J)

沖擊韌性值ak就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。

AK

ak

=(J/cm2)S0TITANIC建造中的Titanic號TITANIC的沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)Titanic號鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗結(jié)果Titanic近代船用鋼板二、疲勞強度(fatiguestrength):●疲勞：材料在交變應力作用下，在遠小于強度極限，甚至小于屈服極限的應力下發(fā)生斷裂。

▲

疲勞占失效零件的70%以上，80%的斷裂由疲勞造成。

●

疲勞極限：表示材料經(jīng)無數(shù)次交變載荷作用而不致引起斷裂的最大應力值。

▲對稱彎曲疲勞強度σ-1

●

疲勞原因

——劃痕、內(nèi)應力集中引起微裂紋展

●影響因素：循環(huán)應力特征、溫度、材料成分和組織、夾雜物、表面狀態(tài)、殘余應力等。

▲陶瓷、高分子材料的疲勞抗力很低；

▲金屬材料，纖維增強復合材料疲勞強度較高。鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取

N=107有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取

N=108鋼材的疲勞強度與抗拉強度之間的關(guān)系:

σ-1

=(0.45～0.55)σb疲勞斷口的特點疲勞源區(qū)和疲勞裂紋擴展區(qū)的微觀形貌一個疲勞源兩個疲勞源微裂紋疲勞條紋疲勞源區(qū)疲勞裂紋擴展區(qū)本節(jié)中所講的材料的力學性能指標及應用剛度：在設計中，考慮構(gòu)件在受力時發(fā)生的彈性變形量，需要用剛度。主要力學性能是材料的彈性模量。如鏜床的鏜桿、齒輪軸等彈性指標：彈性極限和彈性模量是設計彈性零件考慮的性能指標。如汽車板簧和各類彈簧等強度和塑性指標：屈服強度和塑性用于一般零件的抗斷裂設計。硬度：在耐磨零件中必須考慮的性能指標。如滾珠軸承、活塞環(huán)等.

§1-3

高溫下的機械性能

●

溫度升高→硬度、強度、彈性模量下降；塑性、韌性增加。

●

蠕變——常溫下工作的有機材料，隨時間的延長，應變量緩慢增加，甚至發(fā)生斷裂。

§1-4

斷裂韌性KIC

●

低應力脆斷——應力遠小于屈服強度時發(fā)生突然脆性斷裂

●

機理——微裂紋、缺陷、應力集中→裂紋擴展→

失穩(wěn)擴展。

●

斷裂韌性——裂紋失穩(wěn)擴展抗力

●

影響因素——成分、熱處理、加工工藝。

低應力脆斷：

有些零件在工作應力遠遠低于屈服點時就會發(fā)生脆性斷裂.這種現(xiàn)象稱為低應力脆斷。如1943.1.16日,美國T-2型油船停泊在裝貨碼頭時沿甲板擴展,斷成兩半,計算的甲板應力為7kg/mm2.破壞是突然發(fā)生的,當時海面平靜,天氣溫和,其計算的甲板應力只有7.0kg/mm2