01材料在静载荷下的力学性能
工程材料的性能
布氏硬度操作
(3)表示方法 表示方法 例如： 例如： 120HBS10/1000/30 （4）特点： ）特点： (5)适用范围：铸铁、 适用范围：铸铁、 适用范围 铸钢、 铸钢、非铁金属材 料及热 处理后钢材 毛坯或半成品. 毛坯或半成品
2.洛氏硬度(HR) 2.洛氏硬度(HR) 洛氏硬度 (1)测试原理 测试原理： (1)测试原理： (2)表示方法 表示方法： (2)表示方法： 硬度标尺：HRA、 硬度标尺：HRA、 HRB、 HRB、HRC C标尺最常用 特点： （3）特点： (4)适用范围 适用范围： (4)适用范围： 在批量的成品或半 成品质量检验中广泛 使用. 使用.
KⅠ≥KⅠc时 裂纹就会扩展而导致低应力脆断， 当 KⅠ≥KⅠc时，裂纹就会扩展而导致低应力脆断，此 式称为K判据。 式称为K判据。
K 2 ac = 1C ） （ Yσ
Y a
1.3 材料在动载荷作用下的力 学性能
动载荷是指突加的、冲击性的， 动载荷是指突加的、冲击性的，大小和方向随 时间而变化的载荷。 时间而变化的载荷。 材料在动载荷作用下的力学 性能，包括冲击韧度和疲劳强度。 性能，包括冲击韧度和疲劳强度。
屈服点σ 和屈服强度σ (3) 屈服点σs和屈服强度σ0.2 抗拉强度σ (4) 抗拉强度σb
(5) 塑性 断后伸长率δ 1）断后伸长率δ 100% ［（L δ＝［（L1-L0）/L0］×100% 注意： 注意： δ和δ5的区别
2）断面收缩率ψ 断面收缩率ψ ψ＝［(S0－S1)/S0］×100% 100%
1.布氏硬度（HB） 1.布氏硬度（HB） 布氏硬度 (1)测试原理 用一直径为D 测试原理： (1)测试原理：用一直径为D的 钢球或硬质合金球， 钢球或硬质合金球，以相应的试验 力压入试样表面，保持一定时间后， 力压入试样表面，保持一定时间后， 卸除试验力， 卸除试验力，在试样表面得到一直 径为d的压痕， 径为d的压痕，用试验力除以压痕 表面积所得的值即为布氏硬度值， 表面积所得的值即为布氏硬度值， HB表示 表示。 用HB表示。 计算公式： 计算公式：
材料在静载下的力学性能
图2－9 缺口试样应力集中现象
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缺口顶端的最大应力取决于缺口的几何参数— —形状、深度、角度及根部的曲率半径，以曲率半 径影响最大，缺口越尖锐，应力集中越严重。 应力集中程度可以用理论应力集中系数Kt表示：Kt
＝max/，max—最大应力，—平均应力。
Kt值与材料无关，只决定于缺口的几何形状，可从 手册查到。 比如，若缺口为椭圆形， Kt＝1＋2a/b，a、b分别 为椭圆的长短轴；若缺口为圆形，则Kt＝3。
行为。
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Z
σz
复杂应力状态用 受力点单元六面体 的六个应力分量表 示。正应力导致脆 断，切应力导致韧
τyx
τxy
σx σy
X
断。
Y
单元六面体上的应力分量
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第一节、应力状态软性系数
材料在不同应力状态下，所表现出来的力学性能是不同的。 根据材料力学知识，任何复杂的应力状态可分为三个主应 力σ1、σ2、σ3来表示。而最大应力可以由主应力表示。
曲力，按弹性弯曲公式计算的最大弯曲应力。 ●从弯曲力—挠度曲线上B点上读取相应的弯
曲力Fbb（或从测力盘上直接读取），按前面 公式计算出最大弯曲力矩Mbb，然后算出试 样抗弯截面系数W，继而计算出抗弯强度σbb
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淬火温度对合金工具钢抗抗弯强度的影响
