1金属材料的力学性能

强度与塑性
一.常用术语 1.应力与应变 作用在机件上的外力——载荷 F F 静载荷 动载荷 F
F’
F = F’
外力 —— 内力——应力
F' F S S
（MPa）
σ= F’ /S
应力：物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。 同截面垂直的称为“正应力”或“法向应力”，同 截面相切的称为“剪应力”或“切应力”。
第一章 工程材料的性能
第一节 静载时材料的力学性能
材料的性能
使用性能—材料在使用过程中所表现的性能
力学性能
物理性能
化学性能
工艺性能—在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、 热加工和热处理的性能。 铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、 切削加工性能、热处理工艺性能 材料的力学性能
指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有强度、塑性、 硬度、冲击韧度和疲劳强度等。

N0— 循环基数
1
N0
钢： 有色金属：
N
影响疲劳强度的因素:内部缺陷、表面划痕、残留应力等
第三节 断裂韧度（断裂韧性）
有的大型转动零件、高压容器、桥梁等，常在其工件应力远低于
σS的情况下突然发生断裂——低应力脆性断裂。
1943年美国T-2油轮发生断裂 北 极 星 导 弹

产生这种现象的原因与机件内部存在着微裂纹和其它 缺陷以及它们的扩展。 材料中存在裂纹时，在裂纹尖端就会产生应力集中，从 而形成裂纹尖端应力场。

洛氏硬度压痕
3) 维氏硬度
维氏硬度试验原理
维氏硬度压痕
维氏硬度计

维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的 数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。 维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。 小 负 荷 维 氏 硬 度 计

显微维氏硬度计
第二节 动态时材料的力学性能 1．冲击韧度（冲击韧性） 材料抵抗冲击载荷而不破坏 的能力。

120HBS10/1000/30 表示直径为10mm的钢球在1000kgf 载荷作用下保持30s测得的布氏硬度 值为120。

布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材
料。

应用：适于测量退火、正火、调质钢, 硬度。 材料的b与HB之间的经验关系： 对于低碳钢: b(MPa)≈3.6HB
在弹性阶段：
所以：
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” 。
F l E
E
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。
4、硬度

定义：材料抵抗表面局部弹塑性变形的能力。
2F
1)布氏硬度HB
2. 塑性
材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。
常用 δ 和 ψ 作为衡量塑性的指标。
d0
l k l0 100 % l0 s0 s k 断面收缩率: 100 % s0
伸长率：
F
F
l0
L
dk
良好的塑性是金属材料进行 塑性加工的必要条件。
lk
3．刚度
材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力称为刚度。
（2）塑性变形:
材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形，称 为塑性变形。
F F F
拉伸试验
d0
F
F
l0
L 拉伸前
dk
lk
拉伸后
材料的拉伸曲线
1、oe段：直线、弹性变形
F
2、es段：曲线、弹性变形+塑性变形
3、s s’段：水平线（略有波动） 明显的塑性变形屈服现象，作用 的力基本不变，试样连续伸长。 4、s’b曲线：弹性变形+均匀塑性变形 5、b点出现缩颈现象，即试样局部 截面明显缩小试样承载能力降低， 拉伸力达到最大值，而后降低，但 变形量增大，K点时试样发生断裂。
AKU =mg（H1 – H2）（J）
a K = AKU/S
（J/cm2）
H1
H2
标准冲击试样有两种，一种是Ｕ形缺口试样，另一种是Ｖ
形缺口试样。它们的冲击韧度值分别以a KU和a KV。

Байду номын сангаас

材料的a K值愈大，韧性就愈好；材料的a K值愈小，材料 的脆性愈大 通常把a K值小的材料称为脆性材料 研究表明，材料的a K值随试验温度的降低而降低。
d0
F
l0
拉伸前
F 应变：物体形状尺寸所发生的 相对改变。 物体内部某处的线段在变形后 长度的改变值同线段原长之比 值称为“线应变”
dk
lk
拉伸后
l
l0

