金属材料的力学性能 (1)
金属材料的力学性能
使用性能
力学性能 强度、硬度、塑性、韧性等 物理性能 指熔点、导热性、导电性、磁性等 化学性能 抗氧化性、抗腐蚀性等 其它性能 耐磨性、热硬性、消振性等
工艺性能——加工成形的性能
1.1 金属材料的力学性能
是指金属材料在外加载荷作用下所表现出来的抵抗能 力,
静载荷
根据载荷作用性质不同 冲击载荷
疲劳载荷 静载荷是指外力的大小和方向不变或变化很缓慢的载荷； 冲击载荷是指突然增加的载荷； 疲劳载荷则是指大小和方向随时间作（ZHOU）期性变化
在一定条件下,HB与HRC可以查表互换，其心算公式可大概记 为：1HRC≈1/10HB，
3 .维氏硬度 HV
维氏硬度试验原理 维氏硬度压痕
维氏硬度计
维氏硬度 HV 测试计
小
负
荷
显微维氏硬度计
维
氏
硬
度
计
1 维氏硬度测量原理
用压头为锥面夹角为136º的金刚石四棱锥体,以一定的试验 力将压头压入试样表面,保持规定时间卸载后,在试样表面留 下一个四方锥形的压痕,测量压痕两对角线长度,以此计算出 硬度值，
成形工艺的应用
重要环节： 热处理
1.3 金属材料的工艺性能
金属材料的工艺性能：是指用不同的加工手段所 表现出来的难易程度,
铸造性能 流动性、收缩、偏析等
锻压性能 切削加工性 焊接性 热处理性能
小 结：
本单元了解了金属材料的类型和性能,重点学 习了金属材料的力学性能的指标：强度、塑 性、韧性、硬度以及疲劳强度，
屈强比 ReL/ Rm ： 0.6~0.85 屈强比高,材料利用率越高； 屈强比低,零件的可靠性越高
—— 综合考虑材料利用率和安全性
1. 1. 2 塑 性
金属材料的力学性能指标项目
2) 洛氏硬度 HR
洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002
根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。
HRC60：表示材料的硬度
3) 维氏硬度 HV
目 录
5、冲击韧度（冲击韧性）
材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力。
AKU =mg（H1 – H2）（J）
a K = AKU/S
N0— 循环基数
1
N0 N
钢： 有色金属：
影响疲劳强度的因素:内部缺陷、表面划痕、残留应力等
目 录
伸长率：
F
d0
F
l0
LБайду номын сангаас
dk
良好的塑性是金属材料进行 塑性加工的必要条件。
lk
目 录
3、刚
度
材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力称为刚度。
在弹性阶段： F l
所以：
E
E
比例系数E 称为弹性模量，它反映材料对弹性变形 的抗力，代表材料的“刚度” 。
E
— 材料抵抗弹性变形的能力越大。
弹性模量的大小主要取决于材料的本性，随温度升高而 逐渐降低。
目 录
4、硬
度
定义：材料抵抗表面局部弹塑性变形的能力。 1)布氏硬度 HB
HB 0.102 2F
D( D D 2 d 2 )
HB230 材料的b与HB之间的经验关系：
对于低碳钢: b(MPa)≈3.6HB 对于高碳钢： b(MPa)≈3.4HB 对于 铸铁： b(MPa)≈1HB或 b(MPa)≈ 0.6(HB-40)
指材料在外力作用下，产生屈服现象时的最小应力。
第一章 金属材料的力学性能
度
A、C标尺为100
B标尺为130
机 械 制
造
基
础
§1.2 硬度
第一章 金属材料的力学性能
二、洛氏硬度
标注——用符号HR表示， A标尺HRA B标尺HRB C标尺HRC
如： 42 HRA
机
械
硬度值 A标尺
制
造
基
础
§1.2 硬度
第一章 金属材料的力学性能
三、维氏硬度 测定原理——基本上和布氏硬度相同，只是所用 压头为金刚石正四棱锥体
冲击韧度高
机
•冲击能量高时， --材料的冲击韧度主要取决于材料的塑性，塑性高则
韧度高
械 制
造
基
础
第一章 金属材料的力学性能
第一章 金属材料的力学性能
§1.1 强度和塑性
§1.2 硬度
§1.3 冲击韧度
§1.4 疲劳强度
本章小结
机
械
制
造
基
础
§1.4 疲劳强度
第一章 金属材料的力学性能
疲劳强度
Sl110000%%Sl10lS0 110100%0%
Sl 二者的值越大塑性越好 00
lS0 0
机 械 制
原始原横始截标面距积
试样拉试断样后断的裂标处距截面积
造 基
础
第一章 金属材料的力学性能
第一章 金属材料的力学性能
§1.1 强度和塑性
§1.2 硬度
§1.3 冲击韧度
§1.4 疲劳强度
本章小结
第一章 金属材料的力学性能
由主金要属内材容料：制成的零、部件，在工作过
