金屬的力學(xué)性能

按作用形式不同分：6、變形：材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。分為彈性變形與塑性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。一、強(qiáng)度概念：強(qiáng)度是指金屬抵抗永久變形（塑性變形）和斷裂

的能力。通過拉伸試驗(yàn)測得大小。強(qiáng)度的大小通常用應(yīng)力來表示。

=F/S

-----應(yīng)力Pa1Pa=1N/m21MPa=106Pa

按載荷的作用方式不同，強(qiáng)度可分為：抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、和抗扭強(qiáng)度。注意：一般多以抗拉強(qiáng)度作為判別金屬強(qiáng)度高低的指標(biāo)。拉伸實(shí)驗(yàn)

（金屬的抗拉強(qiáng)度和塑性都是通過拉伸試驗(yàn)測定）（金屬的抗拉強(qiáng)度和塑性都是通過拉伸試驗(yàn)測定）GB/T228-2002）1.拉伸試樣2.力—伸長曲線（以低碳鋼試樣為例）3.脆性材料的拉伸曲線1.拉伸試樣（GB6397-86）長試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0萬能材料試驗(yàn)機(jī)

a)WE系列液壓式b)WDW系列電子式2.力－伸長曲線彈性變形階段屈服階段頸縮現(xiàn)象拉伸試驗(yàn)中得出的拉伸力與伸長量的關(guān)系曲線。強(qiáng)化階段

(a)試樣(b)伸長(c)產(chǎn)生縮頸(d)斷裂拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象ΔLF03.脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對比）脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象。

應(yīng)力

=P/F0應(yīng)變

=(l-l0)/l0三、強(qiáng)度

——金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和破壞的能力

工程上常用的金屬材料的強(qiáng)度指標(biāo)：屈服點(diǎn)（σs）或規(guī)定殘余伸長應(yīng)力（σr）抗拉強(qiáng)度(σb)屈服點(diǎn)（σs）:指材料產(chǎn)生屈服時(shí)的應(yīng)力規(guī)定殘余伸長率為0.2%時(shí)的應(yīng)力材料屈服時(shí)的拉力（N）屈服點(diǎn)（屈服極限）原標(biāo)準(zhǔn)（GB228-76）：屈服強(qiáng)度很重要，大多數(shù)零件不允許有塑性變形規(guī)定殘余伸長應(yīng)力:對有明顯屈服現(xiàn)象的材料對無明顯屈服現(xiàn)象的材料抗拉強(qiáng)度:材料在拉伸條件下所能承受最大力的應(yīng)力值拉伸過程中最大的拉力（N）若零件在使用時(shí)不允許產(chǎn)生過量塑性變形，應(yīng)以材料的σs或σ0.2進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。若零件在使用時(shí)只要求不發(fā)生破壞，則以材料的σb來設(shè)計(jì)計(jì)算。因此σs和σb是機(jī)械零件設(shè)計(jì)計(jì)算的主要依據(jù)。很重要，表示零件破壞前能抗的最大應(yīng)力值強(qiáng)度的意義強(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。二、塑性

——在外力作用下金屬材料在斷裂前產(chǎn)生不可逆永久變形的能力常用的塑性判據(jù)：拉伸時(shí)的斷后伸長率和斷面收縮率1、斷后伸長率由于同一材料用不同長度的試樣測得的斷后伸長率δ數(shù)值不同，因此應(yīng)注明試樣尺寸比例。如:δ10——試樣L0=10d0δ5——試樣L0=5d0試樣拉斷后的標(biāo)距（mm）試樣原始標(biāo)距（mm）2、斷面收縮率試樣斷裂后縮頸處的最小橫截面積（mm2）試樣原始截面積（mm2）δ和ψ是用來判斷材料在斷裂前所能產(chǎn)生的最大塑性變形量大小。一般認(rèn)為ψ＞5％的材料為塑性材料，如低碳鋼；ψ＜5％的為脆性材料，如灰鑄鐵

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塑性對材料的意義:1.是金屬材料進(jìn)行壓力加工的必要條件;2.提高安全性:因?yàn)榱慵诠ぷ鲿r(shí)萬一超載，也會由于塑性變形使材料強(qiáng)化而避免突然斷裂

強(qiáng)度與塑性是一對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。超塑性通常情況下金屬的伸長率不超過90%，而有些金屬及其合金在某些特定的條件下，最大伸長率可高達(dá)1000%～2000%，個別的可達(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。

GB/T228-2002新標(biāo)準(zhǔn)

