第8章 金屬的力學性能

1、第八章 金屬的力學性能 本章主要內(nèi)容：材料力學性能中的強度、塑性、硬度、沖擊韌度、金屬的疲勞等內(nèi)容材料的性能材料的性能（不受任何作（不受任何作用下的基本特用下的基本特性）性）使用性能工藝性能 物理性能 化學性能 力學性能 熱處理性能鑄造性能焊接性能鍛造性能切削加工性能 材料分類材料分類復合材料復合材料金屬材料金屬材料陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料 材料還有一個性能就是在材料還有一個性能就是在外力作用下外力作用下所表現(xiàn)所表現(xiàn)出來的性能叫做材料的力學性能。出來的性能叫做材料的力學性能。8.1 拉伸試驗及強度和塑性一、拉伸試驗及拉伸曲線一、拉伸試驗及拉伸曲線拉伸試驗機拉伸試驗機拉伸試樣的頸縮現(xiàn)

2、象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象2、應力與應變曲線應力應力 ：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S 0表示: F 載荷載荷( N ) = ( M pa ) S 0 原始橫截面積原始橫截面積( mm2)應變應變：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距表示: l伸長量(mm ) = l 0原始長度原始長度( mm)應力應變曲線應力應變曲線（ - 曲線曲線）: 形狀和拉伸曲線相同，單位不同 op段：比例彈性變形 階段； pe段：非比例彈性變形階段； 平臺或鋸齒（s段）：屈服階段； sb段：均勻塑性變形階段，是強化階段。 b點：形成了“縮頸”。 bk段：非均勻變形

3、階段，承載下降，到k點斷裂。二、常用強度判據(jù) 強度強度: 材料在外力作用，抵抗塑性變形材料在外力作用，抵抗塑性變形 和斷裂的能力。和斷裂的能力。工程上工程上常用常用的金屬材料的的金屬材料的強度指標強度指標： 規(guī)定非比例伸長應力（規(guī)定非比例伸長應力（ p ） 屈服點（屈服點（ s ）或規(guī)定殘余伸長應力（）或規(guī)定殘余伸長應力（ r） 抗拉強度抗拉強度(b)1、規(guī)定非比例伸長應力0.010.05pp：規(guī)定非比例伸長率為0.01%時的應力規(guī)定非比例伸長率為0.05%時的應力0ppFS試驗非比例伸長為規(guī)定量時的拉力（N）試驗原始橫截面積（mm2）是一些重要零件設計的力學依據(jù)2、屈服點和規(guī)定殘余伸長應力0

4、rrFS產(chǎn)生規(guī)定殘余伸長時的拉力（N）規(guī)定殘余伸長應力0.2:r規(guī)定殘余伸長率為0.2%時的應力0ssFS材料屈服時的拉力（N） 屈服點（屈服極限）0.2原標準（GB228-76）： 屈服強度3、抗拉強度（曾稱強度極限）0bbFS拉伸過程中最大的拉力（N）抗拉強度：材料在拉伸條件下所能承受最大力的應力值是設計和選材的主要依據(jù)之一，是工程技術(shù)上的主要強度指標。三、塑性判據(jù) 塑性塑性: 材料在外力作用，抵抗塑性變形材料在外力作用，抵抗塑性變形 和斷裂的能力。和斷裂的能力。常用的塑性判據(jù)常用的塑性判據(jù)： 拉伸時的拉伸時的斷后伸長率斷后伸長率和和斷面收縮率斷面收縮率1、斷后伸長率由于同一材料用不同長度

5、的試樣測得的斷后伸長由于同一材料用不同長度的試樣測得的斷后伸長率率數(shù)值不同，因此應注明試樣尺寸比例。數(shù)值不同，因此應注明試樣尺寸比例。10100%oLLL試樣拉斷后的標距（mm）1L oL 試樣原始標距（mm）2、斷面收縮率010100%SSL試樣斷裂后縮頸處的最小橫截面積（mm2）1S oS 試樣原始截面積（mm2）強度是表征材料變形抗力指標，強度是表征材料變形抗力指標，塑性是描述變形能力的指標。塑性是描述變形能力的指標。注：注：練習題一 拉力試樣的原標距長度為50mm，直徑為10mm，經(jīng)拉力試驗后，將已斷裂的試樣對接起來測量，若最后的標距長度為71mm，頸縮區(qū)的最小直徑為4.9mm，試求該

6、材料的伸長率和斷面收縮率的值？解：=（71-50）/50 x100%=42% S0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2) S1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2)=(S0-S1)/S0 x100%=24%練習題二 某工廠買回一批材料（要求：s230MPa；b410MPa；523%；50%）做短試樣（0=50；0=10mm）拉伸試驗，結(jié)果如下：Fs=19KN，F(xiàn)b=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;問買回的材料合格嗎？解： 根據(jù)試驗結(jié)果計算如下：sFss(19x1000)/(3.14x52 )=242230MPa b Fb s(34.5x1000)/(3.

