《金屬工藝學(第2版)》教學講義 第2章金屬材料的性能

課題名稱：金屬的力學性能（強度、塑性）

授課時數(shù)：2

教學目的、要求：

1.掌握力學性能的概念

2.熟悉拉伸試驗和低碳鋼拉伸曲線

3.掌握強度、塑性主要指標、符號、單位、物理意義與試驗方法

教學重點、難點：

重點、難點：強度、塑性等力學性能指標的含義

教學過程：

（一）復習提問

1.課程的性質、任務、要求、學習方法

2.煉鐵的原料、過程、產(chǎn)品、實質

3.煉鋼的方法、分類、澆注方法、鋼材種類

（二）導入新課、授新課

第2章金屬材料的性能

金屬材料的性能包含使用性能和工藝性能兩方面。

使用性能一一指金屬材料在使用條件下所表現(xiàn)出來的性能，它包括物理性能

（如密度、熔點、導熱性、導電性、熱膨脹性、磁性等）、化學性能（如耐腐蝕性、

抗氧化性等）、力學性能等。

工藝性能一一指金屬在制造加工過程中反映出來的各種性能。

2.1金屬的力學性能

一、基本概念

力學性能一一金屬在力或能的作用下，材料所表現(xiàn)出來的性能。

載荷——金屬材料在加工及使用過程中所受的外力。

載荷按其作用性質不同可分為以下三種：

⑴靜載荷是指大小不變或變化過程緩慢的載荷。

⑵沖擊載荷在短時間內以較高速度作用于零件上的載荷。

⑶交變載荷是指大小、方向或大小和方向隨時間作周期性變化的載荷。

根據(jù)作用形式不同，載荷可分為一一拉伸載荷、壓縮載荷、彎曲載荷、剪切載

荷和扭轉載荷等，如圖2-2所示。

變形一一分為彈性變形和塑性變形兩種。

彈性變形一一材料在載荷作用下發(fā)生變形，而當載荷卸除后，變形也完全消失。

塑性變形一一當作用在材料上的載荷超過某一限度，此時若卸除載荷，大部分

變形隨之消失（彈性變形部分），但還是留下了不能消失的部分變形，也稱為永久

變形。

內力一一材料受外力作用時，為保持自身形狀尺寸不變，在材料內部作用著與

外力相對抗的力。

應力一一單位面積上的內力。金屬受拉伸載荷或壓縮載荷作用時，其橫截面積

上的應力按下式計算：

F

（J二飛

式中a----應力（MPa）；

F----外力（N）；

2

S----橫截面積（mm）o

二、拉伸圖

強度——金屬在鄢載荷作用下，抵抗塑性變形或斷裂的能力。大小通常用應

力來表示。

根據(jù)載荷作用方式不同，強度可分為抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強

度和抗扭強度等五種。一般情況下多以抗拉強度作為判別金屬強度高低的指標。

抗拉強度是通過拉伸試驗測定的，通常在拉伸試驗機上進行。拉伸試驗的方法

是用靜拉力對標準試樣進行軸向拉伸，同時連續(xù)測量力和相應的伸長量，直至試樣

斷裂，根據(jù)測得的數(shù)據(jù)，即可得出有關的力學性能。

1.拉伸試樣

拉伸試樣的形狀一般有圓形和矩形兩類。在國家標準（GB/T228—2002）中，

對試樣的形狀、尺寸及加工要求均有明確的規(guī)定。

根據(jù)標距長度與直徑之間的關系，試樣可分為長試樣（Ao=10d）和短試樣

（Lo=5d）兩種。

2.力一伸長曲線

拉伸試驗過程中隨著載荷的均勻增加，試樣不斷地由彈性伸長過渡到塑性伸長

直至斷裂。一般試驗機都具有自動記錄裝置，可以把作用在試樣上的力和伸長描繪

成拉伸圖，也叫做力一伸長曲線。圖2-4是低碳鋼的力一伸長曲線，圖中縱坐標表

示力產(chǎn)，單位為N；橫坐標表示伸長量△/,單位為mm。圖中明顯地表現(xiàn)出下面

