模塊一-金屬材料力學性能與測試課件

四種材料（金屬、陶瓷、聚合手和復合材料）的相對重要性機械工程材料金屬材料非金屬材料黑色金屬碳素鋼有色金屬鑄鐵合金鋼無機非金屬材料有機材料塑料橡膠陶瓷合成纖維鋁合金銅合金其他有色合金復合材料粉末冶金上述各種材料中，金屬材料是工程中應用最廣泛的。東漢晚期的青銅奔馬（馬踏飛燕）河北滄州的鐵獅子

第一節(jié)金屬材料的力學性能鑄造性可鍛性可焊性切削加工性熱處理性金屬材料的性能

使用性能力學性能物理性能化學性能

工藝性能

工藝性能是指金屬材料在加工制造中表現(xiàn)出的性能，顯示了金屬材料加工制造的難易程度。使用性能是指金屬材料在正常工作條件下，材料應具備的性能，它包括力學性能、和物理性能化學性能，重點是力學性能。金屬材料在外力（載荷）作用下所表現(xiàn)出的抵抗變形和破壞的能力，叫力學性能；是金屬材料重要的指標。金屬材料的力學性能包括強度、塑性、硬度、沖擊韌性和疲勞強度等。材料的力學性能通常是在試驗室內模擬生產條件來確定合適的試驗方法。利用不同的試驗方法來確定材料的力學行為特征及評定材料力學性能的指標。這些性能指標是材料設計、材料選用、工藝評定以及材料檢驗的重要依據。C:\DocumentsandSettings\Administrator\桌面\二維動畫\材料所受外力的形式.swf桌面\二維動畫\材料所受外力的形式.swf第一節(jié)金屬材料的力學性能一、強度可通過金屬拉伸試驗來測定。１、拉伸試驗及力—伸長曲線根據拉伸力與試樣變形量之間的對應關系，可以繪制出力－伸長曲線圖（一般由拉伸試驗機自動繪出）如下圖所示所示。通過力—伸長曲線，即可計算得出強度指標和塑性指標，這些指標是評定材料質量的主要判據。

拉伸試樣式

液壓式萬能電子材料試驗機拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象C:\DocumentsandSettings\Administrator\桌面\二維動畫\低碳鋼應力應變圖.swf桌面\二維動畫\低碳鋼應力應變圖.swf伸長量度LＹ

載荷F(N)FbFsFeFppＸ彈性變形——外力去除后能完全消失的變形；塑性變形——外力去除后不能消失的變形。

根據材料的拉伸曲線可知，不同的金屬材料有不同的拉伸曲線，而即使同一材料，當直徑不同時，位伸曲線也不一樣，為了比較不同材料的力學性能的大小，我們引入了強度和塑性兩個名詞。２、強度強度是指金屬材料在外力作用下抵抗塑性（永久變形）和斷裂的能力,用；表示，σ＝Ｆ／ＡO（MPa兆帕）。F-------金屬材料所受的外力，N；ＡO-----金屬材料原始截面積，m2。根據金屬材料所受載荷所產生的不同的變形情況，有三個重要的強度參數，分別是彈性強度（彈性極限）、屈強度和抗拉強度（強度極限）。（１）彈性強度金屬材料在載荷作用下產生彈性變形所能承受的最大應力稱為彈性強度，用σe表示，σe

＝Ｆe／ＡO單位

(MPa)

。Ｆe-----金屬材料產生彈性變形所能承受的最大外力，N；ＡO-----金屬材料原始截面積，m2。（２）屈服強度金屬材料在載荷作用下開始明顯塑性變形時的最低應力稱為塑性強度，用σs表示，σs

＝Ｆs／ＡO單位

(MPa)

。Ｆe-----金屬材料產生塑性變形所能承受的最低外力，N；ＡO-----金屬材料原始截面積，m2。生產中使用的某些金屬材料無明顯的屈服現(xiàn)象時，不能確定其屈服點時，國標中規(guī)定，有條件屈服強度來表示，即材料變形時為試樣標距長度的0.2%時，材料所能承受的應力，用符號σ0.2表示。（３）抗拉強度金屬材料在斷裂前所能承受的最大應力稱為抗拉強度，用符號σb表示，σb