840℃ 855℃870℃
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1.弹性状态下的应力分布
图2－10 薄板缺口拉伸时弹 性状态下的应力分布
轴向应力σy在缺口根部最大，并
y
随着离开根部的距离加大而降低。
在根部产生应力应变集中效应。
第一缺口效应：应力应变集中
材料力学性能
工程中常用的三种屈服标准：
比例极限 弹性极限 屈服强度
三、影响屈服强度的因素
结合键 组织 内在因素 结构 原子本性 陶瓷、高分子材料
温度 外在因素 应变速率
应力状态
固溶强化
四种影响金属材料 屈服强度的强化机 制
形变强化 沉淀强化和弥散强化
晶界和亚晶强化
四、加工硬化（形变强化）
பைடு நூலகம்
定义：
在金属整个变形过程中，当外力超过屈服强度 之后， 塑性变形并不是像屈服平台那样连续流变下去， 而需要不断增加外力才能继续进行， 这说明金属有一种阻止继续塑性变形的抗力， 这种抗力就是应变硬化性能。
第二节 弹性变形
一、弹性变形及其实质
弹性变形及其实质：弹性变形是一种可逆变形（即卸载后可以恢复变形前 形状的变形，热力学意义上的可逆变形）。
弹性模量
定义：当应变为一个单位时，弹性模量即为弹性应力，即 产生100%弹性变形时所需要的应力。 这个定义对金属来讲是没有任何意义的，这是因为金属材 料所能产生的弹性变形量是很小的。 在弹性变形阶段，大多数金属的应力与应变之间符合虎克 定律的正比关系。它表示材料在外载荷下抵抗弹性变形的 能力。
(1) 各晶粒变形、不同时性和不均匀性 (2) 各晶粒变形的相互协调性
二、屈服现象和屈服点（屈服强度）
屈服现象是材料产生宏观塑性变形的一种标志。 金属材料从弹性变形阶段向塑性变形阶段的过渡明 显，表明外力保持恒定时试样仍继续伸长，或者外 力增加到一定数值时突然下降，然后外力几乎不变 时，试样仍继续伸长变形，这就是屈服现象。 呈现屈服现象的金属材料在拉伸时，试样在外力保 持恒定仍能继续伸长的应力称为屈服点，又称屈服 强度。
第一章 静载荷下材料的力学性能11
二、形变强化
1. 真实应力-应变曲线
2. 真应力－应变关系
• 从试样开始屈服到发生颈缩，这一段应变范围中 真实应力和应变的关系,可用以下方程描述： 式中n称为加工硬化指数或应变硬化指数，K叫做 强度系数。如取对数,则有：
3.加工硬化指数n的实际意义
• 加工硬化指数n反应了材料开始屈服以后，继续变形时材料 的应变硬化情况，它决定了材料开始发生颈缩时的最大应力。 • 材料的加工硬化能力是零件安全使用的可靠保证。
拉伸性能指标，又称为力学性能指标，用应力-应变曲线
上变形过程性质发生变化的临界值来表示。
可以分为：强度指标和塑性指标。 屈服强度指标：指材料的开始出现塑性变形时的应力值。
比例极限：应力-应变曲线上符合线性关系的最高应力值，记为σp。 弹性极限：试样加载再卸载，以不出现残留永久变形为标准，材料能 完全弹性恢复的最高应力值。记为σe 屈服强度：以规定的残留变形为标准，如通常以0.2%残留变形的应 力作为屈服强度，用σys或σ0.2表示。
第1章
静载荷下材料的力学性能
本章主要内容
• • • • • 1、应力—应变曲线 2、弹性变形及其性能指标 3、塑性变形 4、断裂 5、压缩、弯曲、扭转、硬度
引 言
静拉伸是材料力学性能试验中最基本的试验方法。用 静拉伸试验得到的应力－应变曲线，可以求出许多重要 性能指标。 如弹性模量E，主要用于零件的刚度设计中；材料的 屈服强度σs和抗拉强度σb则主要用于零件的强度设计中， 特别是抗拉强度和弯曲疲劳强度有一定的比例关系，这 就进一步为零件在交变载荷下使用提供参考；而材料的 塑性，断裂前的应变量，主要是为材料在冷热变形时的 工艺性能作参考。
