金属材料的性能

斜率。
3.3.2 应力-应变特性
胡克定律:
在材料的线弹性范围内，固体的单向拉伸变形与所 受的外力成正比。式中E为常数，称为弹性模量或杨氏模 量。
E含义的宏观理解
E是表征在弹性限度内物质材料抗拉或抗压的物理量，与 外力与物体的形状无关。仅取决于材料本身的物理性质。 杨氏模量的大小标志了材料的刚性，杨氏模量越大，越不 容易发生形变。
（5）弹性比功（Ww）
也称弹性应变能密度，它是指材料吸收变形功而不发 生永久变形的能力。
物理意义：材料在开始塑性变形前单位体积所吸收的 最大弹性变形功，是一个韧度指标。每单位体积的能量是： 在弹性区的应力应变曲线下的面积。（见下图）
3.3.5 弹性极限和弹性比功
Engineering Stress, σ =P/Ao
3.2.2几种主要的受力方式 3.2.2 .1简单拉伸
试样施加拉伸载荷产生伸长 率和正线性应变
虚线表示变形前的形状;实 线表示变形后
拉伸试验
工程应力 (MPa):
F ：施加垂直于试样的横截面的瞬时负载（N）; A：任意被施加负载前的原始横截面积（m）。
工程应变：
L0：任意被施加负载前的原始长度； Li ：瞬时长度，ΔL= Li—L0。
3.6.1 洛氏硬度
测定方法：
3.6.1 洛氏硬度
计算公式：
ut为压痕深度的残余增量； uK为常数，采用金刚石圆锥头时K=100,采用钢球压头 时，K=130。
3.6.1 洛氏硬度
根据实验材料硬度的不同，可分为三种不同标度来表示：
uHRA是采用60Kg载荷和圆锥角为120°的金刚石圆锥压 头求硬度，用于硬度较高的材料。例如：硬质合金。
问题举例
某黄铜样品的应力-应变 曲线如下图所示，如何确定以 下参数？（1）弹性模量； （2）屈服强度（应变为 0.002）；（3）如该样品为圆 柱形，起始直径为12.8mm， 计算所能承受的最大载荷。 （4）如该样品的起始长度为 250mm，受到345Mpa的拉伸 应力，其长度变化。
345 150
维氏硬度也有小负荷维氏硬度，试验负荷 1.961~<49.03N，它适用于较薄工件、工具表面或镀层的 硬度测定。
3.6.3 维氏硬度
计算公式：
P—负荷（Kgf） d—平均压痕对角线长度(mm)
维氏硬度值的标准格式为xHVy。例如185HV5中， 185是维氏硬度值，5指的是测量所用的负荷值。
3.7 摩擦与磨损
3.6.3 维氏硬度
维氏硬度和布 氏硬度类似，也是 用单位压痕面积上 承受的名义应力值 来计算硬度，但是 采用的压头不同， 测定维氏硬度时， 采用采用金刚石的 四方角锥体为压头， 四方椎体两相对面 间的夹角为136°。
3.6.3 维氏硬度
测试方法：
以49.03~980.7N的负荷,将相对面夹角为136°的方锥 形金刚石压入器压材料表面，保持规定时间后，用测量 压痕对角线长度，再按公式来计算硬度的大小。它适用 于较大工件和较深表面层的硬度测定。
Resilience, Ur
σy
y
X
U r sd
o
E
s y y
2
s
2 y
2E
εy Engineering Strain, ε = DL/Lo)
3.3.6 泊松比（Poisson’s ratio）
泊松比是指材料在单向受拉或受压时，横向正应 变与轴向正应变的绝对值的比值。
For many metals and other alloys, v is in 0.25 ~ 0.35.
