金屬材料的力學(xué)性能

第一章

金屬材料的力學(xué)性能使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。工藝性能：材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削性能等。金屬材料的力學(xué)性能是指在承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力等）時(shí)，對(duì)變形與斷裂的抵抗能力及發(fā)生變形的能力。概述材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。外力去處后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形。外力去處后不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。力學(xué)性能金屬材料在力作用下所表現(xiàn)出的抵抗性能常用的力學(xué)性能有：強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性及疲勞強(qiáng)度等。一、強(qiáng)度與塑性強(qiáng)度是指金屬材料在靜載荷作用下抵抗變形和破壞的能力。塑性是指金屬材料在靜載荷作用下產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力。金屬材料的強(qiáng)度和塑性的判據(jù)可通過拉伸試驗(yàn)測(cè)定。拉伸實(shí)驗(yàn)（GB/T228-2002）1.拉伸試樣（GB6397-86）長(zhǎng)試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0返回上一頁(yè)下一頁(yè)回主頁(yè)

萬能材料試驗(yàn)機(jī)

a)WE系列液壓式b)WDW系列電子式(a)試樣(b)伸長(zhǎng)(c)產(chǎn)生縮頸(d)斷裂拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象（一）強(qiáng)度

1.定義:強(qiáng)度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，是工程技術(shù)上重要的力學(xué)性能指標(biāo)。由于材料承受載荷的方式不同，其變形形式也不同，分為抗拉、抗扭、抗壓、抗彎、抗剪等的強(qiáng)度。最常用的強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度或強(qiáng)度極限σb。2.抗拉強(qiáng)度

材料在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力，用符號(hào)σb。

表示。=FbA0計(jì)算公式Fb——試樣拉斷前的最大拉伸力，N。σb注意事項(xiàng)抗拉強(qiáng)度的物理意義是塑性材料抵抗大量均勻塑性變形的能力。鑄鐵等脆性材料拉伸過程中一般不出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，抗拉強(qiáng)度就是材料的斷裂強(qiáng)度。斷裂是零件最嚴(yán)重的失效形式，所以，抗拉強(qiáng)度也是機(jī)械工程設(shè)計(jì)和選材的主要指標(biāo)，特別是對(duì)脆性材料來講。

強(qiáng)度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，一般鋼材的屈服強(qiáng)度在200～1000MPa之間。強(qiáng)度越高，表明材料在工作時(shí)越可以承受較高的載荷。當(dāng)載荷一定時(shí)，選用高強(qiáng)度的材料，可以減小構(gòu)件或零件的尺寸，從而減小其自重。因此，提高材料的強(qiáng)度是材料科學(xué)中的重要課題，稱之為材料的強(qiáng)化。強(qiáng)度的意義2、衡量指標(biāo)金屬材料在靜載荷作用下產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力。斷面收縮率：伸長(zhǎng)率：試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距的百分比。試樣拉斷后，頸縮處的橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比。1、定義（二）、塑性斷后伸長(zhǎng)率δ（A

）l1-l0l0×100%δ

=l1——試樣拉斷后的標(biāo)距,mm;l0——試樣的原始標(biāo)距,mm。備注同一材料的試樣長(zhǎng)短不同，測(cè)得的斷后伸長(zhǎng)率略有不同。用短試樣（L0＝5d0）測(cè)得的斷后伸長(zhǎng)率略大于用長(zhǎng)試樣（L0＝10d0）測(cè)得的斷后伸長(zhǎng)率。斷面收縮率ψ

（Z）A0-A1A0ψ=×100%A0——試樣原始橫截面積,mm2；A1——頸縮處的橫截面積,mm2

。塑性的意義任何零件都要求材料具有一定的塑性。很顯然，斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率越大，說明材料在斷裂前發(fā)生的塑性變形量越大，也就是材料的塑性越好。意義：

