金属材料力学性能
金属材料的力学性能
(一)、布氏硬度
1、布氏硬度试验（布氏硬度计）
原理:用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入待测 材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量材料表面压痕直径， 以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。
2、布氏硬度值 用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示。 如： 120HBS 500HBW 600HBS1/30/20
它是设计和选材的主要依据之一，是工程技术上的主要强度。
二、刚度和弹性 由图1-2可测出材料的弹性模量，即可确定该材料的刚度和弹性。弹性模量
是指金属材料在弹性状态下的应力与应变的比值，即
在应力-应变曲线上，弹性模量就是试样在弹性变形阶段线段的斜率。它表 示了金属材料抵抗弹性变形的能力，工程上将材料抵抗弹性变形的能力称为刚 度。
金属材料的力学性能
材料的力学性能，是指材料在外力(载荷)作用下所表现出来的性能，或称机 械性能，包括强度、刚性、弹性、塑性、硬度及疲劳强度。
一、强度 金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。抵抗外力的能力越大，则强
度越强。 依据载荷的不同，可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度以及抗
扭强度等几种。
1、拉伸试样
Hale Waihona Puke 2、材料的拉伸曲线oe——弹性变形阶段：变形量与外加载荷成正比，当载荷去掉后试样变形 完全恢复。
es——屈服阶段：此阶段伴随着弹性变形，还发生了塑性变形，当去除载 荷后，试样部分形变恢复，还有一部分形变不能恢复，将这部分不能恢复的形 变称为塑性变形。s为屈服点。
sd——明显塑性变形阶段：该阶段中载荷不再增加或是微量增加，试样却 继续变形。
2、洛氏硬度值 用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读出。如： 50HRC
金属材料力学性能
一．名词解释1，E,弹性模量，表征材料对弹性变形的抗力，2，δs：呈现屈服现象的金属拉伸时，试样在外力不增加仍能继续伸长的应力，表征材料对微量塑性变形的抗力。
3，σbb：是灰铸铁的重要力学性能指标，是灰铸铁试样弯曲至断裂前达到的最大弯曲里（按弹性弯曲应力公式计算的最大弯曲应力）4δ：延伸率，反应材料均匀变形的能力。
5，韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力（或指材料抵抗裂纹扩展能力）6低温脆性:某些金属及中低强度钢，在实验的温度低于某一温度Tk时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔集聚型变为穿晶解理型，断口特征由纤维状态变为结晶状，这就是低温脆性7 Kic：断裂韧度，为平面应变的断裂韧度，表示在平面应变条件下材料抵抗裂变失稳扩展的能力8 弹性比功（弹性比能）：表示单位体积金属材料吸收变形功的能力9σ-1：疲劳极限，表明试样经无限次应力循环也不发生疲劳断裂所对应的能力10循环韧性(消振性)：表示材料吸收不可逆变形功的能力（塑性加载）11Ψ：断面收缩率，缩经处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，12Ak：冲击功、，冲击试样消耗的总能量或试样断裂过程中吸收的总能量13蠕变：材料在长时间的恒温应力作用下，（即使应力低于屈服强度）也会缓慢地产生塑性变形的现象。
14σtて：在规定温度（t）下，达到规定的持续时间（て）而不发生断裂的最大应力。
