金屬材料的力學(xué)性能

第一章金屬材料的力學(xué)性能材料性能是一個參量，用于表示材料在給定的外界條件（溫度、介質(zhì)）下所能表現(xiàn)出來的行為。金屬材料通常的外部表現(xiàn)為變形和斷裂。材料性能由內(nèi)部依據(jù)和外部表現(xiàn)組成。內(nèi)部依據(jù)又分為化學(xué)成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)。性能是指確定成分和結(jié)構(gòu)的材料的外部表現(xiàn)。力學(xué)性能包括：強度、硬度、塑性、剛性、韌性、沖擊韌性、疲勞強度等。§1—1強度、剛度、彈性及塑性金屬材料的強度、剛度、彈性及塑性用拉伸試驗來測量。一、拉伸曲線與應(yīng)力-應(yīng)變曲線1、拉伸曲線拉伸過程分為彈性變形、塑性變形和斷裂三個階段。幾點說明：（書中圖1-2）試件總伸長of，其中g(shù)f為彈性變形，og為塑性變形。og是由均勻變形oh和頸縮hg兩部分組成。對于脆性材料的實驗過程，沒有明顯的塑性變形直接斷裂，故沒有屈服現(xiàn)象，也不產(chǎn)生頸縮。2、應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)力—單位面積上所承受的載荷。

σ=F/A0應(yīng)變—單位長度上的伸長量。

ε＝Δl/l0幾點說明：（書中圖1-3）試件應(yīng)變of，其中g(shù)f為彈性部分，og為塑性部分。og是由均勻應(yīng)變oh和頸縮hg兩部分組成。圖1-3是應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖。它不受試件尺寸的影響，可以直接看出金屬材料的一些力學(xué)性能。二、剛度和彈性依據(jù)圖1-3應(yīng)力-應(yīng)變示意圖，在彈性變形階段可以測出材料的彈性模量、彈性極限、彈性比例，從而確定材料的剛度和彈性。1、彈性模量彈性模量E指金屬材料在彈性狀態(tài)下應(yīng)力和應(yīng)變的比值：E=σ/εE在曲線上體現(xiàn)為斜率。表示單位變形所需要的力。也即表示材料抵抗彈性變形的能力。工程中稱之為剛性。機械零件應(yīng)該是在彈性狀態(tài)下工作，工作中不允許有過量的彈性變形，更不允許有塑性變形。故對剛度有一定的要求。2、彈性極限彈性極限σe是材料在不產(chǎn)生塑性變形時所承受的最大應(yīng)力值。σe=Fe/A03、彈性比功彈性比功ae，表示材料發(fā)生彈性變形時可吸收能量的能力，外力去除后，能量釋放使材料恢復(fù)原始形狀。

ae=1/2×σe×

εe

彈簧是典型的彈性零件，要求有較大的彈性比功。彈簧在實際工作中起緩沖和存儲能量作用。實際設(shè)計時通過提高彈性極限σe

，提高彈簧的彈性比功。三、強度強度是金屬材料在外力的作用下，抵抗變形和斷裂的能力。根據(jù)零件的工作狀態(tài)不同分為:抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度和抗剪強度等。1、屈服強度和條件屈服強度拉伸試樣產(chǎn)生屈服現(xiàn)象（塑變）時的應(yīng)力。σs=Fs/A0對于許多沒有明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料，工程中常以產(chǎn)生0.2%塑性變形時的應(yīng)力，作為該材料的條件屈服強度，用σr0.2表示。

2、抗拉強度－金屬在拉斷前所能承受的最大應(yīng)力。以σb表示。

σb

＝Fb/Ao屈服強度σs和抗拉強度σb對選擇、評定金屬材料性能具有重要意義。對塑性材料以σs為強度設(shè)計依據(jù)，對脆性材料以σb為強度設(shè)計依據(jù)。四、塑性塑性是指金屬材料產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力?？捎蒙扉L率δ表示:

δ＝(lk-l0)/l0×100%

ψ表示試件拉斷處橫截面積與原始面積的比值。ψ＝(A0-A1)/A0×100%

δ

、ψ值越大，材料的塑性余好，在一定程度上保證零件的安全性。同時對金屬材料的軋制、鍛造、沖壓、焊接都有利?！?—2硬度金屬材料抵抗局部變形，及塑性變形、壓痕的能力，稱為硬度。硬度直接影響材料的耐磨性和切削加工性和焊接性能。測量硬度的方法常采用壓入的方法。不同的測量方法、不同的壓頭、不同的數(shù)據(jù)硬度不同、數(shù)值也不同。一、布氏硬度(HBW)