a）安全，防止產(chǎn)生突然破壞；

b）緩和應(yīng)力集中；

c）軋制、擠壓等冷熱加工變形。小結(jié)強(qiáng)度與塑性是一對(duì)相互矛盾的性能指標(biāo)。在金屬材料的工程應(yīng)用中，要提高強(qiáng)度，就要犧牲一部分塑性。反之，要改善塑性，就必須犧牲一部分強(qiáng)度。正所謂“魚和熊掌二者不能兼得”。但通過細(xì)化金屬材料的顯微組織，可以同時(shí)提高材料的強(qiáng)度和塑性。通常情況下金屬的伸長(zhǎng)率不超過90%，而有些金屬及其合金在某些特定的條件下，最大伸長(zhǎng)率可高達(dá)1000%～2000%，個(gè)別的可達(dá)6000%，這種現(xiàn)象稱為超塑性。由于超塑性狀態(tài)具有異常高的塑性，極小的流動(dòng)應(yīng)力，極大的活性及擴(kuò)散能力，在壓力加工、熱處理、焊接、鑄造、甚至切削加工等很多領(lǐng)域被中應(yīng)用。超塑性延伸閱讀GB/T228-2002新標(biāo)準(zhǔn)GB/T228-1987舊標(biāo)準(zhǔn)名稱符號(hào)名稱符號(hào)屈服強(qiáng)度①－屈服點(diǎn)σs上屈服強(qiáng)度ReH上屈服點(diǎn)σsU下屈服強(qiáng)度ReL下屈服點(diǎn)σsL規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度Rr規(guī)定殘余延伸應(yīng)力σr抗拉強(qiáng)度Rm抗拉強(qiáng)度σb斷后伸長(zhǎng)率A或A11.3斷后伸長(zhǎng)率δ5或δ10斷面收縮率Z斷面收縮率ψ衡量金屬材料軟硬的一個(gè)指標(biāo)。金屬材料抵抗其他更應(yīng)物體壓入其表面的能力，是金屬材料表面抵抗變形和破壞的能力、硬度三（一）布氏硬度（二）洛氏硬度1.原理2.應(yīng)用3.優(yōu)缺點(diǎn)1.原理2.應(yīng)用3.優(yōu)缺點(diǎn)（三）維氏硬度（一）布氏硬度布氏硬度試驗(yàn)是指用一定直徑的硬質(zhì)合金球以相應(yīng)的試驗(yàn)力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，用測(cè)量的表面壓痕直徑計(jì)算硬度的一種壓痕硬度試驗(yàn)。

布氏硬度試驗(yàn)原理圖布氏硬度實(shí)際測(cè)試時(shí)，硬度值是不用計(jì)算的，利用刻度放大鏡測(cè)出壓痕直徑d，根據(jù)值d查平面布氏硬度表即可查出硬度值。目前，金屬布氏硬度用符號(hào)HBW表示，布氏硬度試驗(yàn)范圍上限為650HBW。

測(cè)量比較軟的材料。測(cè)量范圍<650HBW的金屬材料，如鑄鐵、有色金屬、低合金結(jié)構(gòu)鋼。3.優(yōu)缺點(diǎn)2.應(yīng)用

壓痕大，測(cè)量準(zhǔn)確，但不能測(cè)量成品件。1.

原理（二）洛氏硬度加初載荷加主載荷卸除主載荷讀硬度值2.應(yīng)用范圍淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼120°金剛石圓錐體HRC有色金屬1.588mm鋼球HRB

硬質(zhì)合金、滲碳鋼120°金剛石圓錐體HRA常用洛氏硬度標(biāo)度的試驗(yàn)范圍優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)有最廣，操作簡(jiǎn)便、迅速，效高，可直接測(cè)量成品及高硬度的材料。3.優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)：壓痕小，測(cè)量不準(zhǔn)確，需多次測(cè)量。

（三）維氏硬度(HV)

(1)測(cè)試原理和布氏硬度試驗(yàn)原理基本相同。(2)表示方法

例如：640HV30/20。(3)適用范圍

用于測(cè)量金屬鍍層薄片材料和化學(xué)熱處理后的表面硬度。

維氏硬度測(cè)試原理示意備注各硬度值之間大致有以下關(guān)系：布氏硬度值在200～450HBW范圍內(nèi)，HBW=10HRC；布氏硬度值小于450HBW，

HBW≈HV

引言：

強(qiáng)度、硬度、塑性等力學(xué)性能指標(biāo)都是材料在靜載荷作用下的表現(xiàn)。

材料在工作時(shí)還經(jīng)常受到動(dòng)載荷的作用，沖擊載荷就是常見的一種。靜載荷包括不隨時(shí)間變化的恒載（如自重）和加載變化緩慢以至可以略去慣性力作用的準(zhǔn)靜載（如鍋爐壓力）；四、韌性

動(dòng)載荷動(dòng)載荷包括短時(shí)間快速作用的沖擊載荷（如空氣錘）、隨時(shí)間作周期性變化的周期載荷（如空氣壓縮機(jī)曲軸）其對(duì)材料的作用效果或破壞效應(yīng)大于靜載荷。1.沖擊載荷在很短時(shí)間內(nèi)作用物體上的載荷稱為沖擊載荷。加載時(shí)間短，加載速率高；有時(shí)利用，有時(shí)盡量避免或減小。載荷作用效果大，所以必須考慮材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力，即沖擊韌性。沖擊載荷與靜載荷的主要區(qū)別在于加載時(shí)間短、加載速率高、應(yīng)力集中。沖擊載荷對(duì)材料的作用效果或破壞效應(yīng)大于靜載荷。2.沖擊韌性的概念

金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力，稱為沖擊韌性。示例：玻璃在沖擊載荷作用下非常容易破裂，說明其沖擊韌性很低。3.沖擊試驗(yàn)沖擊試樣沖擊試驗(yàn)原理一次擺錘沖擊試驗(yàn)沖擊韌性的表示方法沖擊試樣

原理沖擊韌性可以通過一次擺錘沖擊試驗(yàn)來測(cè)定，試驗(yàn)時(shí)將帶有U型或V型缺口的沖擊試樣放在試驗(yàn)機(jī)架的支座上，將擺錘升至高度H1，使其具有勢(shì)能mgH1；然后使擺錘由此高度自由下落將試樣沖斷，并向另一方向升高至H2，這時(shí)擺錘的勢(shì)能為mgH2。所以，擺錘用于沖斷試樣的能量

