金属材料力学性能最常用的几项指标
第四章 工程材料 复习题
第四章工程材料复习题一、填空题1、金属的力学性能主要包括强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等指标，其中衡量金属材料在静载荷下机械性能的指标有强度、硬度、塑性。
衡量金属材料在交变载荷和冲击载荷作用下的指标有疲劳强度和冲击韧性。
2、钢以铁、碳为主要元素，其中碳的质量分数为小于2.11%，铸铁是含碳质量分数大于2.11%的铁碳合金。
3、钢按用途分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。
4、普通质量的结构钢主要用于工程结构和机械零件方面。
5、金属分为黑色金属和有色金属。
6、碳钢的编号为：碳素结构钢采用拼音字母Q和数字表示其屈服强度；优质碳素结构钢用两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万分之几，如45钢；碳素工具钢用字母T表示；铸造碳钢用ZG代表铸钢二字汉语拼音首位字母。
7、合金钢的编号为：低低合金高强度结构钢由代表屈服点的汉语拼音字母Q；合金结构钢如40Cr表示平均碳的质量分数ωc= 0.40%，平均铬的质量质量分数ωCr<1.5%；滚动轴承在牌号前加G。
8、合金钢是为了改善钢的性能，在钢中加入其他合金元素。
9、合金钢分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。
10、铸铁可分为灰铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁。
11、灰铸铁的断口呈浅白色，其牌号用符号HT和数字表。
12、球墨铸铁的牌号用符号QT和数字表示。
13、机械零件需要强度、塑性和韧性都较好的材料，应选用中碳钢。
14、碳的质量分数在0.30%～0.55%之间的属于中碳钢。
15、钢的普通热处理（也叫整体热处理）有退火、正火、淬火和回火，钢的表面热处理有表面淬火热处理和化学热处理。
16、降低钢的硬度，改善切削加工性能常用的热处理有退火和正火，若是高碳钢或是高合金钢要采用退火处理。
17、钢淬火常用的冷却介质有水和油，淬火处理的目的是提高工件的强度、强度和耐磨性。
淬火后钢的硬度主要取决于钢的含碳量高低。
18、淬火和高温回火结合的处理称为调质，处理后钢的性能特点是有良好的综合性能，适合轴和齿轮类零件的热处理。
材料力学性能-考前复习总结（前三章）
材料力学性能-考前复习总结（前三章）金属材料的力学性能指标是表示其在力或能量载荷作用下（环境）变形和断裂的某些力学参量的临界值或规定值。
材料的安全性指标：韧脆转变温度Tk；延伸率；断面收缩率；冲击功Ak；缺口敏感性NSR材料常规力学性能的五大指标：屈服强度；抗拉强度；延伸率；断面收缩率；冲击功Ak；硬度；断裂韧性第一章单向静拉伸力学性能应力和应变：条件应力条件应变 =真应力真应变应力应变状态：可在受力机件任一点选一六面体，有九组应力，其中六个独立分量。
其中必有一主平面，切应力为零，只有主应力，且，满足胡克定律。
应力软性系数：最大切应力与最大正应力的相对大小。
1 弹变1）弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。
ae=1/2σeεe=σe2/2E。
取决于E和弹性极限，弹簧用于减震和储能驱动，应有较高的弹性比功和良好弹性。
需通过合金强化及组织控制提高弹性极限。
2）弹性不完整性：纯弹性体的弹性变形只与载荷大小有关，而与加载方向及加载时间无关，但对实际金属而言，与这些因素均有关系。
①滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。
与材料成分、组织及试验条件有关，组织约不均匀，温度升高，切应力越大，滞弹性越明显。
金属中点缺陷的移动，长时间回火消除。
弹性滞后环：由于实际金属有滞弹性，因此在弹性区内单向快速加载、卸载时，加载线与卸载线不重合，形成一封闭回路。
吸收变形功循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力（塑性区加载，塑性滞后环），也叫内耗（弹性区加载），或消震性。