布氏硬度壓痕面積較大，硬度值比較穩(wěn)定。缺點：測量費時，不適宜成品。實際測量時側(cè)頭直徑為10、5、2.5、1四種。壓力分為30000、7500、1870等幾種。根據(jù)壓痕直徑或F/ D2在手冊中查取硬度值。表示方法：硬度值HBW條件。二、洛氏硬度(HR)洛氏硬度測量簡單、迅速，壓痕小，可用于成品。壓頭分為錐形和鋼球兩種。壓力有3種。三、維氏硬度（FV）

洛氏硬度各個標(biāo)度值之間沒有換算關(guān)系，使用不方便。維氏硬度測量原理與洛氏硬度基本相同。采用標(biāo)準(zhǔn)的四棱椎體壓頭，施加壓力，保持時間，測量壓痕，查表得到硬度值。特點：試驗力小、壓痕淺、適用各種硬度不同的零件?！?—3沖擊韌性金屬材料斷裂前吸收的變形能量稱作韌性。沖擊試驗包括：沖擊彎曲、沖擊拉伸、沖擊扭轉(zhuǎn)等。一、沖擊試驗方法與原理常用擺錘式試驗機測定。以試樣缺口處單位截面積所吸收沖擊功表示：

Ak=Gg(H-h)

二、沖擊試驗的應(yīng)用1、評定材料的低溫變脆傾向在不同溫度條件下，測出材料的沖擊吸收功與溫度的關(guān)系曲線。曲線表示材料在某一段溫度下的韌性會急劇下降，影響材料的使用性能。2、反映材料冶金質(zhì)量和熱加工產(chǎn)品質(zhì)量通過試驗可以看出材料的晶粒粗細(xì)、冷脆性、回火脆性等物理質(zhì)量問題，以及冶煉、熱處理、各種熱加工工藝的產(chǎn)品質(zhì)量?！?—4斷裂韌度機械零件的傳統(tǒng)設(shè)計一般為強度設(shè)計、剛度校核。強度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為屈服強度。零件在許用應(yīng)力的條件下工作，不會發(fā)生塑性變形和斷裂。實際工作情況往往不同。某些零件在遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于屈服強度條件下工作時會發(fā)生脆性斷裂，這種情況非常危險，稱為低應(yīng)力脆斷。研究表明低應(yīng)力脆斷是由宏觀裂紋擴展引起的。一、裂紋擴展的基本形式裂紋擴展一般分為張開型、滑開型、撕開性三種。其中以張開型最為危險。二、應(yīng)力場強度因子KI

零件表面是凹凸不平的，在凸點和凹點最容易引起應(yīng)力集中，形成應(yīng)力場。裂紋的擴展與應(yīng)力場有直接的關(guān)系。衡量應(yīng)力場的大小用應(yīng)力場強度因子KI。三、斷裂韌度KIC及其應(yīng)用

KI隨著和a的增大而增大。達到一定值會使尖端的應(yīng)力達到材料的斷裂強度，使裂紋擴展，產(chǎn)生斷裂。這種裂紋擴展的臨界狀態(tài)對應(yīng)的應(yīng)力場強度因子，稱為材料的斷裂韌度，用KIC表示。

KI是理學(xué)參數(shù)，與力、試件尺寸有關(guān)。KIC是材料的理學(xué)性能指標(biāo)，與材料成分、組織成分有關(guān)，與力、試件尺寸無關(guān)。§1—5疲勞強度一、疲勞現(xiàn)象某些零件承受周期性載荷(疲勞載荷)作用下發(fā)生斷裂，稱之為疲勞斷裂。其工作應(yīng)力低于屈服強度，因此疲勞斷裂屬于低應(yīng)力脆斷，往往是突然發(fā)生，其危險性很大。而零件工作時所承受的應(yīng)力又分為交變應(yīng)力和重復(fù)應(yīng)力。二、疲勞曲線與疲勞極限試驗表明：零件所承受的載荷越大，其所能承受載荷次數(shù)越少。圖1-16

試驗還表明，對于鋼鐵材料，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力小于某一個數(shù)值時，對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)可以很大，而且不發(fā)生疲勞。此時的應(yīng)力值稱為疲勞極限。用σ-1表示。所謂疲勞強度是指金屬材料在無數(shù)次循環(huán)載荷作用下不致產(chǎn)生斷裂的最大應(yīng)力。某些有色金屬、高強度鋼，其循環(huán)次數(shù)隨所受應(yīng)力下降而增加，但沒有水平線。一般規(guī)定疲勞極限循環(huán)基數(shù)N0，用其所對應(yīng)的應(yīng)力作為“條件疲勞極限”。三、提高疲勞極限的途徑疲勞極限與抗拉強度之間沒有確定