第一章 工程材料力学性能概念

第一章 工程材料力学性能
1．弹性模量（刚度） 在弹性变形范围内，应力与应变的比值（OP的斜率）称为材料的弹性模量，工 程上称为刚度，即为：
式中：
F F A0 r2
（MPa）（单位截面上的拉力）；
（单位长度上的伸长量）。
弹性模量E是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标。E愈大，则使其产生一定量 弹性变形的应力也应愈大。金属材料弹性模量E主要决定于金属材料本身的性质， 是金属材料最稳定的性能之一。各种加工工艺对其影响甚小，在室温下，钢的弹性 模量大都是在19×104～22×104MPa之间，但弹性模量随温度的升高逐渐降低。
解： 根据试验结果计算如下： σs＝Fs／s０＝(19x1000)/(3.14x52 )=242 ＞230MPa
σb ＝Fb／ s０＝(34.5x1000)/(3.14x52 )=439.5 ＞410MPa δ5 ＝ [Δl ／l 0]x100% ＝[(63.1-50)/50]x100%=26.2% ＞23%
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第一章 工程材料力学性能
• 教学目标:
• 掌握材料的主要力学性能指标：屈服强度、抗拉强度、 伸长率、断面收缩率、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断 裂韧性等力学性能及其测试原理；
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金属材料的力学性能
定义 :
金属材料的力学性能是指金属材料在不同 环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷 （拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力 等）时所表现出的力学特征。
F
•常用测量硬度的方法
D D
d
布氏硬度HB 洛氏硬度HR 维氏硬度HV *锉刀法
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1.布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )
硬度值+符号HBS或HBW +(球体直径、载荷及载荷保持时间)。
如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf （9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。
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作业
• １．熟悉拉伸曲线
• ２．掌握强度、塑性、硬度等指标，了 解这些指标在工程上的应用．
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END
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• 1.1 金属材料力学性能的主要指标
1. 强度、刚度、塑性
拉伸试样
• 拉伸试验
1.拉伸试样
GB6397-86规定《金属拉伸试样》有： F 圆形、矩形、异型及全截面． 常用标准圆截面试样。 长试样：L0=10d0; 短试样：L0=5d0
d0
F
l0
L
lk
dk
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2.洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness ) 1）试验原理：用顶角为120°的金刚石圆锥 或直径为1.588mm的淬火钢球作压头，在初始试验 力F1（98N）及总试验力F作用下，将压头压入试样 表面，按规定保持时间后卸除主试验力，用测量的 残余压痕深度增量计算硬度。
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• 2.拉伸过程
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拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
拉伸试 验机
拉伸试验 （视频）
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3.拉伸曲线
F
e p s b k
• op段：比例弹性变形阶段； • pe段：非比例弹性变形阶段； • 平台或锯齿（s段）：屈服阶段； • sb段：均匀塑性变形阶段，是强化阶 段。 • b点：形成了“缩颈”。
HRB HRC
100 150
红 色 黑 色
25~100 20~67
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3.维氏硬度 HV ( diamond penetrator hardness )
适用范围: 测量薄板类 ; HV≈HBS ;
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锉刀法（了解）:
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希腊字母发音
• 1 Α α alpha a:lf 阿尔法 • 13 Ν λ nu nju 纽 2 Β β beta bet 贝塔 14 Ξ μ xi ksi 克西 3 Γ γ gamma ga:m 伽马 15 Ο ν omicron omik`ron 奥密 4 Γ δ delta delt 德尔塔 克戎 5 Δ ε epsilon ep`silon 伊普西 16 ∏ π pi pai 派 龙 17 Ρ ξ rho rou 肉 6 Ε δ zeta zat 截塔 18 ∑ ζ sigma `sigma 西格马 7 Ζ ε eta eit 艾塔 19 Τ η tau tau 套 8 Θ ζ thet ζit 西塔 20 Υ υ upsilon jup`silon 宇普西 9 Η η iot aiot 约塔 龙 10 Κ θ kappa kap 卡帕 21 Φ θ phi fai 佛爱 11 ∧ ι lambda lambd 兰布达 22 Φ χ chi phai 西 12 Μ κ mu mju 缪 23 Χ ψ psi psai 普西 24 Ψ ω omega o`miga 欧米伽