uHRB 是采用100Kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球求硬 度，用于硬度较低的材料。例如：软钢、有色金属、退 火钢、 铸铁等。
uHRC 是采用150Kg载荷和圆锥角为120°的金刚石圆锥 压头求硬度，用于硬度很高的材料。例如：淬火钢等。
3.6.1 洛氏硬度
各符号代表的含义：
硬度值
50 HR C 洛氏硬度标
0.06
0.002 0.0016
3.5 塑性变形
材料在外力作用下产生应力和应变（即变形）。当应 力未超过材料的弹性极限时，产生的变形在外力去除后全 部消除，材料恢复原状，这种变形是可逆的弹性变形。当 应力超过材料的弹性极限，则产生的变形在外力去除后不 能全部恢复，而残留一部分变形，材料不能恢复到原来的 形状，这种残留的变形是不可逆的塑性变形。
剪切和扭转测试
剪切应力:
F是施加在平行于上下表面的载荷
剪切应变:
γ= tanθ
3.3 弹性变形
3.3.1 弹性变形的定义
金属材料在外力作用下发生尺寸或形状的变化，称 为变形，若外力除去后，变形随之消失．这种变形即为
弹性变形。
弹性变形是可逆的。每种材料都有一定的弹性变形 范围，它取决于应力的大小与状态，因而可以说弹性变 形具有普遍性。
标符号
3.6.1 洛氏硬度
适用范围：
u洛氏硬度压痕很小，测量值有局部性，须测 数点求平均值，适用成品和薄片。 u归于无损检测一类。
3.6.2 布氏硬度
这种方法是用压痕球形表面积来表征材料的硬度。 测试方法： 布氏硬度(HB)是以一定大小的试验载荷，将一定直 径的淬硬钢球或硬质合金球压入被测金属表面，保持规 定时间，然后卸荷，测量被测表面压痕直径。然后计算 其压痕球形表面积。最后利用载荷Байду номын сангаас以压痕球形表面积 得到布氏硬度值(HB)。 测试载荷与测试钢球的直径根据材料的实际性能确定。
材料受拉时的应力-应变曲线
3.6 硬度
材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬 度。一般可分为以下三种：
u洛氏硬度 u布氏硬度 u维氏硬度
3.6.1 洛氏硬度（HR）
这种方法是用压痕深度t来表征材料的硬度。一般 情况下，压头有两种类型：一类为圆锥角为120°的金 刚石圆锥体；一类为直径D=1.588mm的淬火钢球。
3.3.6 泊松比（Poisson’s ratio）
对于各向同性的材料, 弹性模量、剪切 模量和泊松比的关系如下：
对于大多数金属而言，G大约是0.4E,因此，如果一 个系数已知，其他的系数可以近似求解。
问题举例：
一根长为305mm的铜线在276Mpa 的拉力下被拉长，如果这个变形是完全 的弹性变形，试问由此产生的伸长率是 多少？
3.7.1 摩擦
两个相互接触的物体或物体与介质之间在外力作用下， 发生相对运动，或者具有相对运动的趋势时，在接触表面 上所产生的阻碍作用称为摩擦。
按照两接触面运动方式的不同，可以将摩擦分为滑动 摩擦和滚动摩擦。滑动摩擦指的是一个物体在另一个物体 上滑动时产生的摩擦；滚动摩擦指的是物体在力矩作用下， 沿接触表面滚动时的摩擦。
3.6.2 布氏硬度
3.6.2 布氏硬度
计算公式：
F—压痕表面积 P—试验载荷（kgf） D—表面压痕直径（mm） h— 压痕深度（mm）
3.6.2 布氏硬度
适用范围： u一般用于较软的材料。如有色金属、热处理 之前或退火后的钢球。 u当零件表面不允许有较大压痕，试样过薄以 及要求大量快速检测时，不适合使用布氏硬度。 u当材料的弹性变形较大时，不适合使用布氏 硬度。
determined using the 0.002 strain offset method.
3.5 塑性变形
金属的塑性变形是通过滑移来实现的，它是不可逆的。 站在原子的角度来理解塑性变形：原子之间产生了不 可恢复的相对滑移。在塑性过程中，原子之间的键被打断， 大量的原子或分子移动，形象地说，就是一些原子的“邻 居”改变了。弹性形变时，所有原子的“邻居”都不改变， 只是相对距离和方位有所改变而已。
3.7 摩擦与磨损
3.7.1 摩擦
表征摩擦性能的参数：摩擦系数。它是指摩擦力与施 加在摩擦面上的法向压力之比。
3.3.5 弹性极限和弹性比功
（1）比例极限
是指金属弹性变形时应变与应力严格成正比关系的上 限应力(sp)，即在拉伸应力-应变曲线上开始偏离直线时的 应力sp:
sp=Fp/S0
Fp为拉伸图上开始偏离直线时的载荷； S0为试件的原始截面积。
3.3.5 弹性极限和弹性比功
（2）条件比例极限
是指应力-应变曲线上偏离直线段一定距离的应力， 即产生一定塑性变形量时的应力值，它代表材料对产生极 微量塑性变形的抗力。
E的微观理解
E的大小是原子间结合力的度量 ; E的不同是存在于不同 金属类型中不同原子键的直接结果。
弹性模量的大小正比于在平衡原子间距位置的每条曲线 的斜率 。
强键原子与弱键原子的原子 间距与力的大小的关系曲线
例子：
对于大多数典型的金属模来说，它的弹性模量大致 是在45Mpa-407Mpa之间。
w 影响金属材料力学性能的因素以及提高力学性能的方 法和途径；
w 力学性能的测试方法。
3.2 应力和应变
3.2.1 应力-应变的概念
当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形 状和尺寸将发生变化，这种形变就称为应变（Strain）。 材料发生形变时其内部产生了大小相等但方向相反的反 作用力抵抗外力，把分布内力在一点的集度称为应力 （Stress）。
例子：
对于陶瓷材料来说，弹性模量要稍高一些，一般是 在70Mpa-500Mpa之间。
例子：
对于聚合物材料来说，它的弹性模量比金属和陶瓷 材料都要小，一般在0.007兆帕-4兆帕之间。
弹性模量E
除了橡胶材料，随着温度的升高，弹性模量E都随之 降低 。
3.3.3 剪切模量
在弹性阶段内，剪应力和剪应变互相成正比，G为剪 切模量，它的几何含义是应力应变曲线中线性部分的 斜率。它表征材料抵抗切应变的能力。剪切模量大， 则表示材料的刚性强 。
3.5 塑性变形
Figure: typical sressstrain behavior for a metal showing elastic and plastic deformations, the proportional limit P, and