第一章工程材料的力學(xué)性能

本章提要1、學(xué)習(xí)目的和要求通過本章學(xué)習(xí)，了解工程材料的主要力學(xué)性能。2、課程內(nèi)容（1）材料的強度和塑性；（2）材料的硬度；（3）材料的沖擊韌度；（4）材料的疲勞強度；（5）材料的斷裂韌度。工程材料的性能使用性能、工藝性能

使用性能：材料在不同的條件下使用，如在載荷、溫度、介質(zhì)、電磁場等作用下將表現(xiàn)出不同的行為，即為材料的使用性能。

工藝性能：材料在加工過程中對所涉及的加工工藝所表面出來的適應(yīng)性。

工程材料的力學(xué)性能（機械性能）是指金屬在外力的作用下，抵抗變形和破壞的能力。工程材料的力學(xué)性能主要有強度、塑性、硬度、韌性和疲勞強度等。強度與塑性硬度沖擊韌度疲勞強度靜載時材料的力學(xué)性能動載時材料的力學(xué)性能第一節(jié)材料的強度與塑性第二節(jié)材料的硬度第三節(jié)材料的沖擊韌度第四節(jié)材料的疲勞強度第五節(jié)材料的斷裂韌度第一節(jié)材料的強度與塑性一、拉伸實驗及拉伸曲線拉伸試驗機

低碳鋼拉伸曲線拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象

ΔLF0

低碳鋼拉伸曲線

脆性材料拉伸曲線1——淬火、高溫回火后的高碳鋼：只有彈性形變、少量的均勻塑性形變；2——低合金結(jié)構(gòu)鋼：與低碳鋼類似；3——黃銅：彈性形變、均勻塑性形變和不均勻集中塑性形變；

4——陶瓷、玻璃類材料：只有彈性變形而沒有明顯的塑性形變；5——橡膠類材料：彈性形變量很大，高達100%；

6——工程塑料：彈性形變、均勻塑性變形和不均勻集中塑性變形。二、拉伸曲線所確定的力學(xué)性能指標(biāo)及意義(一）強度指標(biāo)1.彈性模量E

表征材料在受力時，抵抗彈性變形的能力。

E=σ/ε

2.比例極限σp

表征應(yīng)變保持線性關(guān)系的極限應(yīng)力值

σp=Fp/Ao

3.彈性極限σe

表征不產(chǎn)永久變形的最大抗力。

σe=Fe/Ao

二、拉伸曲線所確定的力學(xué)性能指標(biāo)及意義(一）強度指標(biāo)4.屈服強度s

表征材料發(fā)生微量塑性變形時的應(yīng)力值。

σs=Fs/Ao5.抗拉強度b

表征材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。

σb=Fb/Ao

二、拉伸曲線所確定的力學(xué)性能指標(biāo)及意義(一）強度指標(biāo)新老標(biāo)準(zhǔn)中強度指標(biāo)的區(qū)別：（1）老標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)原有的微量塑性變形抗力指標(biāo)“比例極限”和“彈性極限”在新標(biāo)準(zhǔn)上已由“規(guī)定塑性延伸強度Rp”所取代。規(guī)定塑性延伸強度是指試樣在加載過程中，塑性延伸率等于規(guī)定的引伸計標(biāo)距百分率時的應(yīng)力。對于沒有明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料，屈服強度σ0.2（老標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)），在新標(biāo)準(zhǔn)中已由“規(guī)定殘余延伸強度Rr0.2”所取代。

