第一章 材料的种类与力学性能

用s表示，有
s
Fs S0
式中：Fs——试样产生屈服现象时 的最小拉伸力。
对于低塑性材料或脆性材料，用r0.2表 示屈服点，称为条件屈服强度。
r 0.2
Fr 0.形量为0.2%时的拉
伸力。
屈服点是设计时的主要参数，是材料的重要力 学性能指标。
2、抗拉强度
- 指试样断裂前能够承受的最大拉应力，
同一材料的10<5，但二者不能直接比较大小。
2.断面收缩率
S0 S1
S0
式中： S0——试样的原始截面积 S1——试样断裂处的截面积
金属材料的伸长率和断面收缩率数值 越大，表示材料的塑性越好。
良好的塑性是材料能进行各种压力加工 的必要条件。此外。零件工作时，为了避免 由于超载引起突然断裂，也要求其具有一定 的塑性。
按国家标准，拉伸试样有长试样（l0=10d0） 和短试样（l0=5d0）两种。
* 低碳钢力-伸长曲线
① OE直线段——弹性变形阶段
弹性变形： 撤去外力，完全消失 的变形，弹性变形量 与外力大小成正比。
塑性变形： 撤去外力，不能消失 而保留下来的变形。
② PS 水平（或锯齿形折线）线段——屈服阶段
640HV300/20
* 维氏硬度优点
- 可测软、硬金属，特别是极薄零件和渗碳 层、渗氮层的硬度。
外力不再增加 而试样仍继续变形。 表明材料开始发生 塑性变形。
③SB曲线段——强化阶段
随着塑性变形增 大，材料的变形抗力 也逐渐增加。
④BK曲线段——缩颈和断裂阶段
试样的直径发 生局部收缩现象， 称为缩颈。
在K点，试样在 缩颈处断裂。
（一）弹性和刚度
OP是直线段，P点是保持这种关系的最高 点，σP称为比例极限。
用b表示，有
b
Fb S0
式中：Fb——试样断裂前能承受的最大拉 伸力。
它反映试样最大的均匀变形的抗力，也是设 计和选材的主要参数。
s、r0.2、b是一般机器零件和构件设计选 材的主要依据。
此外，工程上还希望金属具有适当的 屈强比（s/b）。屈强比越小，零件可靠 性越高，但材料强度的有效利用率越低。 因此，一般在性能允许的情况下，希望屈 强比高一些，在0.75左右比较合适。
(三) 塑 性
金属材料在外力作用下发生塑性变形 而不破坏的能力—塑性。
金属材料的塑性的指标：伸长率和断 面收缩率。
1.伸长率
l1 l0 100 %
l0
式中：
——试样的原始标距长度。 ——试样拉断后的标距长度。
伸长率的大小与试样尺寸有关。一般规 定，试样原始标距长度等于其直径的10倍， 用10表示；如果为5倍，则用5表示。
重点： -理解和掌握力学性能的各项指标及其物理意义。
难点： -力学性能的各项指标及其物理意义。
1.2 材料的力学性能
若载荷的大小不变或变动很缓慢，这样 的载荷称为静载荷。
金属在不同环境下，承受外加载荷作用时所 表现的行为叫金属材料的力学性能。
一、 静拉伸试验
* 弹性和刚度 * 塑性和强度
* 拉伸试样（GB6397-86）
150HBS10/1000/30
* 布氏硬度试验优点
-测定的数据准确、稳定、数据重 复性强。
- 常用于测定退火、正火、调质钢、 铸铁及有色金属的硬度。
* 缺点
-对不同材料需要更换压头和改变 载荷，且压痕较大，压痕直径的 测量也比较麻烦
- 易损坏成品的表面，故不宜在 成品上试验。
(二)洛氏硬度
加初载荷 加主载荷
- 不同标尺测得的硬度值彼此之间 没有联系，也不能直接进行比较。
（三）维氏硬度
洛氏硬度的测定原理和布氏硬度相似， 不同的是所加试验力较小，压头是锥面夹角 136°的金刚石正四棱锥体。
维氏硬度表示方法
在符号HV前方标出硬度值，在HV后面 按试验力大小和试验力保持时间（10~15s 不标出）的顺序用数字表示实验条件。
第 一 章 材料的种类与力学性能
教学内容： -金属材料的力学性能包括：强度、弹性与塑性；硬度、
冲击韧性、疲劳强度。 -金属材料的物理、化学和工艺性能。 -布氏、洛氏、维氏硬度硬度测定方法。
教学要求： -熟悉掌握表征材料力学性能的各项指标及其物理意义。 -了解布氏、洛氏、维氏硬度的各自特点及应用场合。
刚度表征材料弹性变抗力的大小。
（二）强度
金属材料抵抗塑性变形（永久变形）和断裂
的能力。
单位: MPa(MN/mm2)
分：抗拉强度σb、抗压σbc、抗弯σbb、 抗剪τb、抗扭τt。
抵抗塑性变形和断裂的能力越大， 强度越高。
1、屈服点（屈服强度）
- 指试样产生屈服现象时的最小应力， 表示材料抵抗微量塑性变形的能力。
F——试验力，N； S——压痕面积，mm2； D——压头直径，mm； d——压痕平均直径，mm。
布氏硬度表示方法
* 压头为淬火钢球时，用HBS表示，适合于 布氏硬度值小于450的材料。
* 压头为硬质合金球时，用HBW表示，适合于 布氏硬度值在450~650的材料。
* 在符号HBS或HBW之前为硬度值，后面数字 依次表示压头直径、试验力及试验力保持时间 （10~15s不标）等实验条件。
卸除主载荷
读硬度值
洛氏硬度无单位，须标明硬度标尺符 号，在符号前面写出硬度值，如 58HRC,76HRA。
* 洛氏硬度优点
- 操作迅速、简便，硬度值可从 表盘直接读出。
- 压痕较小，可在工件表面试验
- 可测量较薄工件的硬度，广泛 用于热处理质量的检验。 * 缺点
- 精确性较低，硬度值重复性差、 分散度大。
弹性极限-指试样产生完全弹性变形时所能承 受的最大拉应力。用e表示，有
e
Fe S0
式中： Fe——试样产生完全弹性变形时所 能承受的最大拉伸力，N。
S0——试样原始横截面积，mm2。
OP的斜率为试验材料的弹性模量，即
E
弹性模量E是衡量材料产生弹性变形难易的 指标。
E越大，则使其产生一定量弹性变形的应力 也越大。因此，工程上把它叫做刚度。
二、硬 度
硬度
- 指金属材料表面抵抗局部变形（特别 是塑性变形）的能力或抵抗表面局部压痕 或划痕的能力。
- 金属材料抵抗其他更硬物体压入表面 的能力。
常用的硬度试验有布氏硬度、洛 氏硬度和维氏硬度。
（一）布氏硬度
HBS(HBW) F
2F
0.102(kgf mm2 )
S D(D D2 d 2 )