中职金工实训第一章金属材料的力学性能剖析

【教学组织】

1．提问5分钟

2．讲解75分钟

3．小结5分钟

4．布置作业5分钟

【教学内容】

第一章

教案二

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为保证机械零件或工具正常工作应具备的性能，即在使用过程中所表现出的特性。

使用性能包括力学性能（或机械性能）、物理性能和化学性能等。

●工艺性能是指金属材料在制造机械零件或工具的过程中，适应各种冷、热加工的性能，也就是金属材料采用某种成形加工方法制成成品的难易程度。

工艺性能包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、热处理性能及切削加工性能等。

第一节

一、力学性能的概念

金属材料的强度与塑性

●金属材料的力学性能是指金属材料在力作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力—应变关系的性能，又称机械性能，主要包括强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等。

●物体受外力作用后导致物体内部之间相互作用的力称为内力。

●单位面积上的内力称为应力σ(N/mm或M pa）。

●应变?是指由外力所引起的物体原始尺寸或形状的相对变化(%)。

二、拉伸试验过程分析

●拉伸试验是指用静（缓慢）拉伸力对试样进行轴向拉伸，通过测量拉伸力和伸长量，测定试样强度、塑性等力学性能的试验。

圆柱形拉伸试样分为短圆柱形试样和长圆柱形试样两种。

长圆柱形拉伸试样L 0

=10d0；短圆柱形拉伸试样L0=5d0。

●在进行拉伸试验时，拉伸力F和试样伸长量△L之间的关系曲线，称为力-伸长曲线。

2

a）拉伸前b）拉断后

图1-1圆柱形拉伸试样图1-2退火低碳钢的力—伸长曲线完整的拉伸试验和力一伸长曲线包括弹性变形阶段、屈服阶段、变形强化阶段、颈缩与断裂四个阶段。

三、强度

●强度是金属材料抵抗永久变形和断裂的能力。

金属材料的强度指标主要有屈服强度（或规定残余伸长强度）、抗拉强度等。

1.屈服强度和规定残余伸长应力

●屈服强度是指拉伸试样在拉伸试验过程中拉力（或载荷）不增加(保持恒定)仍然能继续伸长(变形)时的应力。

屈服强度分为上屈服强度（R e

）和下屈服强度（R eL）。一般情况下，屈服强度指下屈

H

服强度（R eL）。屈服强度是大多数机械零件选材和设计的依据。

R eL=F s/S o

●规定残余伸长应力是指拉伸试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长与原始标距

表示规定残余伸长率为0.2%时的比值达到规定的百分比时的应力，用符号R r表示，如R r0.

2

应力。

2．抗拉强度。

●抗拉强度是指拉伸试样拉断前承受的最大标称拉应力，用符号R m表示。

R m=F b/S o

R m是表征金属材料由均匀塑性变形向局部集中塑性变形过渡的临界值，也是表征金属材料在静拉伸条件下的最大承载能力。

四、塑性

●塑性是金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。

金属材料的塑性可以用断后伸长率和断面收缩率评价。

1．断后伸长率

●拉伸试样拉断后的标距伸长与原始标距的百分比称为断后伸长率，用符号A或A11.3表示。

A或A11.3=(L U-L0)/L0×100%

使用短拉伸试样测定的断后伸长率用符号A表示；使用长拉伸试样测定的断后伸长率用符号A11.3表示。

2．断面收缩率

●断面收缩率是指拉伸试样拉断后颈缩处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。断面收缩率用符号Z表示。

Z=(S0-S U)/S0×100%

塑性好的金属材料容易进行锻压、轧制等成形加工，所以，大多数机械零件除要求具有较高的强度外，还须有一定的塑性。

GB/T228-2002新标准GB/T228-1987旧标准

名词符号名词符号

断面收缩率Z断面收缩率

断后伸长率A和A

11.3

断后伸长率δ和δ10

屈服强度-屈服点σ

s

上屈服强度R

eH 上屈服点σ

sU

下屈服强度R

eL 下屈服点σ

sL

规定残余伸长强度R r，如R

r0.2规定残余伸长应力σr，如σ

r0.2

抗拉强度R

m

抗拉强度σ

b 第二节金属材料的硬度

●硬度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。硬度又

是一项综合力学性能指标，从金属表面的局部压痕可以反映出金属材料的强度

和塑性。在零件图上经常标注出各种硬度指标作为技术要求。金属材料的硬度值愈高，其耐磨性亦愈高。

硬度测定方法有压入法、划痕法、回弹高度法等，其中压入法的应用最为普遍。在压入法中，常用的硬度测试方法有布氏硬度(HBW)、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC等)和