GB/T228-1987舊標(biāo)準(zhǔn)名稱符號名稱符號屈服強(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斷后伸長率A或A11.3斷后伸長率δ5或δ10斷面收縮率Z斷面收縮率ψ第一章金屬材料的力學(xué)性能

本節(jié)重點(diǎn)：金屬材料的力學(xué)性能主要內(nèi)容：金屬材料的力學(xué)性能,包括材料的強(qiáng)度、硬度、塑性、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度等。本節(jié)難點(diǎn)：各性能指標(biāo)的物理意義和測定方法材料分類復(fù)合材料金屬材料陶瓷材料高分子材料材料的性能使用性能工藝性能物理性能化學(xué)性能

力學(xué)性能

熱處理性能鑄造性能焊接性能鍛造性能切削加工性能

(指金屬材料在使用過程中表現(xiàn)出的性能)(指金屬材料在加工過程中表現(xiàn)出的性能)金屬材料的力學(xué)性能

-----------是指金屬材料在受外力作用時(shí)所反映出來的性能。思考如果把鐵絲和鋼絲折彎有何區(qū)別?常用的力學(xué)性能主要有：強(qiáng)度、硬度、塑性、沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度等。研究力學(xué)性能意義：是選擇和使用金屬材料的重要依據(jù)第一節(jié)剛度、強(qiáng)度、塑性一、拉伸試驗(yàn)及拉伸曲線拉伸試驗(yàn)機(jī)OE段：彈性變形階段；平臺或鋸齒（ES段）：屈服階段；SB段：均勻塑性變形階段，是強(qiáng)化階段。B點(diǎn)：形成了“縮頸”。BK段：非均勻變形階段，承載下降，到K點(diǎn)斷裂。彈性變形——去除外力后試樣恢復(fù)原狀的變形塑性變形——在外力消失后留下來的這部分不可恢復(fù)的變形

1、變形過程2、應(yīng)力與應(yīng)變曲線應(yīng)力σ：單位面積上試樣承受的載荷。這里用試樣承受的載荷除以試樣的原始橫截面積S0表示:

F σ=——(Mpa) S0應(yīng)變ε：單位長度的伸長量。這里用試樣的伸長量除以試樣的原始標(biāo)距表示:

Δl

ε=——

l0應(yīng)力－應(yīng)變曲線（σ-ε曲線）形狀和拉伸曲線相同，單位不同思考怎樣比較不同材料抵抗外力能力的大小？2、應(yīng)力與應(yīng)變曲線比例極限（σp）例:彈簧秤彈性極限（σe）如:彈簧屈服極限（σs）抗拉極限(σb)二、剛度

——是表征金屬材料抵抗彈性變形的能力σ＝Eε

式中的E為與材料有關(guān)的常數(shù)，稱為彈性模量，工程上常用E作為衡量材料剛度的指標(biāo)。E值越大，在一定應(yīng)力作用下產(chǎn)生的彈性變形越小，則剛度越大彈性模量主要取決于金屬材料的種類，即金屬的本性（晶格類型、晶格常數(shù)等）。一般機(jī)械零件大都在彈性狀態(tài)下工作，對剛度有一定要求，如機(jī)床主軸、起重機(jī)臂等，在使用時(shí)不允許產(chǎn)生過量的彈性變形。三、強(qiáng)度

——金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和破壞的能力

工程上常用的金屬材料的強(qiáng)度指標(biāo)：屈服點(diǎn)（σs）或規(guī)定殘余伸長應(yīng)力（σr）抗拉強(qiáng)度(σb)屈服點(diǎn)（σs）:指材料產(chǎn)生屈服時(shí)的應(yīng)力規(guī)定殘余伸長率為0.2%時(shí)的應(yīng)力材料屈服時(shí)的拉力（N）屈服點(diǎn)（屈服極限）原標(biāo)準(zhǔn)（GB228-76）：屈服強(qiáng)度很重要，大多數(shù)零件不允許有塑性變形規(guī)定殘余伸長應(yīng)力:對有明顯屈服現(xiàn)象的材料對無明顯屈服現(xiàn)象的材料抗拉強(qiáng)度:材料在拉伸條件下所能承受最大力的應(yīng)力值拉伸過程中最大的拉力（N）若零件在使用時(shí)不允許產(chǎn)生過量塑性變形，應(yīng)以材料的σs或σ0.2進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。若零件在使用時(shí)只要求不發(fā)生破壞，則以材料的σb來設(shè)計(jì)計(jì)算。因此σs和σb是機(jī)械零件設(shè)計(jì)計(jì)算的主要依據(jù)。很重要，表示零件破壞前能抗的最大應(yīng)力值四、塑性