15：氢致延滞断裂：由于氢的作用而产生的延滞断裂现象。
17.δ0.2：屈服强度18.△K th：疲劳裂纹扩展门槛值，表征阻止裂纹开始扩展的能力19δbc：抗拉强度，式样压至破坏过程中的最大应力。
20.包申效应：金属材料经过预加载产生少量塑变，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加，反向加载，规定残余应力减低的现象，称为包申效应。
21．NSR：缺口敏感度，缺口试样的抗拉强度δbn与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度δb之比。
22.力学行为：材料在外加载荷，环境条件及综合作用下所表现出的行为特征。
金属材料的力学性能
金属材料的力学性能金属材料的力学性能引言：金属材料是一类具有良好力学性能的材料，广泛应用于工业生产和日常生活中。
它们具有高强度、高刚度和良好的塑性变形能力，使其在结构工程中发挥重要作用。
本文将介绍金属材料的力学性能，包括强度、刚度、韧性和延展性等方面的特性。
一、强度强度是金属材料的抵抗外力破坏和变形的能力。
常见的强度指标有屈服强度、抗拉强度、抗压强度、剪切强度等。
屈服强度是指金属材料开始塑性变形时的应力值，抗拉强度是金属材料抗拉应力下发生断裂的能力，抗压强度是金属材料抗压应力下发生断裂的能力，剪切强度是金属材料发生滑移断裂的能力。
强度与金属材料内部的晶体结构密切相关，晶体间的结合力越强，金属材料的强度越高。
二、刚度刚度是指金属材料抵抗外力变形的能力，也称为弹性模量。
刚度与材料的原子结构相关，原子之间的键合越紧密，材料的刚度就越高。
刚度是测量金属材料在受力作用下的弹性恢复能力。
常见的刚度指标是杨氏模量和剪切模量，取决于金属材料中原子之间的键合性质和晶体结构。
三、韧性韧性是指金属材料在受力作用下能够吸收大量能量而不断裂的能力。
韧性是将金属材料弯曲、扭转或拉伸时的表现，具有良好的韧性的材料可以获得较大的塑性变形能力。
韧性材料能够在受到冲击或震动时，通过塑性变形来吸收能量，从而减少外界力量对结构的破坏。
韧性与金属材料内部晶粒的细化、晶界的加强以及材料中的组织缺陷等因素有关。
四、延展性延展性是指金属材料在外力作用下能够发生塑性变形，较大程度延长而不发生断裂的能力。
延展性与金属材料的晶粒形态及其排列方式密切相关，也与材料中晶界的运动有关。
延展性较好的材料可以用于制造需要大变形的构件，如容器、管道等。
延展性较差的材料容易发生局部失稳和断裂。
结论：综上所述，金属材料具有优异的力学性能，包括强度、刚度、韧性和延展性等方面的特点。
这些性能是由金属材料的晶体结构和内部组织决定的。
对于不同的应用需求，可以选择不同力学性能的金属材料来满足要求。
金属材料力学性能
低合金钢 奥氏体不锈钢
2.0~2.1 1.9~2.0
几为材料的屈服强度和抗拉强度的比值，即σs/σb。 比值σs/σb对材料成型加工极为重要， 较小的σs/σb值几乎 对所有冲压成型都是有利的，也可以说屈强比小的材料塑性较 高，屈强比高表示材料的抗变形能力较强，不易发生塑性变形。 当然对于可靠性而言, 钢材的屈服强度就应该以接近钢材的拉 伸强度为佳,也就是说 屈强比大的钢材用来做结构零件可靠性 高。
二、金属在冲击载荷下的力学性能
机件在冲击载荷下的失效类型和静 载荷一样，也表现为过量弹性变形、 过量塑性变形和断裂。 在静载荷下，塑性变形比较均匀地 分布在各个晶粒中，而在冲击载荷 下，塑性变形则比较集中在某些局 部区域，这反映了塑性变形是极不 均匀的(图3-1)。
冲击韧性
冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力， 用冲击吸收功Ak表示。反应材料的韧性。
（5）弹性模量E
工程上为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力，其值愈大，则在相同 应力下产生的弹性变形就愈小。当应变为一个单位时，弹性模量即等于弹性 应力，即弹性模量是产生100％弹性变形所需的应力。