维氏硬度(HV)三种。

一、布氏硬度(HBW)

●布氏硬度的试验原理是用一定直径的硬质合金球，以匹配的试验力压入试样表面，经规定的保持时间后，卸除试验力，测量试样表面的压痕直径d，然后根据压痕直径d计算

其硬度值的方法，用符号HBW表示。

布氏硬度试验范围上限为650HBW。

150 HBW10/1000/30表示用直径D为10mm的硬质合金球，在1000kgf(9.807kN)试验力作用下，试验力保持30s时测得的布氏硬度值是150；

500HBW5/750表示用直径D为5mm的硬质合金球，在750kgf(7.355kN)试验力作用下，试验力保持10～15s时测得的布氏硬度值是500。

图1-3布氏硬度计和试验原理示意图

布氏硬度试验的特点是试验时金属材料表面压痕大，能在较大范围内反映被测金属材料的平均硬度，测得的硬度值比较准确，数据稳定。但由于压痕较大，对金属表面的损伤较大，不宜测定太小或太薄的试样。布氏硬度试验主要用于测定原材料的硬度，如铸铁、非铁金属、经退火处理或正火处理的金属材料及其半成品。

二、洛氏硬度（HR）

●洛氏硬度试验原理是以锥角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.5875mm的淬火钢球，压入试样表面，试验时，先加初试验力，然后加主试验力，压入试样表面之后，去除主试验力，在保留初试验力的情况下，根据试样残余压痕深度增量来衡量试样的硬度大小。

图1-4洛氏硬度计和试验原理示意图

洛氏硬度按选用的总试验力及压头类型的不同，常用A、B、C三种标尺。

表1-2洛氏硬度测试规范

标尺压头初试验力主试验力适用测试材料有效值HRA120°金刚石圆锥体10kg50kg硬质合金、表面淬火钢20～88 HRB直径1.5875mm淬火钢球10kg90kg退火钢、非铁金属20～100 HRC120°金刚石圆锥体10kg140kg一般淬火钢件20～70 50HRC表示用“C”标尺测定的洛氏硬度值为50。

洛氏硬度试验的特点是：硬度试验压痕小，对试样表面损伤小，常用来直接检验成品或半成品零件的硬度，尤其是经过淬火处理的零件，常采用洛氏硬度计进行测试；另外，试验操作简便，可直接从试验机上读取硬度值。但是，由于压痕小，硬度值的准确性不如布氏硬度高，数据重复性差。在测试时要选取不同位置的三点测出硬度值，将三点硬度的平均值作为被测金属材料的洛氏硬度值。

三、维氏硬度（HV）

维氏硬度用符号HV表示，维氏硬度测定原理与布氏硬度相似。

640HV30表示用30kgf(294.2N)试验力，试验力保持10～15s时测定的维氏硬度值是640；

640HV30/20表示用30kgf(294.2N)试验力，试验力保持20s时测定的维氏硬度值是640。

维氏硬度适用范围宽，从很软的材料到很硬的材料都可以测量，尤其适用于零件表面

层硬度的测试，如化学热处理的渗层硬度测量，其测量结果精确可靠。但测取维氏硬度值时，需要测量对角线长度，然后查表或计算，而且进行维氏硬度测试时，对试样表面的质量要求高，测量效率较低，因此，维氏硬度没有洛氏硬度使用方便。

