第一章材料力學(xué)性能

1、金屬材料的性能金屬材料的性能 工藝性能工藝性能使用性能使用性能物理性能物理性能化學(xué)性能化學(xué)性能力學(xué)性能力學(xué)性能鑄造性能鑄造性能鍛造性能鍛造性能切削加工性能切削加工性能焊接性能焊接性能熱處理性能熱處理性能彈性彈性塑性塑性強(qiáng)度強(qiáng)度硬度硬度韌性韌性疲勞疲勞斷裂斷裂 靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)42013-2014學(xué)年第1學(xué)期材料力學(xué)性能1. 試樣制備中華人民共和國(guó)國(guó)標(biāo)GB/T228-2002金屬材料室溫拉伸實(shí)驗(yàn)方法1.1 實(shí)驗(yàn)方法5工作部分過(guò)渡部分夾持部分試樣表面光潔2014-2015學(xué)年第1學(xué)期材料力學(xué)性能62014-2015學(xué)年第1學(xué)期材料力學(xué)性能72014-2015學(xué)年第1學(xué)期材料力學(xué)性能82.

2、試驗(yàn)設(shè)備2014-2015學(xué)年第1學(xué)期材料力學(xué)性能低碳鋼的應(yīng)力低碳鋼的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線拉伸試樣拉伸試樣拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸試驗(yàn)機(jī)應(yīng)力應(yīng)力 = F/A0應(yīng)變應(yīng)變 = (l-l0)/l0 s e s bbO 塑性變形彈性變形e1.1.彈性與剛度彈性與剛度 e e點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力e e。應(yīng)力。應(yīng)力低于低于e e點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生彈性變形，超過(guò)點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生彈性變形，超過(guò)e e點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生塑性變形。生塑性變形。 彈性極限彈性極限比例極限比例極限 p p點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力p p。OeOe線上線上OpOp部分為一條斜直線，應(yīng)力與應(yīng)變始終部分為一條斜直線，應(yīng)力與應(yīng)變始終成比例。成比例。 材料在彈

3、性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的比值材料在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的比值/（MpMp）稱）稱為彈性模數(shù)為彈性模數(shù)E E，表示材料抵抗彈性變形的能力，用來(lái)表示材料的剛度表示材料抵抗彈性變形的能力，用來(lái)表示材料的剛度。E E值值主要取決于各種材料的本性，而工藝參數(shù)對(duì)它的影響很小。主要取決于各種材料的本性，而工藝參數(shù)對(duì)它的影響很小。 彈性模數(shù)彈性模數(shù) e2.2.強(qiáng)度與塑性強(qiáng)度與塑性強(qiáng)度強(qiáng)度指材料在外力作用下抵抗永久變形和破壞的能力指材料在外力作用下抵抗永久變形和破壞的能力，最常，最常用的是拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)得的抗拉強(qiáng)度用的是拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)得的抗拉強(qiáng)度b bF Fb b/A/A 0.2塑性變形O0.2sesep bbpOb屈

4、服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 s：材料發(fā)材料發(fā)生微量塑性變形時(shí)的生微量塑性變形時(shí)的應(yīng)力值。應(yīng)力值。條件屈服強(qiáng)度條件屈服強(qiáng)度 0.2：殘余變形量為殘余變形量為0.2%0.2%時(shí)的應(yīng)力值。時(shí)的應(yīng)力值?？估瓘?qiáng)度抗拉強(qiáng)度 b：材料材料斷裂前所承受的最大斷裂前所承受的最大應(yīng)力應(yīng)力值值.指材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力指材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力 塑性塑性斷后伸長(zhǎng)率斷后伸長(zhǎng)率 %100%1000001lllll斷面收縮率斷面收縮率 %100%100010AAAAA斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象說(shuō)明：說(shuō)明： 用面縮率表示塑性比伸長(zhǎng)率更接近真實(shí)用面縮率表示塑性比伸長(zhǎng)率更接近真實(shí)變形。

5、變形。 直徑直徑d0 相同時(shí)，相同時(shí)，l0 ， 。只有當(dāng)。只有當(dāng)l0/d0 為為常數(shù)時(shí)，塑性值才有可比性。常數(shù)時(shí)，塑性值才有可比性。當(dāng)當(dāng)l0=10d0 時(shí)，伸長(zhǎng)率用時(shí)，伸長(zhǎng)率用 10 表示；表示；當(dāng)當(dāng)l0=5d0 時(shí)，伸長(zhǎng)率用時(shí)，伸長(zhǎng)率用 5 表示。顯然表示。顯然 5 10 時(shí)，無(wú)頸縮，為脆性材料表征時(shí)，無(wú)頸縮，為脆性材料表征 時(shí)，有頸縮，為塑性材料表征時(shí)，有頸縮，為塑性材料表征3.3.硬度硬度 材料對(duì)局部塑性變形、壓痕或劃痕的抗力材料對(duì)局部塑性變形、壓痕或劃痕的抗力。是表現(xiàn)材料軟硬程度的一種性能。金屬硬度試驗(yàn)也是應(yīng)用最廣泛是表現(xiàn)材料軟硬程度的一種性能。金屬硬度試驗(yàn)也是應(yīng)用最廣泛的力學(xué)性能試驗(yàn)

