第一章金屬材料的力學(xué)性能

應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域中的材料，如在機(jī)械工業(yè)中，建筑及橋梁中，等等，——統(tǒng)稱為工程材料。其中用來(lái)制造各種機(jī)電產(chǎn)品的材料，——稱為機(jī)械工程材料.主要包括：

1）金屬材料：鋼，鑄鐵，銅及銅合金，等等。

2）非金屬材料：塑料，橡膠，工業(yè)陶瓷，等等。

3）復(fù)合材料：由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料復(fù)合而成的多相材料。金屬材料是制造機(jī)器的最主要材料。

1、金屬材料按含金屬元素?cái)?shù)量的多少分為：

1）純金屬(一種金屬).2）合金（以一種金屬為基+其他金屬或非金屬）第一章金屬材料2、金屬材料按是否含F(xiàn)e元素分為：

1）黑色金屬：鐵族材料，指Fe及以Fe為基的合金。①鋼：碳鋼，合金鋼，特殊性能鋼等。②鑄鐵：灰鑄鐵，球墨鑄鐵，可鍛鑄鐵，蠕墨鑄鐵等。

2）有色金屬：非鐵族材料，指黑色金屬以外的所有金屬及合金。①銅及銅合金。②鋁及鋁合金，等等。

3）粉末金材料在機(jī)械制造中應(yīng)用的金屬以黑色金屬為主，占90%以上。那么，為什么金屬材料或者黑色金屬材料是用來(lái)制造機(jī)器的最主要材料？這是因?yàn)椋?/p>

其具有優(yōu)良的機(jī)械性能（力學(xué)性能）、工藝性能，并具較好的物理性能及化學(xué)穩(wěn)定性。那么，什么是金屬材料的機(jī)械性能（力學(xué)性能）？什么是金屬材料的工藝性能？什么是金屬材料的物理性能及化學(xué)性能？

第1節(jié)金屬材料的力學(xué)性能

力學(xué)性能：金屬在不同環(huán)境因素（溫度、介質(zhì)）下，承受外加載荷作用時(shí)所表現(xiàn)的行為。這種行為通常表現(xiàn)為金屬的變形和斷裂。因此，金屬材料的力學(xué)性能可以理解為金屬抵抗外加載荷引起的變形和斷裂的能力。

常見(jiàn)的力學(xué)性能有：強(qiáng)度、塑性、剛度、彈性、硬度、沖擊韌度、斷裂韌度和疲勞?！笆КF(xiàn)象”：如果金屬材料對(duì)變形和斷裂的抗力與服役條件不相適應(yīng)，就會(huì)使機(jī)件失去預(yù)定的效能而損壞。

常見(jiàn)的失效形式有斷裂、磨損、過(guò)量彈性變形和過(guò)量塑性變形。第一節(jié)剛度、強(qiáng)度、塑性1、拉伸試樣

試驗(yàn)前在試棒上打出標(biāo)距按國(guó)標(biāo)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣可分為：

１)板形試樣：原材料為板材或帶材

２)圓形試樣：長(zhǎng)試樣L0＝10d0，短試樣L0=5d0其中：L0為試樣標(biāo)距，d0為試樣直徑一、拉伸試驗(yàn)與拉伸曲線剛度、強(qiáng)度、彈性和塑性是根據(jù)拉伸試驗(yàn)測(cè)定出來(lái)的。2、拉伸過(guò)程

