1 金属材料的主要性能解析

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ak不能直接用于强度方面计算，但可作为鉴
影响ak因素:材料的化学成分、显微组织、试 样的表面质量、热处理工艺以及试验温度等。
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动画 冲击试验
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Titanic沉没原因
——含硫高的钢板， 韧性很差，特别是在低温 呈脆性。所以，冲击试样 是典型的脆性断口。近代 船用钢板的冲击试样则具 有相当好的韧性。
一、金属材料的主要性能
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金属材料具有许多的可贵的性能，一般分为两大类：
使用性能
力学性能 物理性能 化学性能
工程材料的性能
铸造性能 可锻性能 工艺性能 可焊性能 切削加工性能 热处理性工艺性
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金属材料的主要性能
1.使用性能 ――反映金属材料在使用过程中所表现出的特性。
包括： 力学性能： （强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等） 物理性能： （密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、 磁性等） 化学性能： （抗大气、海水及其它介质腐蚀、抗高温氧化等
2. 工艺性能 ――反映金属材料在加工制造过程中所表现出来的特性。
包括：铸造特性、压力加工特性、焊接特性、热处理特性、切削加工 特性等。 在选择和应用金属材料时，一般无特殊要求时，首先考虑金属材料的 使用性能，而在使用性能中，又主要以力学性能（机械性能）为主，因 此作为本章讨论的重点。
Titanic
一项新的科学研究回答了80年未解之谜
Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果
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金属材料的主要性能—疲劳强度
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4、疲劳强度σr，N（交变载荷）
定义： 表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。 承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化，交变应力作用下，往往 在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。 钢材的循环次数一般取 N = 107;有色金属的循环次数一般取 N = 108 钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:σ-1 = (0.45～0.55)σb
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金属材料的主要性能—硬度
（１）布氏硬度HB
用一定的载荷F，将直径为D的淬火钢球或硬质合金球压入被测材料 的表面，保持一定时间后卸除载荷，载荷与压痕表面积S的比值，作为 布氏硬度值，用HB表示，单位为N/mm2，即
HB 0.102 2P
D( D D 2 d 2 )
淬火钢球(Φ1.588mm) 1000
HRC
金刚石（圆锥体）
1500
一般淬火钢
20～67
注意：一般适用于硬度较高的材料。如：淬火钢等
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金属材料的主要性能—硬度
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动画 布氏硬度测量
动画 洛氏硬度测量
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金属材料的主要性能—硬度
(3)维氏硬度――科学试验
原理：将方锥形金刚石压入材料表面,保持规定时间 后，用测量压痕对角线长度，再按公式来计算硬度的大 小。
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金属材料的主要性能—硬度
（2）洛氏硬度HR
原理：在先后两次施加载荷(初载荷及总载荷F)的条 件下，将标准压头(顶角为120°的金刚石圆锥或直径 为1.588mm(1/16英寸)的钢球)压入试样表面，然后根 据压痕的深度来确定试样的硬度。
( K h) HR 0.002
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Ψ = （S0-S1）/S0 ×100% 式中：S0—试样的原始截面积（mm2）
S1—试样断面处的最小截面积（mm2）
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金属材料的主要性能—硬度
2、硬度（静载荷）
定义：硬度是衡量材料软硬程度的指标，表征材料抵抗比它更 硬的物体压入或刻划的能力。
表示材料抵抗表面局部塑性变形的能力。 硬度指标：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、维氏（显微 硬度） 硬度测试方法：以压入法最为普遍。 金属材料的硬度可用专门仪器来测试，常用的有 布氏硬度机、洛氏硬度机等。
屈服现象：金属材料开始产生明显塑性变
形的标志。
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拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向 静拉伸曲线
金属材料的主要性能
3．阶段III：强化阶段[dB 段] 均匀塑性变形阶段，应力增加，变形持 续增加。
B: σb （强度极限，或抗拉强度，指材
料所能承受的最大载荷 ） 4．阶段IV：颈缩阶段[BK 段] 局部集中塑性变形，应力 下降，直至试样断裂。
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金属材料的主要性能—硬度 洛氏硬度的特点：（HRC HRB HRA）
洛氏硬度HR可以用于硬度很高的材料，而且压痕很小， 几乎不损伤工件表面，故在钢件热处理质量检查中应用最 多。