程中金都属要材承料受的外力力学性(或能称指载标荷和) 测作试用方而法产，
1章 金属材料的力学性能 寒假(1)
第一章金属材料的力学性能姓名：一、填空题(共10小题，每小题3分，共30分)l. 是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，常用的硬度实验法有硬度实验法、硬度实验法和硬度实验法。
2.金属材料在作用下，抵抗和的能力称为强度。
3.金属材料的性能分为和。
4.塑性指标是和，其值越大表示材料的塑性越。
5.变形一般可分为和两种，不能随载荷的去除而消失的变形称为6.200HBS表示硬度,硬度值是，压头是。
7.测定原材料常用试验,测定淬火钢常用试验。
8.金属材料抵抗载荷作用而的能力，称为冲击载荷。
9.布氏硬度值测量压痕，洛氏硬度值测量压痕，维氏硬度值测量压痕。
10.金属材料在循环应力作用下能经受无限多次循环而不断裂的最大应力称为金属材料的。
二、判断题(共10小题，每小题2分，共20分)1.洛氏硬度值无单位。
（）2.做布氏硬度测试时，当试验条件相同时,其压痕直径越小，材料的硬度越低。
（）3.在实际应用中,维氏硬度值是测定压痕对角线长度的算术平方值后再查表得到的。
（）4.各种不同的标尺的洛氏硬度值可进行直接比较,因此应用方便。
（）5.维氏硬度值具有连续性,故可测定很软到很硬的各种金属材料的硬度,其准确性高。
（）6.金属的塑性越好，变压抗力越小，金属的锻造性能越好。
（）7.金属材料的力学性能差异是由其内部组织所决定的。
（）8.金属在强大的冲击作用下，会产生疲劳现象。
（）9.拉伸试验可以测定金属材料的强度、塑性等多项指标。
（）10.布氏硬度测量法宜用于测量成品及较薄零件。
（）三、单项选择题（共10小题，每题2分，共20分）1.金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为（）。
A.塑性B.硬度C.强度D.韧性2.做疲劳试验时.试样承受的载荷为（）。
A.静载荷B.冲击载荷C.循环载荷D.过载荷3.下列属于力学性能指标的是（）。
A.热膨胀性B.化学稳定性C.疲劳强度D.可锻性4.拉伸试验时,试样拉断前能承受的最大标称应力称为材料的（）。
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。
金属材料力学性能第一章材料的拉伸性能
e
We = e ε e / 2 = e2 / (2E)
0
εe
ε
制造弹簧的材料要求高的弹性比功：（ e
大 ，E 小）
四 弹性不完整性
1、滞弹性 (弹性滞后)
----在弹性范围内 快速加载或卸载后, 随时间延长产生附 加弹永生应变的现 象。
加载和卸载时的应力应变曲线不重合形成
一封闭回线 ------ 弹性滞后环
s = Fs / A0
对于拉伸曲线上没有屈服平台的材料，塑性 变形硬化过程是连续的，此时将屈服强度定义 为产生0.2% 残余伸长时的应力，记为σ0.2
s = σ0.2 = F0.2 / A0
抗拉强度b：
定义为试件断裂前所能承受的最大工程 应力，以前称为强度极限。取拉伸图上的最大 载荷，即对应于b点的载荷除以试件的原始截 面积，即得抗拉强度之值，记为σb
无机玻璃、陶瓷以及一些处于低温下的 脆性金属材料，在拉伸断裂前只发生弹性变形， 而不发生塑性变形，其拉伸曲线如图1-3(a)所 示。
➢ 在拉伸时，试件发生轴向伸长，也 同时发生横向收缩。将纵向应变el 与 横(径)向应变er之负比值表示为υ，即 υra=t-ioe)r/,e它l ，也是υ 称材料为的波弹桑性常比数(P。oisson’s
外力作用下，产生变形，这种变形在外力去除时随即消失 而恢复原状。 2. 特性： 1） 可逆性：外力去除时，变形消失，恢复原状。 2） 单值线性关系：应力与应变呈单值线性关系。（OE段） 3） 弹性变形量比较小，一般小于1%。 3. 实质： 金属材料弹性变形是其晶格中原子自平衡位置产生可逆位移 的反映。
1
2´
30.1
24.0
0
4
8.5
ε
17.8
付华-材料性能学-部分习题答案1
第一章材料的弹性变形一、填空题：1.金属材料的力学性能是指在载荷作用下其抵抗变形或断裂的能力。
2. 低碳钢拉伸试验的过程可以分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。
3. 线性无定形高聚物的三种力学状态是玻璃态、高弹态、粘流态，它们的基本运动单元相应是链节或侧基、链段、大分子链，它们相应是塑料、橡胶、流动树脂（胶粘剂的使用状态。
二、名词解释1.弹性变形：去除外力，物体恢复原形状。
弹性变形是可逆的2.弹性模量：拉伸时σ=EεE：弹性模量（杨氏模数）切变时τ=GγG：切变模量3.虎克定律：在弹性变形阶段，应力和应变间的关系为线性关系。