6、方法。的力學(xué)性能試驗(yàn)方法。僅在金屬表面產(chǎn)生很小壓痕，可在成品上試驗(yàn)不需專門加工試樣僅在金屬表面產(chǎn)生很小壓痕，可在成品上試驗(yàn)不需專門加工試樣易于檢查金屬表面層的質(zhì)量（如脫碳、表面淬火和化學(xué)熱處理后的表面性能）易于檢查金屬表面層的質(zhì)量（如脫碳、表面淬火和化學(xué)熱處理后的表面性能） 設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便迅速設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便迅速。 測(cè)量方法測(cè)量方法布氏硬度布氏硬度HBHB洛氏硬度洛氏硬度HRHR維氏硬度維氏硬度HVHV彈性回跳法彈性回跳法肖氏硬度肖氏硬度壓入法壓入法劃痕法劃痕法莫氏硬度莫氏硬度（1 1）布氏硬度（）布氏硬度（HBHB）D=10、5、2.5的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓入試

7、樣表面壓入試樣表面 保持一定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力保持一定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力 測(cè)量壓痕平均直徑，求出球形面積測(cè)量壓痕平均直徑，求出球形面積 用試驗(yàn)力除以球冠面積用試驗(yàn)力除以球冠面積 )(2102. 022dDDDPHB 布氏硬度計(jì)布氏硬度計(jì)符號(hào)符號(hào)HBS或或HBW之前的數(shù)字表示硬之前的數(shù)字表示硬度值度值, 符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)載荷及載荷保持時(shí)間。如間。如 120HBS10/1000/30 表表示直徑為示直徑為10mm的鋼球在的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作）載荷作用下保持用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為測(cè)得的布氏硬度值

8、為120。布氏硬度壓痕布氏硬度壓痕壓頭為鋼球時(shí)壓頭為鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)，布氏硬度用符號(hào)HBS表示，適用表示，適用于布氏硬度值在于布氏硬度值在450450以下的材料。以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，用符號(hào)，用符號(hào)HBW表示，適用表示，適用于布氏硬度在于布氏硬度在650650以下的材料。以下的材料。布氏硬度的特點(diǎn)：布氏硬度的特點(diǎn)： 壓痕面積大，其硬度值能反映金屬在較大范圍內(nèi)各組成相的平均性能，壓痕面積大，其硬度值能反映金屬在較大范圍內(nèi)各組成相的平均性能，而不受個(gè)別組成相及微小不均勻性的影響，測(cè)量誤差小，試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，而不受個(gè)別組成相及微小不均勻性的影響，測(cè)量誤差小，試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)

9、定，重復(fù)性強(qiáng)；重復(fù)性強(qiáng)；壓痕大，不能用于小件、成品件及比壓頭還硬的材料。壓痕大，不能用于小件、成品件及比壓頭還硬的材料。布氏硬度的應(yīng)用：布氏硬度的應(yīng)用： 適于測(cè)量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼、有色金屬適于測(cè)量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼、有色金屬、鑄鐵和鑄鐵和軸承合金等具有軸承合金等具有粗大晶?；蚪M成相的金屬材料的硬度。粗大晶粒或組成相的金屬材料的硬度。 （2 2）洛氏硬度（）洛氏硬度（HRHR）F1F0h0表盤表盤主試驗(yàn)力主試驗(yàn)力預(yù)試驗(yàn)力預(yù)試驗(yàn)力壓頭壓頭試樣試樣F1F0h1F1F0h1200洛氏硬度（常數(shù)洛氏硬度（常數(shù)h）/ S=N-h/S 符號(hào)符號(hào)HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。前面的數(shù)字為硬度值，