金属材料 铁 铜 铝
铁及低碳钢
E/105MPa 2.17 1.25 0.72 2.0
铸铁
1.7~1.9
1.碳素结构钢：用于制造各种工程构件和机械构件； 2.碳素工具钢：用于各种工具。 牌号则是体现其力学性能，Q+数字表示，其中“Q”为屈服点“屈”字的 汉语拼音字首，数字表示屈服点数值，例如Q275表示屈服点为275MPa。若牌号后 面标注字母A、B、C、D，则表示钢材质量等级不同，含S、P的量依次降低，钢材 质量依次提高。若在牌号后面标注字母“F”则为沸腾钢，标注“b”为半镇静钢， 不标注“F，’或“b”者为镇静钢。例如Q235-A·F表示屈服点为235MPa的A级沸 腾钢，Q235-C表示屈服点为235MPa的C级镇静钢。 Q195、Q215、Q235钢碳的质量分数低，焊接性能好，塑性、韧性好，有 一定强度，常轧制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等结构和制造普通 铆钉、螺钉、螺母等零件。
金属材料的力学性能
金属材料的力学性能使用性能⎪⎩⎪⎨⎧性）高温。
氧化性（热稳定化学性能：耐蚀性、抗密度、熔点等性、导热性、热膨胀、物理性能：电学性、磁、塑性、韧性、钢度等力学性能：强度、硬度工艺性能⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧切削加工焊接性压力加工（冲压性）铸造性可锻性金属材料的力学性能：金属材料在一定的温度条件和受外力作用下，抵抗变形、断裂的能力称材料的力学性能又称为机械性能。
主要有四大指标：1、 强度指标：抗拉强度b σ 屈服强度s σ：（疲劳强度、屈强比）2、塑性指标⎩⎨⎧断面收缩率伸长率（延伸率）δ 3、硬度指标⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧D HL HV HRC HB ）里氏硬度（）维氏硬度（）洛氏硬度（）布氏强度（ 4、韧性指标⎩⎨⎧IC k k K A a 断裂韧度冲击韧性1、强度指标将规定尺寸的试棒在拉伸实验机上进行静拉伸实验，以测定该试件对外力载荷的抗力，可求强度指标和塑性指标。
（1）拉伸曲线图（2）应力应变图应力0A 外力=σ （单位面积所受力） 应变0L L ∆=ε （单位长度的变形量）对原材料、焊接工艺及焊接试板均有严格的标准进行规定。
对圆形拉伸试样分标准试样和比例试样，每种又分为长试样和短试样⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧==⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧===（短）（长）任意选用比例试样：短试样）长试样）标距标准试样：直径006000000065.53.11(5(1020A L A L d d L d L L d （3）拉伸试验分为四个阶段中碳钢 低碳钢（拉伸图） 变形量ΔL （应变ε）σ标距L 0①弹性变形阶段：变形量L ∆与外力（或应变和应力）成正比（即虎克定律）。
该阶段最高值：e '：P σ：称比例极限（即保持直线关系的最大负荷）。
e σ：弹性极限：我们把材料产生最大弹性变形时的应力称由于检测精度，国标规定以残余变形量为0.01%时的应力为弹性极限。
A F e e =σ 应力：单位面积上材料抵抗变形的力称为应力。
什么是金属材料的力学性能
1.什么是金属材料的力学性能？它包括哪些项目？
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。
金属材料的力学性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳等项目。
2.什么是强度？金属材料的强度指标有哪些?