②包申格效应：定义：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
（反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象。
特别是弹性极限在反向加载时几乎下降到零，这说明在反向加载时塑性变形立即开始了）解释：与位错运动所受阻力有关，在某滑移面上运动位错遇位错林而使其弯曲，密度增大，形成位错缠结或胞状组织，相对稳定。
金属材料的力学性能
第一章金属材料的力学性能机械制造中使用的材料品种很多，为了正确使用材料，并把它加工成合格的工件，必须掌握材料的使用性能和工艺性能。
使用性能，是指为保证工件正常工作材料应具备的性能，包括力学性能、物理和化学性能等。
工艺性能，是指材料在加工过程中所表现出来的性能，包括铸造性能、锻压性能、焊接性能和切削加工性等。
所谓力学性能，是指材料在外力作用下所表现出来的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等，是设计机械零件时选材的重要依据。
这些性能指标是通过试验测定的。
第一节刚度、强度、塑性刚度、强度和塑性是根据试验测定出来的。
将材料制成标准试样(图1-1a)，然后把试样装在试验机上施加静拉力，随着拉力的增加试样逐渐变形，直到拉断为止(图1-1b)。
将试样从开始到拉断所受的力F 及所对应的伸长量ΔL绘制在F—ΔL坐标上，得出力一伸长曲线。
低碳钢的力一伸长曲线如图1—2所示。
从图1—2可知，在OE 阶段，试样的伸长量随拉力成比例增加，若去除拉力后试样恢复原状，这种变形称为弹性变形。
超过E 点后，若去除拉力试样不能完全恢复原状，尚有一部分伸长量保留下来，这部分保留下来的变形称为塑性变形。
当拉力增加到F s 时，力一伸长曲线在S 点呈现水平台阶，即表示外力不再增加而试样继续伸长，这种现象称为屈服，该水平台阶称为屈服台阶。
屈服以后，试样又随拉力增加而逐渐均匀伸长。
达到B 点，试样的某一局部开始变细，出现缩颈现象。
由于在缩颈部分试样横截面积迅速减小，因此使试样继续伸长所需的拉力也就相应减小。
当达到K 点时，试样在缩颈处断裂。
低碳钢在拉伸过程中经历了弹性变形、弹一塑性变形和断裂三个阶段。
F —ΔL 曲线与试样尺寸有关。
为了消除试样尺寸的影响，把拉力F 除以试样原始横截面积A0，得出试样横截面积上的应力，同时把伸长量ΔL 除以试样原始标距L 0，得到试样的应变LL ε∆=0F A σ=σ—ε曲线与F —ΔL 曲线形状一样，只是坐标不同。
金属材料的力学性能
第1章工程材料1.1 金属材料的力学性能金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。
使用性能是指金属材料在使用过程中应具备的性能，它包括力学性能（强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等）、物理性能（密度、熔点、导热性、导电性等）和化学性能（耐蚀性、抗氧化性等）。
工艺性能是金属材料从冶炼到成品的生产过程中，适应各种加工工艺（如：铸造、冷热压力加工、焊接、切削加工、热处理等）应具备的性能。
金属材料的力学性能是指金属材料在载荷作用时所表现的性能。
1.1.1 强度金属材料的强度、塑性一般可以通过金属拉伸试验来测定。
１．拉伸试样图1.1.1拉伸试样与拉伸曲线２．拉伸曲线拉伸曲线反映了材料在拉伸过程中的弹性变形、塑性变形和直到拉断时的力F时，拉伸曲线Ｏｐ为一直线，即试样的伸长量与载荷学特性。
当载荷不超过p成正比地增加，如果卸除载荷，试样立即恢复到原来的尺寸，即试样处于弹性变形阶段。
载荷在Ｆｐ－Ｆｅ间，试样的伸长量与载荷已不再成正比关系，但若卸除载荷，试样仍然恢复到原来的尺寸，故仍处于弹性变形阶段。
当载荷超过Ｆｅ后，试样将进一步伸长，但此时若卸除载荷，弹性变形消失，而有一部分变形当载荷增加到Ｆｓ时，试样开始明显的塑性变形，在拉伸曲线上出现了水平的或锯齿形的线段，这种现象称为屈服。
当载荷继续增加到某一最大值Ｆｂ时，试样的局部截面缩小，产生了颈缩现象。
由于试样局部截面的逐渐减少，故载荷也逐渐降低，试样就被拉断。
３．强度强度是指金属材料在载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。
