第一章材料力學(xué)性能

材料力學(xué)性能金屬材料的性能

工藝性能使用性能物理性能化學(xué)性能力學(xué)性能鑄造性能鍛造性能切削加工性能焊接性能熱處理性能彈性塑性強(qiáng)度硬度韌性疲勞斷裂靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)42013-2014學(xué)年第1學(xué)期材料力學(xué)性能1.試樣制備中華人民共和國(guó)國(guó)標(biāo)GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸實(shí)驗(yàn)方法》1.1實(shí)驗(yàn)方法5工作部分過渡部分夾持部分試樣表面光潔2014-2015學(xué)年第1學(xué)期材料力學(xué)性能62014-2015學(xué)年第1學(xué)期材料力學(xué)性能72014-2015學(xué)年第1學(xué)期材料力學(xué)性能82.試驗(yàn)設(shè)備2014-2015學(xué)年第1學(xué)期材料力學(xué)性能低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線拉伸試樣拉伸試驗(yàn)機(jī)應(yīng)力

=F/A0應(yīng)變

=(l-l0)/l0

σs

σes

σ

σbbO

ε塑性變形彈性變形e1.彈性與剛度

——e點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力σe。應(yīng)力低于e點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生彈性變形，超過e點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生塑性變形。

彈性極限比例極限

——p點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力σp。Oe線上Op部分為一條斜直線，應(yīng)力與應(yīng)變始終成比例。

——材料在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的比值σ/ε（Mp）稱為彈性模數(shù)E，表示材料抵抗彈性變形的能力，用來表示材料的剛度。E值主要取決于各種材料的本性，而工藝參數(shù)對(duì)它的影響很小。

彈性模數(shù)e2.強(qiáng)度與塑性強(qiáng)度——指材料在外力作用下抵抗永久變形和破壞的能力，最常用的是拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)得的抗拉強(qiáng)度σb＝Fb/A

0.2％塑性變形σOεσ0.2σsσeseσp

σσbbpOεb屈服強(qiáng)度s：材料發(fā)生微量塑性變形時(shí)的應(yīng)力值。條件屈服強(qiáng)度0.2：殘余變形量為0.2%時(shí)的應(yīng)力值?？估瓘?qiáng)度b：材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值.——指材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力

塑性斷后伸長(zhǎng)率斷面收縮率斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象說明：①用面縮率表示塑性比伸長(zhǎng)率更接近真實(shí)變形。②直徑d0相同時(shí)，l0，。只有當(dāng)l0/d0為常數(shù)時(shí)，塑性值才有可比性。當(dāng)l0=10d0時(shí)，伸長(zhǎng)率用10

表示；當(dāng)l0=5d0時(shí)，伸長(zhǎng)率用5表示。顯然5>10③

>時(shí)，無頸縮，為脆性材料表征

<時(shí)，有頸縮，為塑性材料表征3.硬度

——材料對(duì)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(yàn)也是應(yīng)用最廣泛的力學(xué)性能試驗(yàn)方法。僅在金屬表面產(chǎn)生很小壓痕，可在成品上試驗(yàn)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(xué)熱處理后的表面性能）設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便迅速。

測(cè)量方法布氏硬度HB洛氏硬度HR維氏硬度HV彈性回跳法—肖氏硬度壓入法劃痕法—莫氏硬度（1）布氏硬度（HB）D=10、5、2.5的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓入試樣表面保持一定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力測(cè)量壓痕平均直徑，求出球形面積用試驗(yàn)力除以球冠面積布氏硬度計(jì)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、載荷及載荷保持時(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。布氏硬度壓痕壓頭為鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，用符號(hào)HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。布氏硬度的特點(diǎn)：

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(gè)別組成相及微小不均勻性的影響，測(cè)量誤差小，試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)；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：

適于測(cè)量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼、有色金屬、鑄鐵和軸承合金等具有粗大晶?；蚪M成相的金屬材料的硬度。

（2）洛氏硬度（HR）F1F0h0表盤主試驗(yàn)力預(yù)試驗(yàn)力壓頭試樣F1F0h1F1F0h1200洛氏硬度＝（常數(shù)－h(huán)）/S=N-h/S符號(hào)HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。最常用的標(biāo)尺有A,B,CHRA用于測(cè)量高硬度材料,如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。HRB用于測(cè)量低硬度材料,如有色金屬和退火、正火鋼等。HRC用于測(cè)量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕洛氏硬度的特點(diǎn)：洛氏硬度的應(yīng)用：