二、拉伸曲線所確定的力學(xué)性能指標(biāo)及意義(一）強度指標(biāo)新老標(biāo)準(zhǔn)中強度指標(biāo)的區(qū)別：（2）新標(biāo)準(zhǔn)中統(tǒng)一用“強度”一詞來取代原來經(jīng)常使用的“點”、“應(yīng)力”、“強度”等術(shù)語。例如用“屈服強度”取代“屈服點”，并且進一步細分為“上屈服強度ReX”和“下屈服強度ReL”。（3）新標(biāo)準(zhǔn)中統(tǒng)一用符號“R”來表示強度，取代原來使用多處的“σ”（應(yīng)力仍然用符號“σ”）表示。例如用“抗拉強度Rm”取代“抗拉強度”二、拉伸曲線所確定的力學(xué)性能指標(biāo)及意義(一）強度指標(biāo)新老標(biāo)準(zhǔn)中強度指標(biāo)的區(qū)別：（3）新標(biāo)準(zhǔn)中取消了”屈服力Fs“、“上屈服力Fsu”和下屈服力FsL“的符號，但考慮到在實際工作中仍需測試”上屈服力”和“下屈服力”，所以可分別用“FeH”和“FeL”表示。

（4）新版本標(biāo)準(zhǔn)對“伸長”和“延伸”作了區(qū)別。“伸長率”為原始標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距(L0)之比的百分率。“延伸率”為引伸計標(biāo)距所表示的延伸百分率。

（5）新舊標(biāo)準(zhǔn)中個別性能指標(biāo)的單位有所變化。新標(biāo)準(zhǔn)中，力的單位為N，強度的單位為N/mm2(MPa)，替代了舊標(biāo)準(zhǔn)中kgf和kgf/mm2的表斷后伸長率(A)：斷后標(biāo)距的殘余伸長與原始標(biāo)距之比的百分率。斷裂總伸長率（At）：斷裂時刻原始標(biāo)距的總伸長（彈性伸長加塑性伸長）與原始標(biāo)距之比的百分率最大力伸長率（Agt)：最大力時原始標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距之比的百分率。最大力非比例伸長率（Ag)二、拉伸曲線所確定的力學(xué)性能指標(biāo)及意義二、拉伸曲線所確定的力學(xué)性能指標(biāo)及意義

斷后收縮率（Z）：斷裂后試樣橫截面積的最大縮減量與原始橫截面各之比的百分率。第二節(jié)材料的硬度

材料抵抗其他硬物壓入其表面的能力稱為硬度，它是衡量材料軟硬程序的力學(xué)性能指標(biāo)?？捎糜捕仍囼灆C測定，常用的硬度指標(biāo)有布氏硬度HBW、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和維氏硬度HV第二節(jié)材料的硬度一、布氏硬度HBW（一）試驗原理布氏硬度試驗規(guī)范38第二節(jié)材料的硬度一、布氏硬度HBW（二）應(yīng)用范圍布氏硬度主要用于組織不均勻的鍛鋼和鑄鐵的硬度測試，鍛鋼和灰鑄鐵的布氏硬度與拉伸試驗有著較好的對應(yīng)關(guān)系。布氏硬度試驗還可用于有色金屬和軟鋼，采用小直徑球壓頭可以測量小尺寸和較薄材料。布氏硬度計多用于原材料和半成品的檢測，由于壓痕較大，一般不用于成品檢測。

表示方式：600HBW1/30/20

350HBW5/750

第二節(jié)材料的硬度一、布氏硬度HBW補充說明：（1）硬度超過HB650的材料，不能做布氏硬度試驗，這是因為所采用的壓頭，會產(chǎn)生過大的彈性變形，甚至永久變形，影響實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，這時應(yīng)改用洛氏和維氏硬度試驗。（2）每個試樣至少試驗3次。試驗時應(yīng)保證兩相鄰壓痕中心的距離不小于壓痕平均直徑的4倍，對于較軟的金屬則不得小于6倍。壓痕中心距試樣邊緣的距離不得小于壓痕直徑的2.5倍，對于軟金屬則不得小于3倍

第二節(jié)材料的硬度二、洛氏硬度HR（一）實驗原理洛氏硬度計第二節(jié)材料的硬度二、洛氏硬度HR(二)應(yīng)用范圍（共15個標(biāo)尺）示例：60HRBW標(biāo)尺硬度符號所用壓頭總試驗力F/N適用范圍①HR應(yīng)用范圍AHRA金剛石圓錐