幾個變形階段：

（1）op―彈性變形階段

⑵p點后的水平或鋸齒狀線段一一屈服階段

（3）屈服后至m點——強化階段

（4）mk一一縮頸階段（局部塑性變形階段）

注意：工程上使用的金屬材料，多數(shù)沒有明顯的屈服現(xiàn)象，如退火的輕金屬、

退火及調質的合金鋼等。有些脆性材料，不僅沒有屈服現(xiàn)象，而且也不產(chǎn)生“縮

頸”，如鑄鐵等。

三、強度

金屬材料在靜載荷作用下抵抗塑性變形或斷裂的能力稱為強度。強度的大小通

常用應力來表示。常見的強度指標包括以下幾項：

1.屈服強度在拉伸試驗過程中，載荷不增加（或保持恒定），試樣仍能繼續(xù)

伸長時的應力稱為屈服強度，分為上屈服強度和下屈服強度。

（1）上屈服強度的計算公式：

“工<2,2）

式中心H~上屈服強度，即試樣發(fā)生屈服而載荷首次下降前的最高應力（Mpa）；

FCH一一上屈服載荷，即試樣發(fā)生屈服而載荷首次下降前的最高載荷，N：

So一試樣原始橫截面積（mn?）。

（2）下屈服強度的計算公式：

必=g（23）

%

式中&L一一下屈服強度，是指在屈服期間的恒定應力或不計初始瞬時效應時的

最低應力（Mpa）

KL——下屈服載荷，是指在屈服期間的恒定載荷或不計初始瞬時效應時

的最低載荷（N）；

So----試樣原始橫截面積（mm?）。

對于無明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料，按照國家標準GB/T228—2002規(guī)定，可用

規(guī)定殘余延伸強度凡ON表示。&）.2表示卸除載荷后試樣的規(guī)定殘余延伸率達到0.2%

時的應力，其計算公式如下:

耳。.2=嬖（24）

式中凡0.2：—規(guī)定殘余延伸強度（Mpa）；

F.O,2：一規(guī)定殘余延伸率達到0.2%時的載荷（N）。

材料的屈服強度或規(guī)定殘余延伸強度都是衡量金屬材料塑性變形抗力的指標。

機械零件在工作時如受力過大，則因過量的塑性變形而失效。當零件工作時所受的

應力，低于材料的屈服強度或規(guī)定殘余延伸強度，則不會產(chǎn)生過量的塑性變形。材

料的屈服強度或規(guī)定殘余延伸強度越高，允許的工作應力也越高，則零件的截面尺

寸及自身質量就可以減小。因此，材料的屈服點或規(guī)定殘余伸長應力是機械零件設

計的主要依據(jù)，也是評定金屬材料性能的重要指標。

（2）抗拉強度試樣在拉斷前所能承受的最大應力稱為抗拉強度，其計算公式如

下：

&=9（2.5）

式中Rm——抗拉強度（MPa）；

Fm一試樣拉斷前承受的最大載荷（N）；

S。一一試樣原始橫截面積（mm2）。

由拉伸圖可見，對塑性材料來說，在以前試樣均勻變形，而在E”以后變形

將集中在頸部。強度極限表征材料對最大均勻塑性變形的抗力，它在技術上非常重

要，工程上把抗拉強度作為設計時的主要依據(jù)之一，也是材料的主要力學性能指標

之一。零件在工作中所承受的應力，不允許超過抗拉強度，否則會產(chǎn)生斷裂。Rm

也是機械零件設計和選材的重要依據(jù)。

四、塑性指標及其意義

斷裂前金屬材料產(chǎn)生永久變形的能力稱為塑性。塑性指標也是山拉伸試驗測得

的，常用斷后伸長率和斷面收縮率來表示。

1.斷后伸長率

試樣拉斷后，標距的伸長與原始標距的百分比稱為斷后伸長率，用符號A表

示。其計算公式如下：

-二『4x100%（2.6）

L。

式中A——斷后伸長率（％）:

Lu—試樣拉斷后的標距（mm）；

L.----試樣的原始標距（mm）o

必須說明，同一材料的試樣長短不同，測得的伸長率是不同的。長、短試樣

的伸長率分別用符號A”.3和A表示。

2.斷面收縮率

試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比稱為斷面收縮

率，用符號Z表示。其計算公式如下：

Z=一―^-xlOO（2.7）

S0

式中z——斷面收縮率（％）；

S?！嚇釉紮M截面積（mm2）；

S”——試樣拉斷后縮頸處的橫截面積（mn?）。

金屬材料的斷后伸長率（A）和斷面收縮率（Z）數(shù)值越大，表示材料的塑性

越好。塑性好的金屬可以發(fā)生大量塑性變形而不破壞，易于通過塑性變形加工成復

雜形狀的零件。例如，工業(yè)純鐵的A可達50%,Z可達80%,可以拉制細絲，軋

制薄板等。鑄鐵的A幾乎為零，所以不能進行塑性變形加工。塑性好的材料?，在

受力過大時，首先產(chǎn)生塑性變形而不致發(fā)生突然斷裂，因此比較安全。

（三）課堂練習

略

（四）歸納小結

1.力學性能的概念

2.拉伸試驗和低碳鋼拉伸曲線

3.強度、塑性主要指標、符號、單位、物埋意義與試驗方法

（五）課堂作業(yè)

略

課題名稱：硬度沖擊韌性疲勞強度

金屬工藝性能

授課時數(shù)：2

教學目的、要求：

1.理解硬度、沖擊韌性、疲勞強度的概念

2.理解金屬的工藝性能及對加工的影響

教學重點、難點：

重點：硬度的性能指標

難點：疲勞的概念、含義

教學過程

（-）復習提問

1.力學性能的概念

2.拉伸試驗和低碳鋼拉伸曲線

3.強度、塑性主要指標、符號、單位、物理意義與試驗方法

（二）導入新課、授新課

2.1.4硬度

材料抵抗局部變形特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力稱為硬度。它不是一個

單純的物理或力學量，而是代表彈性、塑性、塑性變形強化率、強度和韌性等一系

列不同物理量的綜合性能指標。

硬度測試的方法很多，最常用的有布氏硬度試驗法、洛氏硬度試驗法和維氏硬

度試驗法三種。

1.布氏硬度

⑴布氏硬度的測拭原理使用直徑為D的球體（鋼球或硬質合金球），以規(guī)