材料在外力作用下，抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。
金属材料的强度指标有抗拉强度和屈服点两大项。
3.什么是抗拉强度？什么是屈服点？
金属材料在拉断前所能随的最大标称拉应力，称为抗拉强度，以b σ表示，计算公式如下
S F b b =σ，b σ为抗拉强度（MPa ）;b F 为拉断前试样所承受的最大载荷；0S 为试样的原始横截面积2)(mm 。
由于不少金属材料在作拉伸试验过程中没有明显的塑性变形，通常以变形量达到试样标距部分残余伸长率0.2%时的应力，定义为该钢材的屈服强度，心2.0σ表示。
4.什么是塑性？金属材料的塑性指标有哪些？
材料断裂前，发生不可逆永久变形的能力称为塑性。
金属材料的塑性指标有伸长率、断面收缩率和弯曲角。
焊接接头的塑性指标常用弯曲角表示。
金属材料的力学性能
金属材料的力学性能
金属材料的力学性能是指材料在受到力的作用下的行为和性能。
常见的金属材料（如钢、铝、铜等）具有较高的强度和刚性，具有良好的塑性和延展性。
其主要的力学性能包括以下几个方面：
1. 强度：金属材料的强度是指材料在受到外力作用下抵抗变形和破坏的能力。
常见的强度指标有屈服强度、抗拉强度、抗压强度等。
2. 延展性：金属材料具有较好的延展性，即在受到外力作用下能够发生塑性变形。
延展性可以通过材料的延伸率、断面收缩率等指标来描述。
3. 韧性：金属材料的韧性是指材料能够在承受外力作用下吸收较大的能量而不发生断裂或破坏的能力。
韧性也可以通过断裂韧性、冲击韧性等指标来描述。
4. 硬度：金属材料的硬度是指材料抵抗局部变形和外界划
痕的能力。
硬度可以通过洛氏硬度、布氏硬度等进行测量。
5. 弹性模量：金属材料的弹性模量是指材料在受到外力后，能够恢复到原来形状的能力。
弹性模量可以描述材料的刚
度和变形的程度。
6. 疲劳性能：金属材料的疲劳性能是指材料在受到交替或
重复载荷下的疲劳寿命和抗疲劳性能。
疲劳性能可以通过
疲劳寿命、疲劳极限等指标来描述。
以上是金属材料的一些常见力学性能参数，不同的金属材
料在这些性能方面有所差异。
这些性能参数的好坏直接决
定了金属材料在工程实践中的应用范围和性能优势。
金属材料力学性能
金属材料力学性能
金属材料是一种具有良好力学性能的材料，其力学性能主要包括力学强度、变形能力、抗疲劳性和韧性等。
首先，金属材料具有较高的力学强度。
力学强度是指金属材料在外力作用下能够承受的最大应力。
金属材料的力学强度高，意味着它具有较高的抗拉、抗压和抗弯能力。
这使得金属材料广泛应用于工程结构中，如建筑、桥梁和航空器等。
其次，金属材料具有良好的变形能力。
变形能力是指金属材料在外力作用下发生塑性变形的能力。
金属材料可通过冷加工、热加工和轧制等工艺方法来实现变形，使其形状得到改变。
这种良好的变形能力使金属材料具有可塑性，适用于制造各种形状的工件。
金属材料还具有较好的抗疲劳性能。
抗疲劳性是指金属材料在频繁循环加载下的抗损伤能力。
由于外界应力的作用，金属材料会发生变形和损伤，如果应力循环次数过多，将导致断裂。
但金属材料通常具有较高的抗疲劳极限，可以承受较大的应力循环次数，从而延长其使用寿命。
最后，金属材料具有良好的韧性。
韧性是指材料在受力下发生断裂前能够发生较大的塑性变形。
金属材料的韧性意味着它在受到外界冲击或载荷时能够吸收能量，防止突然断裂。
这种优良的韧性使得金属材料广泛应用于制造安全保护装备，如安全带和防护网等。
总的来说，金属材料具有较高的力学强度、较好的变形能力、良好的抗疲劳性和韧性。
这些力学性能使得金属材料成为广泛使用的工程材料，并在国民经济各个领域发挥着重要作用。
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AB
.7.
2. 单向拉伸试验特点：应变
• 应变用来描述塑性变形和弹性变形程度 单位长度上的变化量：
e = DL / L0 无单位 (m/m, mm/mm)
.8.
2. 单向拉伸试验特点：应力与应变举例
• 图中丝的截面积为1 mm2, 长度为 100 mm . • 在丝的下方悬挂10 Kg物体，丝的长度变成了 100.5 mm. • 计算：丝中的应力；丝的应变量 • 应力：9.8×10/1 （N/ mm2)＝98×106 Pa＝98MPa • 应变：(100.5-100)/100=0.005＝0.5%
极限延伸率与试样尺寸A0和L0的比值有关。如果是细长试样，A0/F0比值小，试样极 限延伸率小；反之则大。 为此国家标准对拉伸试样样品尺寸作出规定。两种： 10倍试样： L0＝10×A0，延伸率记为10； 5倍试样： L0＝5×A0，延伸率记为5
.37.