操作簡(jiǎn)便迅速，硬度值可直接讀出，壓痕較小，可在工件上進(jìn)行試驗(yàn)；缺點(diǎn)是壓痕小，代表性差，所測(cè)硬度值重復(fù)性差，分散度大。

廣泛用于熱處理質(zhì)量的檢驗(yàn)

洛氏硬度計(jì)的壓頭有兩種，當(dāng)測(cè)定硬度較高的材料時(shí)，選用120°的金剛石圓錐壓頭；測(cè)定硬度較低的材料時(shí)，選用淬火鋼壓頭。（3）維氏硬度（HV）

測(cè)試原理與布氏相同，根據(jù)壓痕面積計(jì)算硬度值。壓頭為兩對(duì)面夾角α為136o的金剛石四棱錐體，測(cè)定壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度進(jìn)行查表。

維氏硬度維氏硬度計(jì)維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度壓痕

維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)，既可測(cè)量由極軟到極硬的材料的硬度，又能互相比較。既可測(cè)量大塊材料、表面硬化層的硬度，又可測(cè)量金相組織中不同相的硬度。但是，要測(cè)量對(duì)角線，工作效率低。維氏硬度用符號(hào)HV表示，符號(hào)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(shí)間。d1d2TEMofAl85Ni10Ce5HV的特點(diǎn)及應(yīng)用：4.韌性（1）沖擊韌性（2）斷裂韌性（1）沖擊韌性——材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力（ak）。

a．?dāng)[錘式一次沖擊實(shí)驗(yàn)b.小能量多次沖擊實(shí)驗(yàn)指標(biāo)為沖擊韌性值ak(通過沖擊實(shí)驗(yàn)測(cè)得)。韌脆轉(zhuǎn)變溫度材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變溫度。材料的使用溫度應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。韌體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而大多數(shù)面心立方金屬?zèng)]有。TITANIC的沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)TITANICTitanic號(hào)鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）

的沖擊試驗(yàn)結(jié)果Titanic近代船用鋼板（2）斷裂韌性——材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。裂紋尖端形成應(yīng)力分布特殊的應(yīng)力場(chǎng)。其強(qiáng)度可以用應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K1來描述。K1值的大小與裂紋尺寸（2a）和外加應(yīng)力（σ）有下式關(guān)系：

由上式可見，隨著應(yīng)力σ的增大，K1不斷增大，當(dāng)K1增大到某一定值時(shí)，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(dǎo)致裂紋突然失穩(wěn)擴(kuò)展而發(fā)生斷裂。這個(gè)K1的臨界值，稱為材料的斷裂韌度，用K1c表示。練習(xí)

在交變載荷作用下，材料常常在遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度的應(yīng)力下發(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。這些地方應(yīng)力大于屈服強(qiáng)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(kuò)展，使承受載荷的截面面積減少，最終斷裂。5.疲勞36測(cè)試方法采用升降法進(jìn)行測(cè)試疲勞極限

從略高于材料的疲勞極限開始測(cè)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(gè)應(yīng)力水平。在斷裂的測(cè)試結(jié)果圖中，用×表示，而未發(fā)生斷裂的測(cè)試結(jié)果用Ο表示。按照上述方法，測(cè)得的有效數(shù)據(jù)為13個(gè)以上，并在3-5個(gè)應(yīng)力水平，實(shí)驗(yàn)才結(jié)束。37

出現(xiàn)第一對(duì)相反數(shù)據(jù)前的數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)；實(shí)驗(yàn)前無法知道其疲勞極限，第一測(cè)試數(shù)據(jù)如果為一般材料取(0.45-0.5)σb，高強(qiáng)度鋼為(0.3-0.4)σb。每一個(gè)應(yīng)力水平相差預(yù)計(jì)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有效實(shí)驗(yàn)次數(shù)（包括斷裂和未斷試樣）實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力水平數(shù)該應(yīng)力水平的實(shí)驗(yàn)次數(shù)應(yīng)力水平數(shù)值39（3）S-N曲線測(cè)定方法通常在4-5級(jí)的應(yīng)力水平下測(cè)試，每個(gè)應(yīng)力水平測(cè)試3-5個(gè)試樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理時(shí)，計(jì)算出中值疲勞壽命（存活率50%），最后對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行擬合，獲得S-N曲線。

每一級(jí)應(yīng)力水平下的疲勞壽命采用如下公式計(jì)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(cè)量次數(shù)為奇數(shù)），或兩個(gè)中間數(shù)值的平均值（偶數(shù)）。41獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制時(shí)，有兩種方法：1）逐點(diǎn)描述；2）直線擬合。材料在低于s的重復(fù)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(shí)的最大應(yīng)力稱為疲勞極限。用-1表示。鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107，