2.两种基本变形 （1）弹性变形： 材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来 形状，这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形。
F F F
0.2/S0
0.2%l0 （MPa）
l
屈服强度 — 是塑性材料选材和评定的依据。
（3）抗拉强度（σb ）
抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。 σb =Fb/S0 （MPa） 它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。 物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力 抗拉强度 — 是脆性材料选材的依据。 屈服强度与抗拉强度的比值σS / σb称为屈强比。 屈强比小，工程构件的可靠性高，说明即使外载荷或某些 意外因素使金属变形，也不至于立即断裂。但若屈强比过 小，则材料强度的有效利用率太低。
力学性能 失效形式
b 强度 s
塑性 刚度 硬度 韧性
断裂
塑性变形 过量弹变
磨损
疲劳强度
材料性能总结
决定材料性能实质：
构成材料原子的类型：材料的成分描述了组成材料的元素 种类以及各自占有的比例。 材料中原子的排列方式：原子的排列方式除了和元素自身 的性质有关以外，还和材料经历的生产加工过程有密切 的关系。
指材料在外力作用下，产生屈服现象时的最小应力。
σS =Fs/S0 （MPa） 它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。
当材料单位面积上所受的 应力 σe<σ<σs 时，只产生 微量的塑性变形。当σ>σs 时，材料将产生明显的塑 性变形。
F

s0.2
s e
b
F0.2
k
对于低塑性材料或脆性材料： 条件屈服强度: σ0.2=F
研究的意义：
1. 性能决定了材料的用途。 2. 性能决定了材料和零部件生产方法。
3. 性能的变化规律为改变材料性能达到人们需求提供途径。
加载速度越快，温度越低，表面及冶金质量越差， a K在值 越低。
建造中的Titanic 号
TITANIC
TITANIC的沉没
与船体材料的质量
直接有关
Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）
的冲击试验结果
Titanic 近代船用钢板
2．疲劳强度


工程上一些机件工作时受交变应力或循环应力作用，即使工作 应力低于材料的s ，但经过一定循环周次后仍会发生断裂，这 样的断裂现象称之为疲劳。 据统计，约80%的机件失效为疲劳破坏。 当零件所受的应力低于某一值时，即使循环周次无穷多也不发 生断裂，称此应力值为疲劳强度或疲劳极限
铸铁及有色金属的

对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB
对于铸铁： b(MPa)≈1HB或 b(MPa)≈ 0.6(HB-40)
2) 洛氏硬度

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。
洛氏硬度测试示意图 洛 氏 硬 度 计
断裂韧性：材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。


C为断裂应力，aC为临界裂纹半长

K IC Y C aC
KＩ＞＞ KIC，材料必发生裂纹失稳扩展而脆断。 KＩ＜ KIC，材料中裂纹不扩展或扩展缓慢。
KIC可通过试验来测定，它与材料成分、热处理及 加工工艺等有关
三、力学性能与失效形式的关系
h1-h0


符号HR前面的数字为硬度值， 后面为使用的标尺。 HRA用于测量高硬度材料, 如硬
钢球压头与 金刚石压头
质合金、表淬层和渗碳层。

HRB用于测量低硬度材料, 如有 色金属和退火、正火钢等。

HRC用于测量中等硬度材料，如 调质钢、淬火钢等。

洛氏硬度的优点：操作简便，压
痕小，适用范围广。 缺点：测量结果分散度大。

应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。
c (ac )1 / 2
K I Y a

裂纹扩展的基本形式
Y为与裂纹形状、加载 方式和试样几何尺寸 有关的无量纲系数

随应力的增大，KI不断增大，当KI增大到某一定值时，这 可使裂纹前沿的内应力大到足以使材料分离，从而导致裂 纹突然扩展，材料快速发生断裂。 这个应力强度因子的临界值，称为材料的断裂韧度，用 KIC表示。
HB 0.102
D( D D 2 d 2 )
布 氏 硬 度 计

压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度
值在450以下的材料。 压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在 650以下的材料。 布 氏 硬 度 压 痕

表示方法：硬度值+HBS(HBW)+D+F+t

Fs
Fb
b
s s’ e
k
Fe
o e — 弹性极限点 S — 屈服点 b — 极限载荷点 K — 断裂点