5. 几个基本概念：泊松比
• 依据体积不变原理，纵向伸长，那么横 向必然收缩
10Kg .9.
3. 拉伸曲线
.10.
典型的拉伸曲线
s ss= s0.2
e
s
s
e
ss e
sb e
e
e .11.
弹性变形阶段
.12.
屈服点
.13.
屈服发生后的卸载
.14.
均匀塑性变形阶段
.15.
颈缩阶段
.16.
3. 拉伸曲线：弹性变形
• 原子间的距离发生伸长和 缩短，但原子间的结合键 并没有发生破坏
26 .26.
（3）弹性极限
• 定义：发生弹性变形， 而不发生塑性变形的最 大应力。
• 规定一个小的塑性变形 量对应的应力值作为弹 性极限，如0.005%, 0.01%, 0.05%. 此时弹性
σ 极限分别记做： 0.005, σ0.01, σ0.05
• 也可以：P/A0 • 意义：强调不发生塑性
变形；（比例极限强调 符合正比例关系）。 • 一般的弹性件，如紧固 螺栓
27 .27.
（4）屈服强度
• 对于拉伸曲线上有明显 的屈服平台的材料，塑 性变形硬化不连续，屈 服平台所对应的应力即 为屈服强度，记为ss
ss = Ps / 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
扭转 弯曲
扭转 弯曲
.4.
2. 单向拉伸试验特点
• 应力状态：单向拉应力，应力状态简单，最常用的力学性能试验方法 • 拉伸试验反映的信息：弹性变形、塑性变形和断裂（三种基本力学行为），
能综合评定力学性能。 • 通过拉伸试验可测材料的弹性、强度、延伸率、加工硬化和韧性等重要的力
学性能指标，它是材料的基本力学性能。
.20.
4. 拉伸力学性能指标（1）弹性模量E
• 大多数的工程材料都可以看作弹性体，因此弹性模量具有 普遍性
• 弹性系数和弹性模量的区别
F= kx
.21.
弹性模量E: 单纯弹性变形过程 中应力与应变的比 值。
E se
.22.
stress
应 力
A
B
A= 刚度大 B=刚度小
应s变train
刚度与弹性模量的区别
.39.
脆性与韧性
• 断裂前不发生明显塑性变形——脆 性
– 玻璃、陶瓷、硬塑料 – 高强度钢
• 断裂前发生明显塑性变形——韧性
– 低强度钢、铜、铝、铅…
.40.
B脆ri性ttl断e 裂fracture
D韧u性ct断ile裂fracture
”脆性断裂”所需的能量：分开原子＋新表面的表面能 ”韧性断裂”所需的能量：分开原子＋新表面的表面能+塑性变形消耗
.5.
2. 单向拉伸试验特点
可移动横梁 试样
载荷与 位移读 数
载荷和运 动控制
• 试验条件和样品要符合 标准
• 工程应力： σengstress = P/A0 A0 原始截面积 • 真应力： σtruestress = P/A A = 实时截面积
.6.
2. 单向拉伸试验特点：应力
F
A
s
1. 金属力学性能基本概念 2. 单向拉伸试验特点 3. 拉伸曲线 4. 拉伸力学性能指标 5. 几个基本概念
.2.
1. 金属力学性能基本概念
强度
•拉伸 •屈服 •压缩 •弯曲 •剪切 •蠕变
力学性能
成形性
• 延伸率 • 断面收缩率 • 弯曲曲率
刚度
• 模量 • 弯曲模量
• 卸载后变形迅速恢复
.17.
3. 拉伸曲线：塑性变形
• 相邻原子改变，改变后又 会迅速产生新的平衡
• 卸载后产生不可恢复的永 久变形
.18.