10、后面為使用的標(biāo)尺。最常用的標(biāo)尺有最常用的標(biāo)尺有A,B,ClHRA用于測(cè)量高硬度材料用于測(cè)量高硬度材料, 如如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。lHRB用于測(cè)量低硬度材料用于測(cè)量低硬度材料, 如如有色金屬和退火有色金屬和退火、正火鋼等。正火鋼等。lHRC用于測(cè)量中等硬度材料，用于測(cè)量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。鋼球壓頭與鋼球壓頭與金剛石壓頭金剛石壓頭洛氏硬度壓痕洛氏硬度壓痕洛氏硬度的特點(diǎn)：洛氏硬度的特點(diǎn)：洛氏硬度的應(yīng)用：洛氏硬度的應(yīng)用： 操作簡(jiǎn)便迅速，硬度值可直接讀出，壓痕較小，可在工件上進(jìn)行試驗(yàn)；操作簡(jiǎn)便迅速，硬度值可直接讀出，壓痕較小，可在工件上進(jìn)行

11、試驗(yàn)；缺點(diǎn)是壓痕小，代表性差，所測(cè)硬度值重復(fù)性差，分散度大。缺點(diǎn)是壓痕小，代表性差，所測(cè)硬度值重復(fù)性差，分散度大。 廣泛用于熱處理質(zhì)量的檢驗(yàn)廣泛用于熱處理質(zhì)量的檢驗(yàn) 洛氏硬度計(jì)的壓頭有兩種，當(dāng)測(cè)定硬度較高的材料時(shí)，選洛氏硬度計(jì)的壓頭有兩種，當(dāng)測(cè)定硬度較高的材料時(shí)，選用用120120 的金剛石圓錐壓頭；測(cè)定硬度較低的材料時(shí)，選用淬的金剛石圓錐壓頭；測(cè)定硬度較低的材料時(shí)，選用淬火鋼壓頭火鋼壓頭。 （3 3）維氏硬度（）維氏硬度（HVHV） 測(cè)試原理與布氏相同，根據(jù)壓痕面積計(jì)算硬測(cè)試原理與布氏相同，根據(jù)壓痕面積計(jì)算硬度值。壓頭為兩對(duì)面夾角度值。壓頭為兩對(duì)面夾角為為136136o o的金剛石四棱的金剛

12、石四棱錐體，測(cè)定壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度進(jìn)行查表。錐體，測(cè)定壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度進(jìn)行查表。 維氏硬度維氏硬度維氏硬度計(jì)維氏硬度計(jì)維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度壓痕維氏硬度壓痕 維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)，既可測(cè)量由極軟到極硬的材料的硬度，又能互相比較。既可測(cè)量大塊材料、表面硬化層的硬度，又可測(cè)量金相組織中不同相的硬度。但是，要測(cè)量對(duì)角線，工作效率低 。維氏硬度用符維氏硬度用符號(hào)號(hào)HV表示，符號(hào)前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示表示，符號(hào)前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時(shí)間。載荷值及載荷保持時(shí)間。d1d2TEM of Al85Ni10Ce5HVHV的特點(diǎn)及

13、應(yīng)用：的特點(diǎn)及應(yīng)用：4.4.韌性韌性（1 1）沖擊韌性）沖擊韌性（2 2）斷裂韌性）斷裂韌性（1 1）沖擊韌性）沖擊韌性材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力（材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力（a ak k）。 a a擺錘式一次沖擊實(shí)驗(yàn)擺錘式一次沖擊實(shí)驗(yàn)b. b.小能量多次沖擊實(shí)驗(yàn)小能量多次沖擊實(shí)驗(yàn)l指標(biāo)為沖擊指標(biāo)為沖擊韌性值韌性值ak(通通過(guò)沖擊實(shí)驗(yàn)過(guò)沖擊實(shí)驗(yàn)測(cè)得測(cè)得)。韌脆轉(zhuǎn)變溫度韌脆轉(zhuǎn)變溫度 材料的沖擊韌性隨溫材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。度下降而下降。在某在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象性值急劇下降的現(xiàn)象稱稱韌脆轉(zhuǎn)變韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱脆轉(zhuǎn)變的溫度

14、范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變韌脆轉(zhuǎn)變溫度。溫度。材料材料的使用溫度應(yīng)高于韌的使用溫度應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。脆轉(zhuǎn)變溫度。韌體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而大多數(shù)面心立變溫度，而大多數(shù)面心立方金屬?zèng)]有。方金屬?zèng)]有。TITANIC的沉沒(méi)的沉沒(méi)與船體材料的質(zhì)量與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)直接有關(guān)TITANICTitanic 號(hào)鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）號(hào)鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果的沖擊試驗(yàn)結(jié)果Titanic近代船用鋼板近代船用鋼板（2 2）斷裂韌性）斷裂韌性材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。裂紋尖端形成應(yīng)力分布特殊的應(yīng)力場(chǎng)。其強(qiáng)度可以用應(yīng)裂