（１） 弹性极限金属材料在载荷作用下产生弹性变形时所能承受的最大应力称为弹性极限，用符号σｅ 表示：（２） 屈服强度金属材料开始明显塑性变形时的最低应力称为屈服强度在拉伸试验中不出现明显的屈服现象，无法确定其屈服点。
所以国标中规定，以试样塑性变形量为试样标距长度的０．２％时，材料承受的应力称为“条件屈服强度”，并以符号σ０．２ 表示。
１.1.2 塑性金属材料在载荷作用下，产生塑性变形而不破坏的能力称为塑性。
金属材料的力学性能
第1章 金属材料的力学性能
二、洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness ) 1、测量原理
10HRC≈HBS
洛氏硬度测试示意图
第1章 金属材料的力学性能
三、维氏硬度 HV
1、测量原理:
第1章 金属材料的力学性能
2、表示方法： 符号HV。标注时，硬度值写在符号之前，如666HV
3、特点： 维氏硬度试验的测试精度较高，测试的硬度范围大，被测试样的厚度 或表面深度几乎不受限制(如能测很薄的工件、渗氮层、金属镀层等)。 但是, 维氏硬度试验操作不够简便，试样表面质量要求较高，故在生 产现场很少使用。
抗拉强度为设计机械零件和选材的主要依据。
σe σs σb
第1章 金属材料的力学性能
(二)疲劳强度
工程上规定，材料经无数次重复循环（交变）载荷作用而不发生 断裂的最大应力称为疲劳强度。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。
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
主要指标: 强度、塑性、冲击韧性和硬度。
第1章 金属材料的力学性能
1.1 强度
按照载荷的性质，金属材料的强度有静强度、疲劳强度和 冲击强度。一般意义上的强度是指静强度。
(一)强度 一、拉伸试验
1.拉伸试样 标准试样(按GB/T6397-1986规定) 常用圆截面拉伸试样 : 长试样：L0=10d0 短试样：L0=5d0
钢铁材料的疲劳曲线
第1章 金属材料的力学性能
疲劳的危害:
工程材料作业第五、六章
第五章金属材料的主要性能1 金属材料的力学性能指的是什么性能？常用的力学性能包括哪些方面的内容？答：金属的力学性能是指在力的作用下，材料所表现出来的一系列力学性能指标，反映了金属材料在各种形式外力作用下抵抗变形或破坏的某些能力。
主要包括：强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳等。
2 衡量金属材料强度、塑性及韧性常用哪些性能指标？各用什么符号和单位表示？答：衡量金属材料的强度指标为：比例极限σp、弹性极限σe、弹性模量E、屈服强度σs、抗拉强度σb、屈强比σs/σb。
衡量金属材料的塑性指标为：延伸率δ、断面收缩率ψ。
衡量金属材料的韧性指标为：冲击韧性指标：冲击吸收功Ak；断裂韧性指标：断裂韧度。
3、硬度是否为金属材料独立的性能指标？它反映金属材料的什么性能？有5种材料其硬度分别为449HV、80HRB 、291HBS 、77HRA 、62 HRC，试比较五种材料硬度高低。
答：硬度不是金属材料的独立性能（它与金属抗拉强度成正比），是反映材料软硬程度的指标，表征材料表面抵抗外物压入时所引起局部塑性变形的能力。
80HRB<291HBS<449HV<77HRA <62HRC。
4、为什么说金属材料的力学性能是个可变化的性能指标？答：（1）温度的改变会影响金属的塑性，而塑性与韧性和强度、硬度有关，则改变温度会导致力学性能改变；（2）不同的承载情况会改变材料的力学性能，如很小的交变载荷也可使钢丝折断；不同的加工工艺也会改变材料的力学性能（为了使材料有不同的性能来满足我们的需要，就用了回火、淬火、正火等加工工艺）。
5、金属材料的焊接性能包括哪些内容？常用什么指标估算金属材料的焊接性能？答：金属的焊接性能：①接合性能：金属材料在一定焊接工艺条件下，形成焊接缺陷的敏感性。
②使用性能：某金属材料在一定的焊接工艺条件下其焊接接头对使用要求的适应性，也就是焊接接头承受载荷的能力。
金属的焊接性能指标：碳当量、冷裂纹敏感系数。
金属材料常用力学性能名称、符号及含义
J
使用摆锤冲击试验机冲断试样所需的能量(该能量已经对摩擦损失做了修正)，称为冲击吸收能量K。用字母V或U表示缺口几何形状，即KV或KU，用数字2或8以下标形式表示冲击刀刃半径，如KV2、KU8