4.弹性比功定义：材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力，又称为弹性比能或应变比能，表示材料的弹性好坏。
三、简答：1．金属材料、陶瓷、高分子弹性变形的本质。
答：金属和陶瓷材料的弹性变形主要是指其中的原子偏离平衡位置所作的微小的位移，这部分位移在撤除外力后可以恢复为0。
对高分子材料弹性变形在玻璃态时主要是指键角键长的微小变化，而在高弹态则是由于分子链的构型发生变化，由链段移动引起，这时弹性变形可以很大。
2．非理想弹性的概念及种类。
答：非理想弹性是应力、应变不同时响应的弹性变形，是与时间有关的弹性变形。
表现为应力应变不同步，应力和应变的关系不是单值关系。
种类主要包括滞弹性，粘弹性，伪弹性和包申格效应。
3．什么是高分子材料强度和模数的时-温等效原理?答：高分子材料的强度和模数强烈的依赖于温度和加载速率。
加载速率一定时，随温度的升高，高分子材料的会从玻璃态到高弹态再到粘流态变化，其强度和模数降低；而在温度一定时，玻璃态的高聚物又会随着加载速率的降低，加载时间的加长，同样出现从玻璃态到高弹态再到粘流态的变化，其强度和模数降低。
时间和温度对材料的强度和模数起着相同作用称为时=温等效原理。
四、计算题：气孔率对陶瓷弹性模量的影响用下式表示：E=E0 (1—1.9P+0.9P2)E0为无气孔时的弹性模量；P为气孔率，适用于P≤50 %。
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:
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拉伸实验
万能材料试验机 a) WE系列液压式 b) WDW系列电子式
力－伸长曲线
拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。
弹性变形阶段 屈服阶段 强化阶段 颈缩现象
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
(a)试样 (b)伸长 (c)产生缩颈 (d)断裂
3. 脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）
❖ 金属材料的力学性能是指在承受各种外加载荷（拉 伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时， 对变形与断裂的抵抗能力及发生变形的能力。
强度与塑性
❖ 强度是指金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性 变形和断裂的能力。
❖ 塑性是指金属材料在静载荷作用下产生塑性变 形而不致引起破坏的能力。
❖ 金属材料的强度和塑性的判据可通过拉伸试验 测定。
F
0
ΔL
脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。
屈服现象
❖ 在金属拉伸试验过程中， 当应力超过弹性极限后， 变形增加较快，此时除 了弹性变形外，还产生 部分塑性变形。当外力 增加到一定数值时突然 下降，随后，在外力不 增加或上下波动情况下， 试样继续伸长变形，在 力－伸长曲线出现一个 波动的小平台，这便是 屈服现象。
规定残余延伸应力
F0.2 A0
F
F0.2
0 0.2%L0
ΔL
抗拉强度
材料在断裂前所能承受的最大应力，用符号 表 示。
计算公式
Fb A0
塑性
（一） 定义 金属材料断裂前发生永久变形的能力。
（二）衡量指标 伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。
断面收缩率：试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与 原始横截面积的百分比。
强度
屈服点
在伸长过程中力不增加（保持恒定），试样仍能继续
伸长时的应力，单位为MPa，即：
S
FS Ao
式中：Fs——材料屈服时的拉伸力，（ N ）； Ao——试样原始截面积，（ mm2 ）。
规定残余延伸强度
❖ 对于高碳淬火钢、铸铁等材料，在拉伸试验 中没有明显的屈服现象，无法确定其屈服强 度。
❖ 国标GB228-2002规定，一般规定以试样达 到一定残余伸长率对应的应力作为材料的屈 服强度，称为规定残余延伸强度，通常记作 Rr。例如Rr0.2表示残余伸长率为0.2%时的 应力。
断后伸长率（ δ ）
l1-l0
δ=
×10 l0——试样的原始标距,mm。
断面收缩率（ψ）
ψ= S0-S1 ×100% S0
S0——试样原始横截面积,mm2； S1——颈缩处的横截面积,mm2 。