AK=mg（H1-H2），即為沖擊功（焦耳/J）。4.材料沖擊韌性的表示方法國(guó)標(biāo)GB/T229－1994沖擊吸收功：表征金屬材料沖擊韌性高低的指標(biāo)是沖擊吸收功，也就是材料在斷裂前所吸收的能量。根據(jù)試樣缺口的不同，沖擊吸收功用AKV和AKU表示，單位為焦耳，數(shù)值可從試驗(yàn)機(jī)的刻度盤上讀出。沖擊吸收能量的值越大，材料的韌性越大，越可以承受較大的沖擊載荷。沖擊吸收能量或沖擊韌性值越大，材料的韌性越大，越可以承受較大的沖擊載荷。一般把沖擊吸收能量低的材料稱為脆性材料，沖擊吸收能量高的材料稱為韌性材料?！拘≠Y料】GB/T229－2007與GB/T229－1994相比，在金屬?zèng)_擊韌性的名稱和符號(hào)等方面有較大變化，為方便讀者學(xué)習(xí)，將關(guān)于金屬材料沖擊韌性的新、舊標(biāo)準(zhǔn)名稱和符號(hào)對(duì)照列于下表中。新標(biāo)準(zhǔn)GB/T229－2007舊標(biāo)準(zhǔn)GB/T229－1994名稱符號(hào)名稱符號(hào)沖擊吸收能量K沖擊吸收功AKU型缺口試樣在2mm錘刃下的沖擊吸收能量KU2U型缺口沖擊吸收功(2mm錘刃)AKUU型缺口試樣在8mm錘刃下的沖擊吸收能量KU8V型缺口試樣在2mm錘刃下的沖擊吸收能量KV2V型缺口沖擊吸收功(2mm錘刃)AKVV型缺口試樣在8mm錘刃下的沖擊吸收能量KV8轉(zhuǎn)變溫度Tt韌脆轉(zhuǎn)變溫度TC低溫脆性——隨溫度降低，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的現(xiàn)象。冷脆：材料因溫度降低導(dǎo)致沖擊韌性的急劇下降并引起脆性破壞的現(xiàn)象。對(duì)壓力容器、橋梁、汽車、船舶的影響較大。

低溫脆性延伸閱讀沖擊韌性與溫度有密切的關(guān)系，溫度降低，沖擊韌性隨之降低。當(dāng)?shù)陀谀骋粶囟葧r(shí)材料的韌性急劇下降，材料將由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。這一溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度（Tt

）。轉(zhuǎn)變溫度（Tt

）越低，表明材料的低溫韌性越好，對(duì)于在寒冷地區(qū)使用的材料要十分重要。金屬材料的成分對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響很大，一般的碳素鋼，其韌脆轉(zhuǎn)變溫度（Tt

）大約為-20℃，某些合金鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度（Tt

）可達(dá)-40℃以下。TITANIC建造中的Titanic號(hào)TITANIC的沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)1912年4月號(hào)稱永不沉沒的泰坦尼克號(hào)（Titanic）首航沉沒于冰海，成了20世紀(jì)令人難以忘懷的悲慘海難。20世紀(jì)80年代后，材料科學(xué)家通過對(duì)打撈上來的泰坦尼克號(hào)船板進(jìn)行研究，回答了80年的未解之謎。由于Titanic號(hào)采用了含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。所以，當(dāng)船在冰水中撞擊冰山時(shí)，脆性船板使船體產(chǎn)生很長(zhǎng)的裂紋，海水大量涌入使船迅速沉沒。下圖中左面的試樣取自海底的Titanic號(hào)，沖擊試樣是典型的脆性斷口，右面的是近代船用鋼板的沖擊試樣。6.提高沖擊韌性的途徑

沖擊韌性是一個(gè)對(duì)材料組織結(jié)構(gòu)相當(dāng)敏感的量，所以提高材料的沖擊韌性的途徑有：

改變材料的成分，如加入釩、鈦、鋁、氮等元素，通過細(xì)化晶粒來提高其韌性，尤其是低溫韌性；

提高材料的冶金質(zhì)量，減少偏析、夾渣、氣泡等缺陷；

人工作久了就會(huì)感到疲勞，難道金屬工作久了也會(huì)疲勞嗎？金屬的疲勞能得到恢復(fù)嗎？金屬材料在受到交變應(yīng)力或重復(fù)循環(huán)應(yīng)力時(shí)，往往在工作應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度的情況下突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。五、疲勞強(qiáng)度1998年6月3日，德國(guó)發(fā)生了戰(zhàn)后最慘重的一起鐵路交通事故。一列高速列車脫軌，造成100多人遇難。事故的原因已經(jīng)查清，是因?yàn)橐还?jié)車廂的車輪“內(nèi)部疲勞斷裂”引起的。首先是一個(gè)車輪的輪箍發(fā)生斷裂，導(dǎo)致車輪脫軌，進(jìn)而造成車廂橫擺，此時(shí)列車正好過橋，橫擺的車廂以其巨大的力量將橋墩撞斷，造成橋梁坍塌，壓住了通過