有N次循环的应力幅值;σN是在N次循环的疲劳强度，σN是一个特定应力比的应力幅值，在此种情况下，试样具有N次循环的寿命。应力比是最小应力与最大应力的代数比值
疲劳极限σD
MPa
疲劳极限σD是一个应力幅的值，在这个值下，试样在给定概率时被希望可以进行无限次的应力循环。国家标准指出，某些材料没有疲劳极限;其他的材料在一定的环境下会显示出疲劳强度
洛氏硬度HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH、HRK、HRN、HRT
量纲一
采用金刚石圆锥体或一定直径的淬火钢球作为压头，压入金属材料表面，取其压痕深度计算确定硬度的大小，这种方法测量的硬度为洛氏硬度。GB/T230.1-2009《金属材料洛氏硬度试验第1部分:试验方法(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T标尺)》中规定了
A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T等标尺，以及相应的硬度符号、压头类型、总试验力等。由于压痕较浅，工件表面损伤小，适于批量、成品件及半成品件的硬度检验，对于晶粒粗大且组织不均的零件不宜采用。采用不同压头和试验力，洛氏硬度可以用于较硬或较软的材料，使用范围较广。
维氏硬度HV
维氏硬度试验是用一个相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石压头，以规定的试验力(49.03~980.7N)压入试样表面，经规定时间后卸除试验力，以其压痕表面积除试验力所得的商，即为维氏硬度值维氏硬度试验法适用于测量面积较小、硬度值较高的试样和零件的硬度，各种表面处理后
屈服强度、上屈服强度ReH、下屈服强度ReL
金属的力学性能
(2)抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力。 抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力。 抗拉强度
1）、它表示材料抵抗断裂的能力。 ）、它表示材料抵抗断裂的能力。 ）、它表示材料抵抗断裂的能力 2）、是零件设计的重要依据；也是评定 ）、是零件设计的重要依据； ）、是零件设计的重要依据 金属强度的重要指标之一。 金属强度的重要指标之一。
拉伸试样
第一节 强度和塑性
• 2.拉伸过程 拉伸过程
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
拉伸试验机
3.拉伸曲线 拉伸曲线
F
e p s b k
拉伸的四个阶段
1、oe段: 弹性变形阶段。(op段：比 例 弹性变形阶段；pe段：非比例弹性变 形阶段；) 2、es段：屈服阶段。平台或锯齿。 3、sb段：强化阶段。均匀塑性变形阶段。 *b点：形成了“缩颈”。 ∆l
σe σs σb
F σb = A
b
试样断裂前的最大载荷(N) 试样断裂前的最大载荷 ( M Pa )
0
试样原始横截面积( 试样原始横截面积 mm2)
三、塑性: 塑性
是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。 是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。 1、断面收缩率: 是指试样拉断处横截面积的收 、断面收缩率 与原始横截面积A 缩量∆ A与原始横截面积 0之比。 与原始横截面积 之比。 A0 - A 1 ψ = ——-—× 100% × A0 2、伸长率 是指试样拉断后的标距伸长量∆ L 、伸长率: 与原始标距L 之比。 与原始标距 0之比。 l 1 - l0 δ = ——-—× 100% × l0
e
σe 3.弹性极限 弹性极限: 弹性极限 Fe σe = A0 弹性极限载荷( 弹性极限载荷 N ) ( M pa ) 试样原始横截面积( 试样原始横截面积 mm2)
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金属材料力学性能最常用的几项指标
硬度是评定金属材料力学性能最常用的指标之一。
对于金属材料的硬度，至今在国内外还没有一个包括所有试验方法的统一而明确的定义。