式中：G—为摆锤的质量（kg）；H1、H2—分别为冲击前、后摆锤的高度（m）； A—为试样断口处的截面积（cm2）。 对于脆性材料（如铸铁、工、模具钢等），做冲击弯曲试验时，试样不开缺口，因 为开缺口的材料冲击值太低，难以比较不同材料冲击韧性的差异。 材料的冲击值一般不作为设计零件的直接依据，只是作为材料的韧性指标。
一组硬度差为5HRC的锉刀。 例如: 10HRC、15HRC、20HRC等。
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四、冲击韧性( notch toughness ):
★材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。
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冲击韧性aku为（即以试样冲断时消耗的功表示材料的冲击值）：
(伸长率、断面收缩率)工程材料及Βιβλιοθήκη 加工第一章 工程材料力学性能
练习题一
• 拉力试样的原标距长度为50mm，直径为10mm，经拉力试验 后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为 71mm，颈缩区的最小直径为4.9mm，试求该材料的伸长率 和断面收缩率的值？
解： δ５=[（71-50）/50]x100%=42% S0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2) S1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2) Ψ=[(S0-S1)/S0]x100%=24%
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练习题二
• 某工厂买回一批材料（要求：σs≥230MPa；σb≥410MPa； δ5≥23%；ψ≥50%）．做短试样（ｌ0=5ｄ0；ｄ0=10mm）拉 伸试验，结果如下：Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm； d1=6.3mm;问买回的材料合格吗？
指标 : 弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧 性、断裂韧度和疲劳强度等。
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材料的其他性能
• 物理性能：
密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁 性等；
• 化学性能：
耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等；
• 工艺性能：
铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性、 热处理工艺性等。
ψ ＝ [ΔS ／S 0]x100% ＝60.31% ＞50% 材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格。
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二、疲劳强度( fatigue strength ): ★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。
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• 对于有些零件在工作中不允许发生塑性变形，所以σS 是设 计中材料强度的主要参数，是材料的重要力学性能指标之一。
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•
3．抗拉强度 抗拉强度是静拉伸过程中试样被拉断前的最大应力， 即材料拉伸曲线上B点时的载荷大小与原始截面之比，用 σb表示：
抗拉强度表示材料在拉力作用下抵抗断裂的能力，是 设计和选材的重要力学性能指标之一。 合金化、热处理、冷热加工对材料的σS、σb数值会 发生很大的影响。
应力强度因子的临界值称为材料的断裂韧性，用KIC表示。当KI＜ KIC时，零件可安全工作，KI≥KIC时则可能由于裂纹扩展而断裂。
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思 考 题
1 将钟表发条拉成一直线，问这是弹 性变形还是塑性变形？怎样判断它的 变形性质？
2 疲劳破坏有什么危害？在什么情 况下发生疲劳破坏，产生原因是什 么？如何提高零件的疲劳强度？
Fe Fs
Fp
o
Δl
u
Fb
Δl
b
g
Δl f
• bk段：非均匀变形阶段，承载下降， 到k点断裂。
• 断裂总伸长为Of，其中塑形变形Og( 试样断后测得的伸长)，弹性伸长gf。
Δl
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4.不同材料的拉伸曲线
退火低碳钢
中碳调质钢
淬火钢及铸铁
低、中回火钢
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★强度: 材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。
• 2．屈服强度
屈服强度是静拉伸过程中开始产生塑性变形时的应力，即为拉伸曲 线上S点的载荷大小与试棒原始截面积之比，用σS表示：