15、紋尖端形成應(yīng)力分布特殊的應(yīng)力場(chǎng)。其強(qiáng)度可以用應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子力場(chǎng)強(qiáng)度因子K K1 1來(lái)描述。來(lái)描述。K K1 1值的大小與裂紋尺寸（值的大小與裂紋尺寸（2a2a）和外）和外加應(yīng)力（加應(yīng)力（）有下式關(guān)系：）有下式關(guān)系：aYKI 由上式可見(jiàn)，隨著應(yīng)力由上式可見(jiàn)，隨著應(yīng)力的增大，的增大，K K1 1不斷增大，當(dāng)不斷增大，當(dāng)K K1 1增大增大到某一定值時(shí)，可使裂紋前沿某一區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力大到足以到某一定值時(shí)，可使裂紋前沿某一區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力大到足以使材料分離，從而導(dǎo)致裂紋突然失穩(wěn)擴(kuò)展而發(fā)生斷裂。這使材料分離，從而導(dǎo)致裂紋突然失穩(wěn)擴(kuò)展而發(fā)生斷裂。這個(gè)個(gè)K K1 1的臨界值，稱為材料的斷裂韌度，用的臨界值，稱為材

16、料的斷裂韌度，用K K1c1c表示。表示。 練習(xí)練習(xí) 在交變載荷作用下，材料常常在遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度的應(yīng)力下在交變載荷作用下，材料常常在遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度的應(yīng)力下發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為材料的疲勞。發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為材料的疲勞。 材料之所以產(chǎn)生疲勞斷裂，是由于材料表面或內(nèi)部有缺陷。材料之所以產(chǎn)生疲勞斷裂，是由于材料表面或內(nèi)部有缺陷。這些地方應(yīng)力大于屈服強(qiáng)度，從而產(chǎn)生局部塑性變形而開(kāi)裂。這些地方應(yīng)力大于屈服強(qiáng)度，從而產(chǎn)生局部塑性變形而開(kāi)裂。這些微裂紋隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴(kuò)展，使承受載荷這些微裂紋隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴(kuò)展，使承受載荷的截面面積減少，最終斷裂。的截面面積減少，最終斷裂。

17、 5.5.疲勞疲勞36測(cè)試方法采用升降法進(jìn)行測(cè)試疲勞極限 從略高于材料的疲勞極限開(kāi)始測(cè)試，如果在該應(yīng)力下，不到規(guī)定的循環(huán)周次（107）就發(fā)生斷裂，則降低應(yīng)力水平，相反就升高一個(gè)應(yīng)力水平。在斷裂的測(cè)試結(jié)果圖中，用表示，而未發(fā)生斷裂的測(cè)試結(jié)果用表示。按照上述方法，測(cè)得的有效數(shù)據(jù)為13個(gè)以上，并在3-5個(gè)應(yīng)力水平，實(shí)驗(yàn)才結(jié)束。37 出現(xiàn)第一對(duì)相反數(shù)據(jù)前的數(shù)據(jù)為無(wú)效數(shù)據(jù)； 實(shí)驗(yàn)前無(wú)法知道其疲勞極限，第一測(cè)試數(shù)據(jù)如果為一般材料取(0.45-0.5)b，高強(qiáng)度鋼為(0.3-0.4)b 。 每一個(gè)應(yīng)力水平相差預(yù)計(jì)的疲勞極限的3-5%。 在有效數(shù)據(jù)中，斷裂和未斷裂分別大約占50%左右。38 niiirrVmN

18、17110m有效實(shí)驗(yàn)次數(shù)（包括斷裂和未斷試樣）iV實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力水平數(shù)ni該應(yīng)力水平的實(shí)驗(yàn)次數(shù)應(yīng)力水平數(shù)值39（3） S-N曲線測(cè)定方法通常在4-5級(jí)的應(yīng)力水平下測(cè)試，每個(gè)應(yīng)力水平測(cè)試3-5個(gè)試樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理時(shí)，計(jì)算出中值疲勞壽命（存活率50%），最后對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行擬合，獲得S-N曲線。niiNnN150lg1lg 每一級(jí)應(yīng)力水平下的疲勞壽命采用如下公式計(jì)算：40 如果在某一應(yīng)力水平下的疲勞壽命大于規(guī)定的數(shù)值，例如107，則這一組疲勞壽命取排列后的中值（測(cè)量次數(shù)為奇數(shù)），或兩個(gè)中間數(shù)值的平均值（偶數(shù)）。41獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制時(shí)，有兩種方法：1）逐點(diǎn)描述；2）直線擬合。材料在低于材料在低于 s的重復(fù)交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。的重復(fù)交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力稱為疲勞極限。材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力稱為疲勞極限。用用 -1表示。鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為表示。鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107，有色金屬合金為，有色金屬合金為108通過(guò)改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進(jìn)行表通過(guò)改善材料的形狀