將試樣裝在拉力試驗(yàn)機(jī)夾頭上，緩慢加載，直到把試樣拉斷為止，通過(guò)自動(dòng)記錄裝置得到試樣所受載荷F和伸長(zhǎng)量△L的關(guān)系曲線稱為拉伸曲線；并由此測(cè)定該金屬的強(qiáng)度、剛度、彈性和塑性。１）當(dāng)載荷不超F(xiàn)p時(shí)，力－伸長(zhǎng)曲線Op為一直線，即試樣的伸長(zhǎng)量與載荷成正比地增加，完全胡克定律，試樣處于彈性變形階段。載荷在Fp-Fe間，試樣的伸長(zhǎng)量與載荷已不再成正比關(guān)系，力－伸長(zhǎng)曲線不成直線，但試樣仍處于彈性變形階段。拉伸試驗(yàn)中得出的拉伸力與伸長(zhǎng)量的關(guān)系曲線：２）載荷超過(guò)Fe后，試樣開始有塑性變形產(chǎn)生。當(dāng)載荷達(dá)到Fs時(shí)，試樣開始產(chǎn)生明顯的塑性變形，在力－伸長(zhǎng)曲線上出現(xiàn)了水平的或鋸齒形的線段，這種現(xiàn)象稱為“屈服”。拉伸試驗(yàn)中得出的拉伸力與伸長(zhǎng)量的關(guān)系曲線：３）當(dāng)載荷繼續(xù)增加到某一最大值Fb時(shí)，試樣的局部截面縮小，產(chǎn)生所謂“縮頸”現(xiàn)象。由于試樣局部截面的逐漸減小，故載荷也逐漸降低，當(dāng)達(dá)到拉伸曲線上k點(diǎn)時(shí)，試樣隨即斷裂。拉伸試驗(yàn)中得出的拉伸力與伸長(zhǎng)量的關(guān)系曲線：４）由力－伸長(zhǎng)曲線可見(jiàn)，斷裂時(shí)試樣總伸長(zhǎng)Of中g(shù)f是彈性變形，Og(Δlk)是塑性變形。塑性變形中Oh（Δlb）是試樣產(chǎn)生縮頸前的均勻變形，hg（Δlu）是頸部的集中變形。拉伸試驗(yàn)中得出的拉伸力與伸長(zhǎng)量的關(guān)系曲線：gf

２.應(yīng)力與應(yīng)變曲線二、剛度和彈性剛度：表征金屬材料抵抗彈性變形的能力弱性模量E：表示引起單位變形時(shí)所需要的應(yīng)力。即材料的E越大，產(chǎn)生的彈性變形越小，剛度越大。E值主要取決于材料的本性；提高剛度的方法有增加橫截面積或改變截面形狀。２、彈性極限

彈性極限σe：是材料在不產(chǎn)生塑性變形時(shí)所能承受的最大應(yīng)力值。式中Fe——試樣在不產(chǎn)生塑性變形時(shí)的最大載荷；A０——試樣的原始橫截面積彈性極限是工作中不允許有微量塑性變形零件(如精密的彈性元件、炮筒等)的設(shè)計(jì)與選材的重要依據(jù)。（三）彈性比功

彈性比功：又稱彈性比能或應(yīng)變能，它表示材料發(fā)生彈性變形時(shí)可吸收能量的能力，在卸載時(shí)，又能完全釋放能量而使材料恢復(fù)原狀。金屬材料的彈性比功可用上圖所示的應(yīng)力——應(yīng)變曲線下影線面積表示。

彈簧是典型的彈性零件，主要起緩沖和儲(chǔ)存能量的作用，它要求材料具有大的彈性比功，由于彈性模量E對(duì)組織不敏感，故只有通過(guò)合金化、熱處理和冷塑性變形等方法來(lái)提高材料的彈性極限σe，從而提高其彈性比功。三、強(qiáng)度

強(qiáng)度——金屬材料在外力作用下永久抵抗變形和斷裂的能力。按作用力性質(zhì)不同，可分為屈服強(qiáng)度（屈服點(diǎn)）及抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等。在工程上常用來(lái)表示金屬材料強(qiáng)度的指標(biāo)有屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。分類拉力——屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度壓力——抗壓強(qiáng)度彎曲力——抗彎強(qiáng)度剪切力——抗剪強(qiáng)度1.屈服強(qiáng)度（屈服極限、屈服點(diǎn)）：