就已经标准化的、被国内外普通采用的金属硬度试验方法而言，金属材料硬度的定义是:材料抵抗另一较硬材料压入的能力。
硬度检测是评价金属力学性能最迅速、最经济、最简单的一种试验方法。
硬度检测的主要目的就是测定材料的适用性，或材料为使用目的所进行的特殊硬化或软化处理的效果。
对于被检测材料而言，硬度是代表着在一定压头和试验力作用下所反映出的弹性、塑性、强度、韧性及磨损抗力等多种物理量的综合性能。
由于通过硬度试验可以反映金属材料在不同的化学成分、组织结构和热处理工艺条件下性能的差异，因此硬度试验广泛应用于金属性能的检验、监督热处理工艺质量和新材料的研制。
金属硬度检测主要有两类试验方法。
一类是静态试验方法，这类方法试验力的施加是缓慢而无冲击的。
硬度的测定主要决定于压痕的深度、压痕投影面积或压痕凹印面积的大小。
静态试验方法包括布氏、洛氏、维氏、努氏、韦氏、巴氏等。
其中布、洛、维三种测试方法是最长用的，它们是金属硬度检测的主要测试方法。
而洛氏硬度试验又是应用最多的，它被广泛用于产品的检测，据统计，目前应用中的硬度计70%是洛氏硬度计。
另一类试验方法是动态试验法，这类方法试验力的施加是动态的和冲击性的。
这里包括肖氏和里氏硬度试验法。
动态试验法主要用于大型的及不可移动工件的硬度检测。
1.布氏硬度计原理
对直径为D的硬质合金压头施加规定的试验力，使压头压入试样表面，经规定的保持时间后，除去试验力，测量试样表面的压痕直径d，布氏硬度用试验
力除以压痕表面积的商来计算。
图1布氏硬度试验原理
HB =F / S ……………… (1-1)
=F / πDh ……………… (1-2)
=……………… (1-3)
式中：F ——试验力，N；
S ——压痕表面积，mm；
D ——球压头直径，mm；
h ——压痕深度， mm；
d ——压痕直径，mm
布氏硬度计的特点：
布氏硬度检测的优点是其硬度代表性好，由于通常采用的是10 mm直径球压头，3000kg试验力，其压痕面积较大，能反映较大范围内金属各组成相综合影响的平均值，而不受个别组成相及微小不均匀度的影响，因此特别适用于测定灰铸铁、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料。
它的试验数据稳定，重现性好，精度高于洛氏，低于维氏。
此外布氏硬度值与抗拉强度值之间存在较好的对应关系。
布氏硬度试验的缺点是压痕较大，成品检验有困难，试验过程比洛氏硬度试验复杂，测量操作和压痕测量都比较费时，并且由于压痕边缘的凸起、凹陷或圆滑过渡都会使压痕直径的测量产生较大误差，因此要求操作者具有熟练的试验技术和丰富经验，一般要求由专门的实验员操作。
布氏硬度与抗拉强度的关系
由于布氏硬度试验能够反映出试样较大范围内的综合性能，因此布氏硬度与材料的其他机械性能关系密切，尤其是与抗拉强度存在近似的换算关系：σ
=K·HB ……………… (1-6)
b
式中：σ
b
—抗拉强度值，MN/m2；
K—常数，不同材料有不同的数值。
通过测试布氏硬度可以间接得到材料的抗拉强度。
这一点在生产实际中具有重大意义。
可以通过测量硬度的方法得到近似的强度值，这样既可以提高工作效率，又可以节省材料。
2.洛氏硬度计原理
在规定条件下，将压头(金刚石圆锥、钢球或球)分2个步骤压入试样表面。
卸除主试验力后，在初试验力下测量压痕残余深度h。
以压痕残余深度h代表硬度的高低。
洛氏硬度试验原理如图2-1所示。
硬质合金
1—在初始试验力F
0下的压入深度；2—在总试验力F
+F
1
下的压入深度；3—
去除主试验力F
1
后的弹性回复深度；4—残余压入深度h；5—试样表面；6—测量基准面；7—压头位置
洛氏硬度试验分为2种，一种是普通洛氏硬度试验，一种是表面洛氏硬度试验。
洛氏硬度试验采用1200金刚石圆锥和1.588mm、3.175mm钢球三种压头，采用60kg、100kg、150kg三种试验力，它们共有九种组合，对应于洛氏硬度的九个标尺，即HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH、HRK。
表面洛氏硬度试验采用1200金刚石圆锥和1.588mm钢球2种压头，采用15kg、30kg、45kg三种试验力，它们共有六种组合，对应于表面洛氏的六个标尺，即HR15N、HR30N、HR45N、HR15T、HR30T、HR45T。