第一章材料的种类与性能

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1.2.1材料的力学性能
1943年美国T-2油轮发生断裂
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1.2.1材料的力学性能
6.比强度 ( specific strength )
材料的强度值与密度值之比。
名称 密度
(g / cm3) 纯铝 纯铁 纯钛 2.7 7.87 4.5
强度
( Mpa ) 80～100 180～280 405～500
布氏硬度计
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1.2.1材料的力学性能
适于测量退火、正火、调质钢, 铸铁及有色金属的硬度。
材料的b与HB之间的经验关系：
对于低碳钢: b(MPa)≈3.6HB
对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB
对于铸铁： b(MPa)≈1HB或 b(MPa)≈ 0.6(HB-40)
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1.2 材料的性能
金属材料的力学性能
定义 : 金属材料的力学性能是指金属材料在不同环境 （温度、介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、 弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学 特征。 指标 : 弹性 、刚度、强度、塑性 、 硬度、冲击韧性 、 断裂韧度和疲劳强度等。
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1.2.1材料的力学性能
4. 冲击韧性( notch toughness )
定义：简称韧性，是材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。（材
料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力） 。指标为冲击韧性值，一般用
表示，单位为 J / m2 。
Ak GH Gh
Ak k S
k
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第一章 材料的性能
•工艺性能 工艺性能是金属材料物理、化学性能和力学 性能在加工过程中的综合反映，是指是否易于进 行冷、热加工的性能。按工艺方法的不同，可分 为铸造性、可锻性、焊接性、热处理性和切削加 工性等。
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第一章 材料的性能
作业
１．熟悉拉伸曲线 ２．掌握强度、硬度及塑性指标，了解这些指标 在工程上的应用
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1.2.1材料的力学性能
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。
根据载荷范围不同，规定了三种测定方法—维氏硬度试验 、小负荷维氏
硬度试验、显微维氏硬度试验。
维氏硬度保留了布氏硬度和
洛氏硬度的优点。
显微维氏硬度计
小 负 荷 维 氏 硬 度 计
第一章 材料的种类与性能
一、材料的分类（按组成）
•定义
1 材料科学与工程学院 挑战者号爆炸瞬间
第一章 材料的种类与性能
使用性能 力学性能 物理性能 化学性能
铸造性能 可锻性能
神 舟 一 号 飞 船
工程材料的性能
工艺性能
可焊性能 切削加工性能 热处理性工艺性
使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。 工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。
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应力 = P/F0 应变 = (l-l0)/l0
拉 伸 试 验 机
低碳钢的应力-应变曲线
拉伸试样
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1.2.1材料的力学性能
（2）屈服强度（屈服极限） 定义：材料在外力作用下 开始发生塑性变形的最低应力值， 用 表示，单位为 MPa，表达式 s Fs 为：
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1.2 材料的性能
材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。 外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。 外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。
五万吨水压机
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1.2.1材料的力学性能
静载时材料的力学性能 1. 强度
定义：外力作用下，材料抵抗变形和 断裂的能力。 （1）弹性极限和弹性模量 弹性极限——弹性变形阶段所对应 的最大应力，用 e ，单位为MPa； 弹性模量——材料在弹性变形范围 内的应力与应变的比值称为弹性模量， 以E表示，单位为GPa，表达式为：
s
由于有很多材料的拉伸曲线 上没有明显的屈服点，无法确定 屈服极限，因此规定试样产生0.2 ％塑性变形时的应力值为该材料 的屈服极限，称为条件屈服极限， 以 表示，如图 1.2所示。 0.2
S0
0.2
F0.2 S0
条件屈服极限
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1.2.1材料的力学性能
（3）抗拉强度 定义：试样拉断前最大载荷所决 定的应力值，即试样所能承受的 最大载荷除以原始截面积，以 b 表示，单位为MPa，表达式为： F b b S0 它是零件设计和选材的主要 依据之一 ，也是评定金属强度的 重要指标之一。
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1.2.1材料的力学性能
练习题二
某工厂买回一批材料（要求：б s≥230MPa；б b≥410MPa；δ 5≥23%；
ψ ≥50%）．做短试样（ｌ0=5ｄ0；ｄ0=10mm）拉伸试验，结果如下： Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;问买回的材料合格吗？ 解： 根据试验结果计算如下：
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1.2.1材料的力学性能
（2）洛氏硬度HR ( Rockwll hardness ) 原理：在先后两次施加载荷(初载荷及总 载荷F)的条件下，将标准压头(顶角为120° 的金刚石圆锥或直径为1.588mm(1/16英寸) 的钢球)压入试样表面，然后根据压痕的深 度来确定试样的硬度。其中 和压头类型有关的常数。
钢球压头与 金刚石压头
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。 洛氏硬度的测定操作迅速、简便，压痕面积小，适用 于成品检验，硬度范围广，但由于接触面积小，当硬度不 均匀时，数值波动较大，需多打几个点取平均值。 注意：不同方法、级别测定的硬度值无可比性，只有 查表转换成同一级别后，才能比较硬度值的高低。 洛氏硬度压痕
E
退火低碳钢的拉伸曲线（a） 和应力-应变曲线（b）
刚度：将材料抵抗弹性变形的能力。 弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随 温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段 零件的刚度主要决定于E，也与形状、 如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的 截面等有关。 影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面 形状来提高零件的刚度。