當(dāng)載荷增達(dá)到s點(diǎn)時(shí)，拉伸曲線出現(xiàn)了平臺(tái)，即試樣所承受的載荷幾乎不變，但塑性變形不斷增加，這種現(xiàn)象稱為屈服。

屈服點(diǎn)和條件屈服強(qiáng)度σ0.2是指在外力作用下開始產(chǎn)生明顯塑性變形的最小應(yīng)力。用σs表示。

計(jì)算公式:σs=FsS0

條件屈服強(qiáng)度σ0.2

有些金屬材料在拉伸試驗(yàn)中沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象發(fā)生，為了衡量這些材料的屈服特性，規(guī)定產(chǎn)生永久殘余變形等于一定值(一般為標(biāo)距長(zhǎng)度的0.2%)時(shí)的應(yīng)力，稱為條件屈服強(qiáng)度或簡(jiǎn)稱屈服強(qiáng)度σ0.2

。

F0.2A0σ0.2=F0.2——試樣標(biāo)距產(chǎn)生０.２%殘余伸長(zhǎng)時(shí)的載荷；A0——試樣的原始橫截面積。

σb=FbS0

Fb－－試樣在破斷前所承受的載荷；A0——試樣的原始橫截面積。

計(jì)算公式:2、

抗拉強(qiáng)度（強(qiáng)度極限）:材料承受最大載荷時(shí)的應(yīng)力。用σb表示。

抗拉強(qiáng)度σb是表示塑性材料抵抗大量均勻塑性變形的能力。脆性材料在拉伸過(guò)程中，沒(méi)有縮頸，抗拉強(qiáng)度σb是就的斷裂強(qiáng)度。

1）伸長(zhǎng)率（δ

）伸長(zhǎng)率是指試樣拉斷后標(biāo)距增長(zhǎng)量與原始標(biāo)距的百分比，即：lk-l0l0×100%δ=lk——試樣拉斷后的標(biāo)距,mm;l0——試樣的原始標(biāo)距,mm。四、塑性的衡量（塑性指標(biāo)）：伸長(zhǎng)率δ和斷面收縮率Ψ

2）斷面收縮率（Ψ

）斷面收縮率是指試樣拉斷處橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比，即：A0-AkA0Ψ=×100%A0——試樣原始橫截面積,mm2；A1——試樣斷裂處的最小橫截面積,mm2

。δ、ψ越大，材料塑性越好。1.布氏硬度HB

用直徑D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球,在一定壓力P下,將鋼球垂直地壓入金屬表面,并保持壓力到規(guī)定的時(shí)間后卸荷,測(cè)壓痕直徑d.

布氏硬度試驗(yàn)原理圖第二節(jié)硬度

硬度:材料抵抗更硬的物體壓入其內(nèi)的能力。

測(cè)量硬度方法最常用的是壓入硬度法，它是用一定幾何形狀的壓頭，在一定試驗(yàn)力下，壓入被測(cè)試的金屬材料表面，根據(jù)被壓入程度來(lái)測(cè)定其硬度值。用同樣的壓頭，在相同試驗(yàn)力作用下，壓入金屬材料表面時(shí)，若壓入程度愈大，則材料的硬度值愈低；反之，硬度值就愈高。

金屬材料的硬度可用硬度儀來(lái)測(cè)試，常用的硬指標(biāo)有布氏硬度、洛氏硬度等。

１、布氏硬度

用直徑為D的球體（硬質(zhì)合金球或鋼球），在規(guī)定試驗(yàn)力F的作用下壓入被測(cè)金屬的表面，保持規(guī)定時(shí)間后卸除載荷，測(cè)量試樣表面壓痕的直徑d，由此計(jì)算壓痕的球缺面積S，用壓痕單位面積的平均壓力（F/S）作為測(cè)試金屬的布氏硬度值。

測(cè)定條件：壓頭為淬火鋼球時(shí),以HBS表示,可測(cè)<450的材料；壓頭為硬質(zhì)合金時(shí),以HBW表示,可測(cè)<650的材料。壓頭直徑有10、5、2.5、2、1mm五種。布氏硬度計(jì)