7、14x52 )=439.5 410MPa5 l l 0 x100% (63.1-50)/50 x100%=26.2% 23% S S 0 x100% 60.31% 50%材料的各項指標均合格，因此買回的材料合格。8.2 硬 度硬度：硬度：硬度試驗方法硬度試驗方法壓入法壓入法 劃痕法劃痕法回跳法回跳法指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力（金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕（金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力）或劃痕的能力）布氏硬度（布氏硬度（HB）洛氏硬度（洛氏硬度（HR）維氏硬度（維氏硬度（HRC）顯微硬度顯微硬度 莫氏硬度莫氏硬

8、度肖氏硬度肖氏硬度一、布氏硬度1、測定原理布氏硬度計布氏硬度計 試驗時，根據(jù)被測的材料不同，球直徑、試驗試驗時，根據(jù)被測的材料不同，球直徑、試驗力及試驗力保持時間按表力及試驗力保持時間按表-1選擇選擇材料種類布氏硬度范圍HBS（HBW）試樣厚度/mm0.102球的直徑/mm試驗力F/KN（k g f)試驗力保持時間/s鋼、鑄鐵140-450634223010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)126631010.05.09.807(1000)2.452(250)12非鐵金屬130634262.510.02.452(250)60表表1-1 布氏硬度試

9、驗規(guī)范布氏硬度試驗規(guī)范)/()(2102. 0222mmNdDDDFSFHB壓2、符號HBS：淬火鋼球作壓頭HBW：硬質(zhì)合金作壓頭3、表示方法XXX HBS(W) XX / XXX / XX硬度值壓頭直徑（mm2）試驗力保持 時間（s） 試驗力（0.102N）350HBW5/75例：表示用直徑5mm硬質(zhì)合金球在7355N試驗力作用下保持1015s測得的布氏硬度值為350600HBW1/30/20表示用直徑1mm硬質(zhì)合金球在294.2N試驗力作用下保持20s測得的布氏硬度值為600布氏硬度試驗法一般用于試驗各種硬度不高的鋼材、鑄鐵、有色金屬等，也用于試驗經(jīng)淬火、回火但硬度不高的鋼件。4、適用范圍

10、二、洛氏硬度測定原理硬度符號壓頭類型載荷F/k g 硬度有效范圍使用范圍HRA金剛石圓錐體6070 08585適用于測量硬質(zhì)合金、鋼表、淬火層或滲碳層HRB直徑為1.588mm鋼球10025100100（相當6060230230HBHB）適用于測量非鐵金屬退火、退火等HRC金剛石圓錐體150206767( (相當HB230HB230700)700)適用于調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等試驗時，根據(jù)被測的材料不同，壓頭的類型、試驗力及按試驗時，根據(jù)被測的材料不同，壓頭的類型、試驗力及按表表-2選擇，對應的洛氏硬度標尺為選擇，對應的洛氏硬度標尺為HRA、HRB、HRC三種三種表表1-2 常用的三種洛氏硬度的試驗條

11、件及應用范圍常用的三種洛氏硬度的試驗條件及應用范圍2、符號002. 0hkHR3、表示方法硬度值+HR52HRC70HRA例：洛氏硬度洛氏硬度HRC可以用于硬度很高可以用于硬度很高的材料，在鋼件熱處理質(zhì)量檢查的材料，在鋼件熱處理質(zhì)量檢查中應用最多。中應用最多。4、適用范圍第三節(jié) 沖擊吸收功在設計和制造受沖擊載荷的零件和工具（如鍛錘、沖床、鉚釘槍等）時，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原理擺錘試驗機試驗在專門的擺錘式?jīng)_擊試驗機上進行，把試樣放在試驗機的支承面上，試驗在專門的擺錘式?jīng)_擊試驗機上進行，把試樣放在試驗機的支承面上，試樣的缺口背向擺錘沖擊方向。將質(zhì)量為試樣的

12、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，并擺過支點升到某一高度然后下落，將試樣打斷，并擺過支點升到某一高度h，試樣在沖擊試驗力一試樣在沖擊試驗力一次作用下，折斷時所吸收的功為沖擊吸收功為次作用下，折斷時所吸收的功為沖擊吸收功為Ak。沖擊試驗沖擊試驗1、試樣沖斷時所消耗的、試樣沖斷時所消耗的沖擊功沖擊功A k為為: A k = m g H m g h (J)2、沖擊韌度沖擊韌度a k AK a k = (J/cm) 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就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。所消耗的沖擊功。沖擊吸收

13、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。第四節(jié) 疲勞極限交變應力：交變應力：是指大小和方向能隨時間周期變化的應力。材料的疲勞：材料的疲勞：材料在循環(huán)應力和應變作用下，在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累計損傷，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。在多次交變應力作用，金屬會在遠小于抗拉強度在多次交變應力作用，金屬會在遠小于抗拉強度b，甚至小甚至小于屈服點于屈服點s。的應力下失效（出現(xiàn)裂紋或完全斷裂）的應力下失效（出現(xiàn)裂紋或完全斷裂） 疲勞破壞的原因：疲勞破壞的原因：應力集中微裂紋擴展斷裂破壞。疲勞曲線：實驗證明，一般鋼鐵材料所受交變應力最大值max與其失效前的應力循