塑性变形一定导致断裂吗？
• 一些材料可以承受一定的塑性变形而不破坏
wire
.19.
基本设计准则
施加的应力必须小于材料的强度 – 强度就是材料变形和断裂的临界应力
33 .33.
• 大塑性变形抗拉 指标
34 .34.
（7）条件断面收缩率
条件断面收缩率ψ： 断面收缩率ψ是评定材料塑性的主要指标。
A0 AK 100%
A0
.35.
（8）条件延伸率 条件延伸率：
材料的塑性常用延伸率表示。测定方法如下：拉伸试 验前测定试件的标距L0，拉伸断裂后测得标距为Lk，然 而按下式算出延伸率
韧性
• 冲击强度 • 缺口敏感性
耐久性
•磨损阻力 •疲劳强度
金属的服役性能与力学性能相关
拉伸测试 冲击试验 硬度试验
.3.
1. 金属力学性能基本概念：应力及应力类型
• 工程构件可能受到的应力类型有：拉伸、压缩、剪切、扭转、弯曲 等
力
单向应力
剪切应力
变形方式
伸长 压缩
剪切
应力类型
拉伸 压缩
剪切
扭转力矩 弯曲力矩
ss = σ0.2 = P0.2 / A0
.28.
.29.
.30.
• 小塑性变形抗 力指标
31 .31.
（5）抗拉强度
抗拉强度sb： 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
σb = Pmax／A0
.32.
（6）真实断裂强度
Ø 拉伸断裂时的真应 力称为真实断裂强 度，记为σf 。试验 时测出断裂点的截 荷Pf，试件的最小 截面积Af，则断裂 时的平均真应力， 即平均断裂强度值， σf表示如下 σf = Pf / Af
Ø 通常在拉伸试验中， 不测定断裂强度。 在这种情况下，可 以根据下列经验公 式估算断裂强度 σf =σb（1+Ψk）
n = - 横向应变 = - ey
• 范围： 0 到 0.5 • 大多数工程材料 ~ 0.3
– Al = 0.33, Zr = 0.31, Pb = 0.42, Nylon = 0.4, 硬塑料= 0.43,…
– 反泊松比材料
.38.
• 体模量（压缩弹性模量）：
• 0.5的情况 • 大于0.5的情况 • 小于0.5的情况
.23.
材料的弹性模量具 有组织不敏感性！
.24.
悬臂梁挠度与弹性模量
钢 铝
聚苯乙烯
.25.
（2）比例极限
• 定义：满足线性关 系的所能达到的最 大应力。
• tgθ’＝1.5tgθ
偏离50％
σp50
此时，σp50
如果偏离25％或10％， 记做
θ’
σp25,,σp10
• 也可以：P/A0
θ
• 意义：强调正比例 关系，是弹性零件 必须满足的性能指 标，如弹簧秤。
a.在工程应用中，拉伸性能是结构静强度设计的主要依据之一。 b.提供预测材料的其它力学性能的参量，如抗疲劳、断裂性能。 c.研究新材料，或合理使用现有材料和改善其力学性能时，都要测定材料的拉伸
性能。 注意：拉伸试验的应力状态、加载速率、温度、试样等都有严格规定（方法：
GB/T228-2002；试样：GB/T6397-1986）。
LK L0 100%
L0
.36.
极限延伸率
极限延伸率等于试样断裂后的总条件延伸率， K＝ ΔLK /L0×100％ 其中ΔLK ＝ ΔLE ＋ ΔLN 试验总结得出： ΔLE＝β×L0，其中β是常数 ΔLN＝γ ×A0，其中γ 是常数，A0是试样的原始 截面积 因此： K＝ ΔLK /L0×100％＝（ β×L0＋ γ ×A0） /L0×100％＝ β＋ γ×A0/L0
的能量（远大于前两者之和）
.41.
下面两种材料强度相近，谁的韧性大？
塑性材料 应 力
脆性材料 应 力
应变
玻璃、陶瓷 应变 .42.
弹性能
x 弹性能
.43.