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9Fra Baidu bibliotek
1.2.1材料的力学性能
• 思考:同一材料δ5 ＞ δ10？
δ < 2 ~ 5% 属脆性材科 δ ≈ 5 ~ 10% 属韧性材料 δ > 10% 属塑性材料
塑性指标不直接用于计算，但任何零件都需要一定塑性。 防止过载断裂；塑性变形可以缓解应力集中、削减应力峰值。
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洛 氏 硬 度 计
h h1 h0 ，Ｋ
( K h) HR 0.002
洛氏硬 度测试 原理图
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1.2.1材料的力学性能
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。HRA、HRB、HRC，最常用的是HRC。它们 的数值直接可以从硬度试验机仪表盘上的指示针读出。 HRA用于测量高硬度材料, 如硬质合金、表淬层和渗碳层。
冲击试验机
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建造中的Titanic 号
TITANIC
TITANIC的沉没 与船体材料的质量 直接有关
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第一章 材料的性能
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
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1.2.1材料的力学性能
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1.2.1材料的力学性能
（3）维氏硬度HV ( diamond penetrator hardness )
维氏硬度：施加载荷与压痕表面积的比值。
适用范围: 测量薄板类 ; HV≈HBS ;
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维氏硬度
维氏硬度试验原理
维氏硬度压痕
维氏硬度计
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1.2.1材料的力学性能
练习题一 拉力试样的原标距长度为50mm，直径为10mm，经拉力试验后，将已断 裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为71mm，颈缩区的最小直径为
4.9mm，试求该材料的伸长率和断面收缩率的值？
解： δ５=[（71-50）/50]x100%=42% S0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2) S1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2) Ψ=[(S0-S1)/S0]x100%=24%
5.疲劳强度( fatigue strength )
定义： 表示材料经无数次交变载荷作用而不 致引起断裂的最大应力值。 钢材的循环次数一般取 N = 107 有色金属的循环次数一般取 N = 108 钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关 系: σ-1 = (0.45～0.55)σ b
图1.8 疲劳曲线
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比强度
30～37 23～36 90～111
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第一章 材料的性能
金属材料的物理、化学及工艺性能
•物理性能 金属材料的物理性能主要有密度、熔点、热膨胀性、 导热性、导电性和磁性等。 由于机器零件的用途不同，对其物理性能的要求也有所 不同。
• 化学性能 金属材料的化学性能主要是指在常温或高温时，抵抗 各种介质侵蚀的能力，如耐酸性、耐碱性、抗氧化性等
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
电子拉伸试验机
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1.2.1材料的力学性能
2. 塑性
定义：断裂前材料发生塑性变形的能力叫塑性 ，塑性以材料断 裂后塑性变形的大小来表示。拉伸时用延伸率或伸长率(δ)和断 面收缩率( )表示，两者均无单位量纲。 (1)伸长率(δ)表示试样拉伸断裂后的相对伸长量：
(a)试样放置 (b)冲击试验机 摆锤冲击实验示意图
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第一章 材料的性能
实际上，在冲击载荷下 工作的机械零件，很少是受 大能量一次冲击而破坏的， 往往是经受小能量的多次冲 击，因冲击损伤的积累引起 裂纹扩展而造成断裂，故用 αk值来反映冲击韧性有一定 的局限性。研究结果表明， 金属材料承受小能量多次重 复冲击的能力取决于材料强 度和塑性的综合性能指标。
б s＝Fs／s０＝(19x1000)/(3.14x52 )=242
＞230MPa
б b ＝Fb／ s０＝(34.5x1000)/(3.14x52 )=439.5 ＞410MPa δ 5 ＝ [Δ l ／l 0]x100% ＝[(63.1-50)/50]x100%=26.2% ＞23% ψ ＝ [Δ S ／S 0]x100% ＝60.31% ＞50% 材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格。
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1.2.1材料的力学性能
3. 硬度
• 定义：硬度是衡量材料软硬程度的指标，表征材料 抵抗比它更硬的物体压入或刻划的能力。 材料抵抗表面局部塑性变形的能力。 • 常用的硬度有布氏、洛氏、维氏（显微硬度）等。 （１）布氏硬度HB( Brinell-hardness ) 用一定的载荷F，将直径为D的淬火钢球或硬质合 金球压入被测材料的表面，保持一定时间后卸除载荷， 载荷与压痕表面积S的比值，作为布氏硬度值，用HB表 示，即
l1 l0 100% l0 l0 —拉伸试样原始标距长度； l1 —拉伸试样拉断后的标距长度。 (2)断面收缩率( )表示试样断裂后截面的相对收缩量： S S 0 1 100% S0

S 0 —拉伸试样原始截面面积； S1 —拉伸试样拉断处的截面积。
注意：工程上延伸率和选取试样的关系
HB 0.102
布氏硬度的单位为
2P
D( D D 2 d 2 )
。
布氏硬度测试原理图
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N / mm2
1.2.1材料的力学性能
布氏硬度的特点
优点：压痕面积大，不受微小不均匀硬 度的影响，试验数据稳定，重复性好。 缺点；不适用于成品零件和额薄壁件的 硬度检验。 硬度的表示方法 压头为淬火钢球时用HBS，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HBW，适用于布氏硬度在650以下的材料。 硬度值写在符号HBS或HBW之前，符号之后按 下列顺序用数值表示试验条件：球体直径 (mm)；试验力(N)；力保持时间(s)。如 120HBS 10/1000/30，表示直径为10mm的钢 球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持 30s测得的布氏硬度值为120。