——在外力作用下金屬材料在斷裂前產(chǎn)生不可逆永久變形的能力常用的塑性判據(jù)：拉伸時(shí)的斷后伸長率和斷面收縮率1、斷后伸長率由于同一材料用不同長度的試樣測得的斷后伸長率δ數(shù)值不同，因此應(yīng)注明試樣尺寸比例。如:δ10——試樣L0=10d0δ5——試樣L0=5d0試樣拉斷后的標(biāo)距（mm）試樣原始標(biāo)距（mm）2、斷面收縮率試樣斷裂后縮頸處的最小橫截面積（mm2）試樣原始截面積（mm2）δ和ψ是用來判斷材料在斷裂前所能產(chǎn)生的最大塑性變形量大小。一般認(rèn)為ψ＞5％的材料為塑性材料，如低碳鋼；ψ＜5％的為脆性材料，如灰鑄鐵

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塑性對材料的意義:1.是金屬材料進(jìn)行壓力加工的必要條件;2.提高安全性:因?yàn)榱慵诠ぷ鲿r(shí)萬一超載，也會由于塑性變形使材料強(qiáng)化而避免突然斷裂

第二節(jié)沖擊韌性在設(shè)計(jì)和制造受沖擊載荷的零件和工具（如鍛錘、沖床、鉚釘槍等）時(shí)，必須考慮所用材料的沖擊吸收功或沖擊韌度。一、擺錘式一次沖擊試驗(yàn)

把試樣放在試驗(yàn)機(jī)的支承面上，試樣的缺口背向擺錘沖擊方向。將質(zhì)量為m的擺錘安放到規(guī)定的高度H，然后下落，將試樣打斷，并擺過支點(diǎn)升到某一高度h，試樣在沖擊試驗(yàn)力一次作用下，折斷時(shí)所吸收的功為沖擊吸收功為Ak。1、試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功Ak為:

Ak=mgH–mgh(J)2、沖擊韌度ak

AK

ak=(J/cm2)Sk二、沖擊吸收功和沖擊韌度就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。沖擊吸收功Ak

作為材料韌性判據(jù)，與溫度、試樣形狀、尺寸、表面粗糙度、內(nèi)部組織和缺陷有關(guān)。1.沖擊韌度對材料內(nèi)部缺陷反映很敏感能夠靈敏地顯示材料的宏觀缺陷和組織微小變化，因此在生產(chǎn)中可用來檢驗(yàn)材料的冶金質(zhì)量,熱加工質(zhì)量沖擊韌度對材料的意義:2.沖擊韌度隨溫度下降越來越低→冷脆現(xiàn)象在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以下，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，說明低溫沖擊性能越好

第四節(jié)疲勞強(qiáng)度交變應(yīng)力：是指大小和方向構(gòu)隨時(shí)間周期變化的應(yīng)力。材料的疲勞：材料在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下，在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累計(jì)損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程。在多次交變應(yīng)力作用，金屬會在遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度σb，甚至小于屈服點(diǎn)σs。的應(yīng)力下失效（出現(xiàn)裂紋或完全斷裂）

疲勞破壞的原因：應(yīng)力集中——微裂紋——擴(kuò)展——斷裂破壞。疲勞強(qiáng)度（σ-1）：金屬材料經(jīng)無窮多次（107）應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力值。疲勞曲線：實(shí)驗(yàn)證明，一般鋼鐵材料所受交變應(yīng)力最大值σmax與其失效前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（疲勞壽命）N的曲線關(guān)系。一、判斷題1.有些沒有明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料其屈服點(diǎn)可用符號σr0.2表示2.一般來說硬度高的金屬材料耐磨性也好。3.壓痕直徑越大，材料硬度越高。4.甲零件的硬度為250HBS，乙零件的硬度為52HRC，則甲比乙的硬度高。5.材料在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力稱為剛度。6.材料在多次交變載荷作用下的破壞現(xiàn)象稱為疲勞。7.強(qiáng)度高的材料，韌性都低。8.沖擊吸收功是機(jī)械零件設(shè)計(jì)選材的主要依據(jù)。9.某些機(jī)械零件工作時(shí)承受應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服點(diǎn)，也能發(fā)生突然性斷裂。10.拉伸試驗(yàn)時(shí)，試樣的伸長量與拉伸力總成正比。11.屈服點(diǎn)代表試樣在試驗(yàn)過程中力不增加，而仍能繼續(xù)伸長（變形）時(shí)的應(yīng)力。12.金屬材料的硬度越高，其抵抗局部彈性變形能力越強(qiáng)。二、選擇題1、拉伸試驗(yàn)可測定材料的（）。A.強(qiáng)