第三节金属材料的韧性

●韧性是金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。

金属材料的韧性大小通常采用吸收能量K（单位是焦尔）指标来衡量，而测定金属材料的吸收能量，通常采用夏比摆锤冲击试验方法来测定。

一、夏比摆锤冲击试样

夏比摆锤冲击试样有V型缺口试样和U型缺口试样两种。

在试样上开缺口的目的是：在缺口附近造成应力集中，使塑性变形局限在缺口附近，

并保证在缺口处发生破断，以便正确测定金属材料承受冲击载荷的能力。

同一种金属材料的试样缺口愈深、愈尖锐，吸收能量愈小，金属材料表现脆性愈显著。

二、夏比摆锤冲击试验方法

夏比摆锤冲击试验方法是在摆锤式冲击试验机上进行的。

KV2或KU2表示用刀刃半径是2mm的摆锤测定的吸收能量；KV8或KU8表示用刀刃半径是8mm 的摆锤测定的吸收能量。

吸收能量大，表示金属材料抵抗冲击试验力而不破坏的能力愈强。

吸收能量对组织缺陷非常敏感，它可灵敏地反映出金属材料的质量、宏观缺口和显微组织的差异，能有效地检验金属材料在冶炼、成形加工、热处理工艺等方面的质量。

三、温度对吸收能量的影响

吸收能量对温度非常敏感，随着试验温度的降低，吸收能量总的变化趋势是随着温度的降低而降低。

●当温度降至某一数值时，吸收能量急剧下降，金属材料由韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为冷脆转变。

●金属材料在一系列不同温度的冲击试验中，吸收能量急剧变化或断口韧性急剧转变的温度区域，称为韧脆转变温度。

图1-8吸收能量—温度曲线

韧脆转变温度是衡量金属材料冷脆倾向的指标。金属材料的韧脆转变温度愈低，说明金属材料的低温抗冲击性愈好。

在选择金属材料时，应考虑其服役条件的最低温度必须高于金属材料的韧脆转变温度。

第四节金属材料的疲劳强度

一、疲劳现象

●循环应力和循环应变是指应力或应变的大小、方向，都随时间发生周期性变化的一类应力和应变。

●机械零件在循环载荷（或循环应力、循环应变）作用下，而且工作时所承受的应力值通常低于制作金属材料的屈服强度或规定残余伸长应力，经过一定工作时间后发生突然断裂，这种现象称为金属材料的疲劳。

疲劳断裂不产生明显的塑性变形，断裂是突然发生的，因此，疲劳断裂具有很大的危险性，常造成严重事故。

研究表明：疲劳断裂首先是在零件的应力集中区域产生，先形成微小的裂纹核心（裂纹源）。随后在循环应力作用下，裂纹继续扩展和长大。由于疲劳裂纹不断扩展，使零件的

有效工作面逐渐减小，造成零件实际承载区的应力不断增加，当应力超过金属材料的断裂 强度时，则发生疲劳断裂，形成最后断裂区。

二、疲劳强度

●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值称为金属 材料的疲劳强度。即循环次数值N 无穷大时所对应的最大应力值，称为疲劳强度。

在工程实践中，一般是求疲劳极限，即对应于指定的循环基数下的中值疲劳强度。 对

于钢铁材料其循环基数N=10 ，对于非铁金属其循环基数N=10 。对于对称循环应力，

其疲劳强度用σ-1表示。

图1-10

对称循环应力

图1-11

疲劳断口示意图

影响疲劳强度的因素很多，除设计时在结构上注意减轻零件应力集中外，改善零件表 面粗糙度，可减少缺口效应，从而提高零件的疲劳强度。例如，采用高频淬火、表面形变 强化(喷丸、滚压、内孔挤压等)、化学热处理(渗碳、渗氮、碳-氮共渗)以及各种表面复合 强化工艺等都可改变零件表层的残余应力状态，从而使零件的疲劳强度提高。

【教学重点与难点】

1．重点：金属材料的强度与塑性、硬度 2．难点：韧性、疲劳现象和疲劳强度

【教学方法与教学手段】

1．利用试样、挂图等教具。 2．利用多媒体资料进行短时演示。

【小结与布置作业】

1．小结

本章主要介绍金属材料的力学性能指标的分类、含义、使用范围等内容。在学习之后， 要注意以下几个方面：第一，要准确理解有关名词的定义和范围；第二，要学会利用掌握 的知识对日常生活中的现象进行分析和思考，试一试能否用学到的理论知识对遇到的实际 问题或现象进行科学地解释。例如，零件的疲劳断裂，在日常生活和工作中将会经常地遇 到，如果我们能够细心地观察和分析日常生活和工作中的疲劳现象，做到理论联系实际， 就一定会加强对疲劳现象的认识和理解；第三，为了巩固所学的知识，要学会对所学的知 识进行分类、归纳和整理，提高学习效率。

2．布置作业

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一边复习本章的相关知识，一边完成《金属加工与实训习题集》中相关习题，并相互相互交流探讨。