定的試驗力F壓人試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后卸除試驗力，然后測量表面壓痕

直徑"，用壓痕表面積S除載荷F,所得應力值即為布氏硬度，以符號HB表示，

如圖2-5所示。

布氏硬度值是用球面壓痕單位表面積上所承受的平均壓力來表示。用符號

HBS（HBW）來表示。

⑵布氏硬度的表示方法布氏硬度的表示符號為HBS和HBW兩種。壓頭為

淬火鋼球時用HBS表示，一般適用于測量軟灰鑄鐵、有色金屬等布氏硬度值在450

以下的材料。壓頭為硬質合金時?，則用HBW表示，適用于布氏硬度值在650以下

的材料。符號HBS或HBW之前的數(shù)字為硬度值，符號后面按以下順序用數(shù)字表

示試驗條件：

2.洛氏硬度

⑴洛氏硬度測試原理洛氏硬度試驗采用金剛石圓錐體或淬火鋼球壓頭，壓

入金屬表面后，經(jīng)規(guī)定保持時間后卸除主試驗力，以測量的壓痕深度來計算洛氏硬

度值。

測量的示意圖如圖2-6所示。

3.維氏硬度

維氏硬度試驗原理基本上和布氏硬度試驗相同：將相對面夾角為136°的正四

棱錐體金剛石壓頭以選定的試驗力壓人試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后卸除試驗力,

用測量壓痕對角線的長度來計算硬度，如圖2-8所示。維氏硬度和壓痕表面積除試

驗力的商成比例，維氏硬度用符號HV表示。

2.1.5沖擊韌性

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。目前，常用一次擺

錘沖擊彎曲試驗來測定金屬材料的沖擊韌性。

1.沖擊試樣

沖擊試驗是一種動態(tài)力學試驗。為了使試驗結果可以互相比較，必須采用標準

試樣。沖擊試樣的類型很多，可根據(jù)國家標準有關規(guī)定來選擇。常用的試樣有10

mmxl()mmx55mm的U形缺口和V形缺口試樣，其尺寸如圖2-10和圖2-11所示。

275±0-4?8加

圖2-10U形缺口沖擊試樣圖2-11V形缺口沖擊試樣

沖擊韌度是沖擊試樣缺口處單位橫截面積上的沖擊吸收功。沖擊韌度越大，表

示材料的沖擊韌性越好。

必須說明的是，使用不同類型的試樣(V形缺口或U形缺口)進行試驗時，其

沖擊吸收功應分別標為禰V或力KU,沖擊韌度則標為OIKI：或?KVO

2.小能量多次沖擊試驗

金屬零件在實際工作中承受沖擊載荷時，很少因一次大能量沖擊而遭破壞，絕

大多數(shù)是在一次沖擊不足以使零件破壞的小能量多次沖擊作用下而破壞的，如鑿巖

機風鎬上的活塞、沖模的沖頭等。它們的破壞是由于多次沖擊損傷的積累，導致裂

紋的產(chǎn)生與擴展的結果，根本不同于一次沖擊的破壞過程。對于這樣的零件，用沖

擊韌度來作為設計依據(jù)顯然是不符合實際的。因此，不能用一次沖擊試驗所測得的

儂值來衡量這些零件材料對沖擊載荷的抗力。

2.1.6疲勞強度

1.疲勞的概念

在交變應力作用下，雖然零件所承受的應力低于材料的屈服點，但經(jīng)過較長時

間的工作后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象稱為金屬的疲勞。

疲勞破壞是機械零件失效的主要原因之一。據(jù)統(tǒng)計，在機械零件失效中大約有

80%以上屬于疲勞破壞，而且疲勞破壞前沒有明顯的變形，所以疲勞破壞經(jīng)常造成

重大事故。

2.疲勞破壞的特征

盡管交變載荷有各種不同的類型，但疲勞破壞仍有以下共同的特點：

⑴疲勞斷裂時并沒有明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒有征兆，而是突然破壞;

⑵引起疲勞斷裂的應力很低，正常低于材料的屈服點；

⑶疲勞破壞的宏觀斷口由兩部分組成，即疲勞裂紋的產(chǎn)生及擴展區(qū)（光滑部

分）和最后斷裂區(qū)（粗糙部分）。

機械零件產(chǎn)生疲熒斷裂的原因，是山于材料表面或內部有缺陷（夾雜、劃痕、

顯微裂紋等），這些部位在交變應力反復作用下產(chǎn)生了微裂紋，致使其局部應力大

于屈服點，從而產(chǎn)生局部塑性變形而導致開裂。并隨著應力循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋

不斷擴展使零件實際承受載荷的面積不斷減少，直至減少到不能承受外加載荷的作

用時而產(chǎn)生突然斷裂。

2.2金屬的工藝性能

工藝性能是指金屬材料在加工過程中是否易于加工成形的能力，它包括鑄造性

能、鍛造性能、焊接性能和切削加工性能等。工藝性能宜接影響到零件制造工藝和

質量，是選材和制定零件工藝路線時必須考慮的因素之一。

一、鑄造性能

金屬及合金在鑄造工藝中獲得優(yōu)良鑄件的能力稱為鑄造性能。衡量鑄造性能的

主要指標有流動性、收縮性和偏