标尺 HRA HRB 压头 金刚石（圆锥体） 总载荷/N 600 可测试材料 硬质合金、表面淬火钢 退火钢、非铁合金 有效值 70～85 25～100
小 负 荷 维 氏 硬 度 计
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金属材料的主要性能—硬度
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动画是维氏硬度测定方
法的示意。维氏硬度可采用 统一的硬度指标，可以测量 很软到很硬的材料的硬度， 但测量麻烦。 维氏硬度表示方法示例： 600HV30/20： （数值+HV+载荷值+保压时间）
动画 维氏硬度测定
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金属材料的主要性能—冲击韧性
3、冲击韧性 （动载荷） 1)定义：
简称韧性，是材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂 的能力。（材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力）。
2)常用韧性指标：
冲击韧性值，一般用ak 表示，单位为：J/cm2
金属材料的冲击韧度是评定材料抵抗大能量冲击 载荷能力的指标，常用一次摆锤冲击试验来测定 金属材料的冲击韧度。
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金属材料的主要性能
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动画1
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常见的各种外载荷
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金属材料的主要性能
1、强度和塑性（静载荷）
概念：
材料在外力作用下的表现行为：变形、断裂 材料在外力作用下的行为过程：弹性变形—塑性变形—断裂（永久变形） 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。 外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。 外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。
F0.2 S0
条件屈服极限
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金属材料的主要性能—强度
（2）抗拉强度 定义：试样拉断前最大载荷所决定的应力值，即试样所能承受的最大 载荷除以原始截面积，以σsb表示，单位为MPa，表达式为：
Fb b S0
电 子 拉 伸 试 验 机
式中：
Fb —指试样被拉断前所承受的最大外力 S0 —试样的原始截面积（mm2）
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金属材料的主要性能—硬度
维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按 顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。 根据载荷范围不同，规定了三种测定方法—维氏硬度试验 、小负 荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。 维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。
显微维氏硬度计
（1）伸长率δ ：
表示试样拉伸断裂后的相对伸长量
δ = （L1-L0）/L0 ×100% 式中： L0—试样原标距的长度（mm）
L1—试样拉断后的标距长度（mm） 按照伸长率可将材料分为： δ < 2 ~ 5% 属脆性材科 δ ≈ 5 ~ 10% 属韧性材料 δ > 10% 属塑性材料 （2）断面收缩率Ψ： 表示试样断裂后截面的相对收缩量。
σ ：应力 ε ：应变
σP ：比例极限
σe ：弹性极限 σs ：屈服极限
ε）
动画4
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低碳钢的应力应变图
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金属材料的主要性能
曲线分为四阶段：
1．阶段I：弹性阶段[oab段] 发生弹性变形，外力撤去，形变恢复。 a: σe (比例极限) b: σs（弹性极限，材料发生弹性变形 的最大抗力） oa段：△L∝F 直线阶段 ，σ=Eε ab段：极微量塑性变形（0.001-0.005%) 2．阶段II：屈服阶段[bcd段] c: 屈服点 ：σs（屈服强度，表示材料 发生明显塑性变形时的抗力。）
颈缩
拉伸机上，低碳钢缓慢加载 单向 静拉伸曲线
1. 低Ｃ钢、正火、退火调质中Ｃ钢，低、中C合金钢某些Al合金及某 些高分子材料具有类似上述曲线。 2. 铸铁、陶瓷：只有第I阶段 3. 中、高碳钢：没有第II阶段
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金属材料的主要性能—强度
强度
（1）屈服强度（σs，屈服极限） 定义：材料在外力作用下开始发生塑性 变形的最低应力值，用σs 表示，单位为MPa， 表达式为： Fs
维氏硬度：施加载荷与压痕表面积的比值。
维氏硬度的压力一般可选 5 ， 10 ， 20 ， 30 ， 50 ， 100 ， 120kg 等 ， 小 于 10kg的压力可以测定显微组织硬度。 适用范围： 维氏硬度有小负荷维氏硬度，试验负 荷1.961~<49.03N，它适用于较薄工件、工 具表面或镀层的硬度测定
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金属材料的主要性能
拉伸曲线 拉伸试验
拉伸曲线： 载荷F~伸长量ΔL
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拉伸试验——应力应变曲线（σ -ε 曲线）
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为了使曲线能够直接反映材料的力学性能，纵坐标用应力σ（即试样单 位横截面上的拉力，σ=F/ A0， A0 为试样原始截面面积）表示，横坐标用应 变ε（试样单位长度上的伸长量， ΔL / L ）表示,绘制应力-应变曲线。 σ-ε曲线和F~ΔL曲线形状相同，坐标含义不同。
2）适用范围：
布氏硬度一般适用于硬度较低的材料。如：退火、正火、调质钢,