計(jì)算公式：

壓頭是直徑為D的鋼球或硬質(zhì)合金球。壓頭直徑有10、5、2.5、2、1mm五種。布氏硬度表示方法：硬度符號(hào)HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑mm、載荷kgf（N）及載荷保持時(shí)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(cè)得的布氏硬度值為120。600HBW1/30/20表示用直徑1mm的硬質(zhì)合金球，在３０kgf（292.4N）載荷作用下保持２０s，測(cè)得的布氏硬度值為600。布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。適于測(cè)量灰鑄鐵、非鐵合金及較軟鋼材的硬度。另外：材料的b與HB之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：對(duì)于低碳鋼:b(１MPa)≈3.6HB

對(duì)于高碳鋼：b(１MPa)≈3.4HB

對(duì)于灰鑄鐵：b(１MPa)≈1HB或b(１MPa)≈0.6(HB-40)優(yōu)缺點(diǎn)：

材料布氏硬度鋼、鎳合金、鈦合金３０鑄鐵<14010>14030銅及其合金<3535-200>20051030輕金屬及其合金<3535-80>802.510(5、15)10(或15)鉛、錫1２、洛氏硬度

用一個(gè)頂角1200的金剛石圓錐體或一定直徑的鋼球或硬質(zhì)合金球?yàn)閴侯^，在規(guī)定試驗(yàn)力作用下壓入被測(cè)試金屬表面，由壓頭在金屬表面所形成的壓痕深度來(lái)確定其硬度值。洛氏硬度計(jì)

3-3為卸除主試驗(yàn)力后，由于被測(cè)試金屬?gòu)椥宰冃位謴?fù)，而使壓頭略為提高時(shí)的位置。這時(shí)，壓頭實(shí)際壓入試樣的深度為h3。故由主試驗(yàn)力引起的塑性變形而產(chǎn)生的殘余壓痕深度h=h3-h1，并以此來(lái)衡量被測(cè)試金屬的硬度。上圖表示金剛石圓錐壓頭的金屬洛氏硬度試驗(yàn)原理。圖中0-0為圓錐壓頭的初始位置；1-1為在初試驗(yàn)力作用下，壓頭壓入深度為h1時(shí)的位置；2-2為在總試驗(yàn)力（初試驗(yàn)力+主試驗(yàn)力）作用下，壓頭壓入深度為h2時(shí)的位置；h（h=h3-h1

）愈大，被測(cè)試金屬的硬度愈低；反之，則愈高。根據(jù)h值及常數(shù)N和S，用下式計(jì)算洛氏硬度：

洛氏硬度＝N–h/SN—給定標(biāo)尺的數(shù)值，A、C標(biāo)尺為100；B標(biāo)尺為130。S-給定標(biāo)尺的單位，通常取0.002mm；h—?dú)堄鄩汉凵疃萴m。洛氏硬度的分類及應(yīng)用標(biāo)尺硬度符號(hào)壓頭總載荷（kg）(N)應(yīng)用范圍適用材料AHRA120o金剛石圓錐60（588.4N）70~85硬質(zhì)合金、表面淬火的鋼BHRBΦ1.588mm鋼球100(980.7N)25~100軟鋼、退火鋼、銅合金CHRC120o金剛石圓錐150(1471N)20~67淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等

洛氏硬度符號(hào)為HR，其中HRC應(yīng)用最廣，測(cè)量范圍是20～70。例如某零件硬度50HRC，表示用C標(biāo)尺測(cè)定該零件表面的洛氏硬度值為50。

實(shí)際測(cè)量時(shí)，硬度值一般均由硬度計(jì)的刻度盤上直接讀出。

優(yōu)點(diǎn)：是操作迅速簡(jiǎn)便，由于壓痕較小，可在成品表面或較薄的金屬上進(jìn)行試驗(yàn)。同時(shí)，采用不同標(biāo)尺，可測(cè)出從極軟到極硬材料的硬度。