＝Ｆb／ＡO單位

(MPa)

。Ｆb-----金屬材料在斷裂前所能承受的最大外力，N；ＡO-----金屬材料原始截面積，m2。由于脆性材料沒有屈服現(xiàn)象，用σb作為設計依據。二、塑性塑性是指金屬材料在外力作用下產生塑性變形而不破壞的能力，常用的塑性指標有伸長率δ和斷面收縮率ψ。１、伸長率材料拉斷后，標距長度的增加量與原標距長度的百分比稱為伸長率，用δ表示；式中，l0——材料原標距原長度，mm；

l1——材料斷裂后標距長度，mm.２、斷面收縮率材料拉斷后，標距橫截面積的縮減量與原橫截面積的百分比稱為斷面收縮率，用字母ψ表示；

式中，A0——試樣原始橫截面積，mm2；

A1——拉斷后最小的橫截面積，mm2。

δ和ψ

是衡量金屬材料塑性變形能力大小的指標，δ和ψ越大，表示材料的塑性越好，既能保證壓力加工的順利進行，又保證機件工作時的安全可靠。三、硬度硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標，是金屬表面抵抗局部塑性變形或破壞的能力。目前生產上應用最廣的靜載荷壓入法硬度試驗有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。1、布氏硬度試驗原理如圖所示；用一定直徑的鋼球或硬質全金球，以

相應的試驗力壓入試樣表面，經規(guī)定的保持時間后，卸除試驗力，用讀數顯微鏡測量試樣表面的壓痕直徑，用試驗力Ｆ除以壓痕球形表面積所得到的商，就是布氏硬度值。當壓頭為淬火鋼球時，用HBS表示，它適用于硬度值在450以下材料，當壓頭為硬質合金時，用HBW表示,適用于硬度值在650以下。對于不同的金屬材料，只要保證F/A恒定，就可以保證壓痕的幾何形狀不同，則測試的結果就可以反映出來不同材料的硬度值。C:\DocumentsandSettings\Administrator\桌面\二維動畫\布氏硬度[1].swf布氏硬度計

沖擊試驗原理C:\DocumentsandSettings\Administrator\桌面\二維動畫\擺錘式沖擊試驗.swf桌面\二維動畫\擺錘式沖擊試驗.swf

此時試樣沖斷時所消耗的沖擊功Ak為:Ak=mgH–mgh(J)

而金屬的沖擊韌度ak就是沖斷試樣時在缺口處單位面積所消耗的功，即：

ak=——(J/cm2)式中：ak—沖擊韌度，J/cm2；

A—試樣缺口處原始截面積，cm2；

Ak—沖斷試樣所消耗的功，J。沖擊吸收功Ak的值可從試驗機上的刻盤上直接讀出，如下圖所示。

AkA五、疲勞強度許多機械零件是在交變應力（循環(huán)應力）作用下工作的，此時，雖然零件所承受的應力數值小于材料的屈服強度，但在長時間運轉后也會發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象叫疲勞斷裂。交變應力的大小和斷裂循環(huán)次數之間的關系通常用疲勞曲疲勞曲線線來來描述。疲勞曲線表明，當應力低于某一值時，即使循環(huán)次數無窮多也不發(fā)生斷裂，此應力值稱為疲勞強度或疲勞極限，用符號σ-1表示。在疲勞強度測定中，不可能把循環(huán)次數做到無窮大，而是規(guī)定一定的循環(huán)次數作國基數。常用鋼材的循環(huán)基數一般取N=107，有色金屬的循環(huán)次數一般取N=108。小資料—金屬的高溫力學性能

金屬材料隨溫度的升高，彈性模量E、屈服強度σS、硬度等值降低，而塑性增加的現(xiàn)象稱高溫蠕變。

小資料：紐約世界貿易中心大樓曾是世界第一高樓，它高411米，單個塔樓的重量約5萬噸；撞擊大樓的波音757飛機起飛重量104噸，波音767飛機起飛重量156噸，它們的飛行速度大約是每小時1000公里。這次撞擊大樓的波音757飛機大約可載35噸燃油，波音767飛機可載51噸燃油，由于是從美國東部飛往西部的遠程航班，所以飛機上的油箱估計裝滿