拉伸性能指标
抗拉强度：材料的极限承载能力。与最高载荷Pb对应的应 力值σb 。 塑性指标 延伸率：
工程材料学-1材料的力学性能
比强度 30～37 23～36 90～111
3. 塑性指标：
塑性变形： 不可恢复的永久变形。塑性是表征材料断
裂前具有塑性变形的能力。
断后伸长率δ（δ5、δ10）：
断后试样标距伸长量与原始标距之比的百分率，
即： LKL010% 0
L0
δ < 2 ~ 5% 属脆性材科
δ≈ 5 ~ 10% 属韧性材料
δ > 10%
材料的静载力学性能指标：
主要有强度、塑性、硬度等。
1.2.1 拉伸试验
1.2.1 拉伸试验
GB/T228-2002
标准拉伸试样
1.2.1 拉伸试验
拉伸曲线
应力-应变曲线
应力σ＝F / S0
应变ε＝Δl / l0
1.2.1 拉伸试验
试样在拉伸时的伸长和断裂过程 a）试样 b）伸长 c）产生缩颈 d）断裂
1.2.1 拉伸试验
2．屈服阶段（曲线cd段）
其实，试样在超过弹性极限的外力作用下，即 在bc段．就已开始产生塑性变形。不过，此时 所产生的塑性变形量甚微，不易觉察罢了。而 当达到屈服阶段时，则塑性变形突然增加。因 此，可以把这种拉力不增加而变形仍能继续增 加的现象，表观上看作是金属从弹性变形阶段 到塑性变形阶段的—个明显标志。
适用范围:
➢ 测量薄板类 ➢ HV≈HBS
维氏硬度的特点
HV值不随载荷变化，即不同载荷下的HV可 相互比较；
测量精度高，测量范围广； 特别适用于测定工件表面硬化层、金属镀 层及薄片金属的硬度。
4. 显微硬度
测试原理：
与维氏硬度完 全相同，只是所用 载荷要小得多。常 用于测定材料中某 个相的硬度。
培训目的
工程材料学-1材料的力学性能
材料在静载荷下的力学性能
SP Ai
RAL 1 材料在静载荷下的力学性能
根据在塑性变形前后材料体积不变的近似假定，即
A0l0 Aili
则得到 S P P l i l 0 l (1 l )
Ai A0 l 0
l0
l0
所以 S (1 )
RAL 1 材料在静载荷下的力学性能
真应变：瞬时应变
n
l e d
RAL 1 材料在静载荷下的力学性能
1.1.1 拉伸曲线和应力－应变曲线
应力：单位截面上所受到的力称为应力 应变：单位长度上的变形量
P 工程应力：拉伸载荷除以原始截面积 A0
工程应变：试样际上，在拉伸过程中，试样的横截面积是逐渐减小的，外加载 荷除以试样某一变形瞬间的截面积称为真应力。
脆性材料（玻璃、岩石、陶瓷、淬火高碳钢及铸铁等材料 ）在拉伸变形时只 产生弹性变形(a)，一般不产生或产生很微量的塑性变形。 表征脆性材料力学特征的主要参量有两个：弹性模量E；断裂强度。
在工程上使用的脆性材料并非都属于完全的脆性，尤其是金属材料， 绝大多数都有些塑性，在拉伸变形后，即便是脆性材料，也或多或少 会产生一些塑性变形.(c)
规定弹性极限
规定以残余伸长为 0.01%的应力作为规定残余伸长应力，并 以σ0.01表示。
RAL 1 材料在静载荷下的力学性能
强度指标及其测定方法
（3）屈服极限（屈服强度）
s(Rel) Ps/A0 (MPa)
在拉伸过程中，当应力达到一定值时，拉伸曲线上出现了平台或锯齿形流变， 在应力不增加或减小的情况下，试样还继续伸长而进入屈服阶段。屈服阶段 恒定载荷Ps所对应的应力为材料的屈服点。 条件屈服极限 (0.2)
RAL 1 材料在静载荷下的力学性能
使用性能是指料在使用条件下表现出来的性能如力学性能
工程材料的性能包括使用性能和工艺性能。
使用性能是指材料在使用条件下表现出来的性能如力学性能、物理性能和化学性能；工艺性能是指材料在加工过程中反映出的性能如切削加工性能、铸造性能、塑性加工性能、焊接性能和热处理性能等。