缺點(diǎn)：是因壓痕較小，對(duì)組織比較粗大且不均勻的材料，測(cè)得的硬度不夠準(zhǔn)確。故需測(cè)定三點(diǎn)，取其算術(shù)平均值。

一般用于測(cè)試淬火鋼。

三、維氏硬度

用一個(gè)金剛石正四棱錐體壓頭，在規(guī)定試驗(yàn)力F作用下壓入被測(cè)試金屬表面，保持一定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，然后再測(cè)量壓痕投影的兩對(duì)角線的平均長(zhǎng)度d，進(jìn)而計(jì)算出壓痕的表面積S，用F/S作為被測(cè)試金屬的硬度值，符號(hào)HV。

數(shù)顯維氏硬度計(jì)

維氏硬度符號(hào)HV之前的數(shù)值為硬度值，HV后面的數(shù)值依次表示試驗(yàn)力值（單位為kgf）和試驗(yàn)力保持時(shí)間（保持時(shí)間為10-15s時(shí)不標(biāo)注）例如：640HV30表示在試驗(yàn)力294.2N下，保持10-15s測(cè)得的維氏硬度值為640。

640HV30/20表示在試驗(yàn)力為294.2N下，保持20S測(cè)得的維氏硬度值為640。

維氏硬度特點(diǎn)：載荷小，壓入深度淺，可測(cè)試表面淬硬層及化學(xué)熱處理的滲層等。應(yīng)用：滲碳層、陶瓷、鋼、有色金屬、薄板、金屬薄片、電鍍層、微小物體材料，熱處理碳化層、脫碳層和淬火硬化層的硬度測(cè)量。第三節(jié)沖擊韌度

沖擊載荷：以很大速度作用于工件上的載荷。受沖擊載荷作用的零件：沖床的沖頭、鍛錘的錘桿、內(nèi)燃機(jī)的活塞銷與連桿、風(fēng)動(dòng)工具。對(duì)于承受沖擊載荷的零件來(lái)說(shuō)，僅具有足夠的靜載強(qiáng)度指標(biāo)是不夠的，還必須具有足夠抵抗沖擊載荷的能力

沖擊韌性：金屬材料在沖擊載荷作用下，抵抗破壞的能力。沖擊試驗(yàn)的標(biāo)淮試樣有兩種，如下圖所示：夏比U型缺口試樣夏比V型缺口試樣

試驗(yàn)方法

：試驗(yàn)時(shí)，將試樣放在試驗(yàn)機(jī)兩支座上，把質(zhì)量為m的擺錘抬到H高度，使擺錘具有位能mHg(g為重力加速度)。然后釋放擺錘，將試樣沖斷，并向另一方向升高到h高度，這時(shí)擺錘具有位能為mhg。故擺錘沖斷試樣失去的位能為mHg-mhg，這就是試樣變形和斷裂所消耗的功，稱為沖擊吸收功Ak。即

AK=mgH-mgh根據(jù)兩種試樣缺口形狀不同，沖擊吸收功分別用AKU和AKV表示，單位為焦耳（J）。

脆性材料：沖擊吸收功值低的材料韌性材料：沖擊吸收功值高的材料沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用：測(cè)定金屬材料開始發(fā)生冷脆現(xiàn)象的溫度

冷脆現(xiàn)象：有些材料在室溫20度左右試驗(yàn)時(shí)并不顯示脆性，而在低溫下則可能發(fā)生脆斷。

從上圖可知，沖擊吸收功隨溫度的降低而減小，當(dāng)試驗(yàn)溫度降低到某一溫度范圍時(shí)，沖擊吸收功急劇降低，使試樣的斷口由韌性斷口過(guò)渡為脆性斷口，這個(gè)溫度范圍稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度范圍。TITANIC建造中的Titanic號(hào)TITANIC的沉沒(méi)與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)

Titanic號(hào)鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果脆性材料：在斷裂前無(wú)明顯的塑性變形，斷口較平整、呈晶狀或瓷