588.420—88硬、薄試件，如硬質(zhì)合金、表面淬火層和滲碳層。BHRBφ1.5875mm球

980.720—100輕金屬，未淬火鋼，如有色金屬和退火、正火鋼等。CHRC金剛石圓錐147120--70較硬，淬硬鋼制品；如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。硬質(zhì)合金淬火鋼球第二節(jié)材料的硬度三、維氏硬度HV（一）實驗原理維氏硬度試驗原理維氏硬度計第二節(jié)材料的硬度三、維氏硬度HV（二）應(yīng)用范圍

維氏硬度試驗主要用于材料研究和科學(xué)試驗方面，小負(fù)荷維氏硬度試驗主要用于測試小型精密零件的硬度，表面硬化層硬度和有效硬化層深度，鍍層的表面硬度，薄片材料和細線材的硬度，刀刃附近的硬度，牙科材料的硬度等。顯微維氏硬氏試驗主要用于金屬學(xué)和金相學(xué)研究，用于測定金屬組織中各組成相的硬度，研究難熔化合物脆性等。顯微維氏硬度試驗還用于極小或極薄零件的測試，零件厚度可薄至3μm。表示方式：640HV30/20關(guān)于硬度實驗的幾點說明1、在靜態(tài)力測定硬度的方法中，維氏實驗方法是最精確的一種，這種方法測量硬度的范圍較寬，可以測定目前所有使用的絕大部分金屬材料的硬度2、各種不同方法測的硬度值之間可通過查表的方法進行互換，不可直接比較3、金屬材料的硬度是由塑性變形抗力決定的，所以硬度值和強度值之間有某種近似的對應(yīng)關(guān)系，所以零件度紙上通常只標(biāo)注硬度要求第三節(jié)材料的沖擊韌度

第三節(jié)材料的沖擊韌度

材料的韌度是指材料在塑性變形和斷裂的全過程中吸收能量的能力，是材料塑性和強度的綜合表現(xiàn)。材料的沖擊韌度是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。指標(biāo)為沖擊韌性值ak

。常用一次擺錘沖擊試驗方法測定。沖擊韌度指標(biāo)的實際意義在于揭示材料的變脆傾向。

αK＝A/FA=(GH1-GH2)×9.8J/cm2其中：αK

（J/cm2）

H（m）

A（m2）

G（kg）缺口型式：αKU

αKV

第三節(jié)材料的沖擊韌度

（一）實驗原理

第三節(jié)材料的沖擊韌度

（一）實驗原理

第四節(jié)材料的疲勞強度許多機械零件，如軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等，在工作過程中各點的應(yīng)力隨時間作周期性的變化，這種隨時間作周期性變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力（也稱循環(huán)應(yīng)力）。第四節(jié)材料的疲勞強度（一）實驗原理

疲勞強度是指金屬材料在無限多次交變載荷作用下而不破壞的最大應(yīng)力。實際上，金屬材料并不可能作無限多次交變載荷試驗。一般試驗時規(guī)定，鋼在經(jīng)受107次、非鐵（有色）金屬材料經(jīng)受108次交變載荷作用時不產(chǎn)生斷裂時的最大應(yīng)力稱為疲勞強度。當(dāng)施加的交變應(yīng)力是對稱循環(huán)應(yīng)力時，所得的疲勞強度用σ–1表示。

部分工程材料的疲勞極限σ-1（MPa）零件工作條件主要失效方式主要力學(xué)性能指標(biāo)緊固螺栓拉應(yīng)力，剪切應(yīng)力過量塑性變形，斷裂彈簧交變彎曲或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，沖擊過量變形，疲勞本章練習(xí)1、分析下列零件的主要力學(xué)性能指標(biāo)本章練習(xí)2、在設(shè)計機械時多用哪兩種強度指標(biāo)？為什么？3、下列各