其具体的分类如下：一、强度、刚度、塑性、硬度材料在静载荷的作用下所表现出的各种性能称为静态力学性能。
材料的静态力学性能可以通过静载试验确定，该试验可以确定材料在静载荷作用下的变形（弹性变形、塑性变形）和断裂行为，这些数据广泛应用于结构载荷机件的强度和刚度设计中，也是材料加工工艺有关材料变形行为的重要资料。
在生产金属材料的工厂，静载试验是检验材料质量的基本手段之一。
此外，科学工作者也能够从材料的变形和断裂行为的分析中得到很多有关材料性能的重要资料，这些资料对于研究和改善材料的组织与性能十分必要。
一、拉伸试验拉伸试验是工业上应用最广泛的金属力学性能试验方法之一。
这种试验方法的特点是温度、应力状态和加载速率是确定的，并且常用标准的光滑圆柱试样进行试验。
通过拉伸试验可以揭示材料在静载荷作用下常见的三种失效形式，即弹性变形、塑性变形和断裂。
还可以标定出材料最基本的力学性能指标，如屈服强度σ、抗拉强度σb、断后伸长率δ和断面收材料的性能使用性能工艺性能强度、硬度、塑性和韧性等室温下抵抗各种化学作用的性能高温下抵抗各种化学作用的性能密度、熔点、磁性、导电导热性、热膨胀性等缩率ψ。
1、拉伸试验曲线拉伸试验曲线有以下几种表示方法：（1）载荷－伸长曲线（P-ΔL）这是拉伸试验机的记录器在试验过程中直接描画出的曲线。
P是载荷的大小，ΔL指试样标距长度L0受力后的伸长量。
（2）工程应力－应变曲线（σ－ε曲线）令F0为试样原有的横截面面积，则拉伸应力σ＝P / F0，拉伸应变ε＝ΔL / L0。
以σ－ε为坐标作图得到的曲线就是工程应力－应变曲线，它和P-ΔL曲线形状相似，仅在尺寸比例上有一些差异。
图2－1为低碳钢的拉伸曲线。
材料的力学性能
材料的力学性能1.1材料在静载荷下的力学性能1.1.1拉伸试验对试样沿轴向缓慢施加拉伸力，会得到拉伸力F-伸长量ΔL的关系曲线。
为了消除试样尺寸的影响可用拉伸力F除以式样的原始截面积S0，得到拉应力б；用试样的伸长量ΔL除以试样的原始长度L0得到应变ε。
1.弹性与刚度（1）弹性形变：对试样加载的应力不超过一定，卸载后试样会恢复原状，这种变形称为弹性变形。
该力为材料的弹性变形的阶段所能承受的最大应力，被称为弹性极限。
（2）弹性模量：在弹性变形阶段，应力与应变成正比关系，其壁纸为E=б/ε为材料的弹性模量。
（E越大，产生一定量的弹性模量所需要的应力越大。
）弹性模量E与原子间的作用力有关，决定于金属原子的本性和晶格类型。
合金化、热处理、冷塑性变形、加载速率等对其影响都不大。
提高零件刚度的方法是增大横截面积或改变截面的形状。
2.强度（1）强度：材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力叫做强度。
分为抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。
拉伸试验中获得的屈服强度（Re）和抗拉强度（Rm）应用最为广泛。
(材料强度越高，材料承受的外力越大，使用越安全。
)（2）塑性变形：加载的超过拉伸极限的力，卸载后，试样不会恢复原状，这种变形称为塑性变形。
（塑性变形分为三个阶段：塑性变形、均匀塑性变形、不均匀塑性变形）（3）屈服强度（Re）：当应力值到达s点时，曲线上出现了水平的波折线，表明即使外力不增加试样仍能继续伸长，这就是屈服现象。
（发生屈服所对应的应力值即为屈服强度。
屈服强度反映材料抵抗永久变形的能力。
）（4）抗拉强度（Rm）：b点是拉伸曲线的最高点，对应能承受的最大应力，称为抗拉强度。
（所以b点是均匀塑性变形和不均匀塑性变形阶段的分界线，反映材料抵抗断裂破坏的能力。
）（5）断裂强度（）：超过b点后，缩颈出迅速伸长，应力明显下降，在k处断裂，用бk表示，所对应的应力值为断裂强度。
3.塑性（1）塑性：塑性是指金属材料断裂前发生永久变形的能力。