机械材料的力学性能
材料力学性能与应用总结
材料力学性能与应用总结材料力学性能是材料在各种外力作用下所表现出的行为和特性，它对于工程设计、材料选择以及产品质量控制等方面都具有极其重要的意义。
不同的材料具有不同的力学性能，这些性能决定了它们在特定应用中的适用性和可靠性。
首先，让我们来了解一下材料的强度性能。
强度是材料抵抗外力而不发生破坏的能力。
常见的强度指标包括屈服强度、抗拉强度和抗压强度。
屈服强度是指材料开始产生明显塑性变形时的应力值。
比如说，在建筑结构中使用的钢材，其屈服强度就是一个关键的参数。
如果钢材的屈服强度不够高，那么在承受较大荷载时，结构就可能发生变形甚至坍塌。
抗拉强度则是材料在拉伸过程中能够承受的最大应力，像制造绳索和钢丝的材料，就需要有较高的抗拉强度，以确保在承受拉力时不会断裂。
抗压强度则对于承受压力的结构部件，如柱子和桥墩等，具有重要的参考价值。
接下来是材料的塑性性能。
塑性是材料在断裂前产生永久变形的能力。
通常用伸长率和断面收缩率来衡量。
具有良好塑性的材料，如铜和铝，在加工过程中可以通过塑性变形来制成各种形状复杂的零件。
而且，在一些需要吸收能量的场合，如汽车的防撞部件，塑性好的材料能够通过变形来吸收碰撞能量，从而减轻对人员的伤害。
材料的硬度也是一项重要的力学性能指标。
硬度反映了材料抵抗局部变形，特别是表面压痕和划痕的能力。
硬度测试方法多种多样，如布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。
在机械加工中，硬度对于刀具的选择以及加工工艺的制定起着关键作用。
例如，加工硬度较高的材料时，需要使用更耐磨的刀具，并采用较慢的切削速度。
材料的韧性则表示材料在断裂前吸收能量的能力。
韧性好的材料，如一些高强度合金钢，能够在承受冲击和振动载荷时不发生脆性断裂。
这在航空航天、机械制造等领域尤为重要，因为这些领域的零部件往往需要在复杂和恶劣的工作环境下运行。
再说说材料的疲劳性能。
疲劳是指材料在循环载荷作用下，经过一定次数的循环后发生断裂的现象。
许多机械零件，如齿轮、轴等，在工作过程中都承受着循环载荷。
材料的力学性能有哪些
材料的力学性能有哪些
1材料力学性能
材料力学性能是指材料受外力作用时产生的结构变形以及产生的变形所抵抗的力之间的相互关系。
材料力学性能决定着物体能够承受多大载荷，从而保证物体的安全和稳定性，也是应用工程材料的重要考量标准。
材料力学性能的分类：
1.1弹性性能
弹性性能是指材料受外力作用时能够承受的恢复力的大小，是衡量材料的强度的重要指标。
包括屈服强度、抗拉强度、抗压强度和断裂强度等级。
若外力作用则材料发生变形，材料结构恢复后变形越小，弹性性能越好。
1.2理论性能
理论性能是指材料在不受外力作用时产生的固有属性，一般包括形状、尺寸、密度、抗剪强度、压缩性能等。
这些性能判断材料的加工性能。
1.3定向性能
定向性能是指材料在特定方向受外力作用时，所产生的变形程度以及抵抗力的大小，一般包括抗断裂性能、抗拉伸性能、抗压缩性能以及特殊材料（如硅胶、聚氨酯）的韧性，用来测试其在特定应用场合时的表现。
1.4加工性能
加工性能是指材料加工时机械性能指标，一般包括热处理性能、热变形性能、焊接性能以及表面质量等。
1.5材料寿命性能
材料寿命性能是指材料受到温度、湿度、外力等作用时的抗老化性能，是材料用途的重要考量标准，一般包括热稳定性、导热性能、环境老化性能、化学稳定性等。
以上就是材料的力学性能的分类及指标，它们的测试可以反映出一种材料的强度、稳定性、耐久性及环境效应等状况。
选择合适的材料并使之满足应用要求，需要对材料力学性能做出合理评估。
03-材料的力学性能
其它塑性材料拉伸时的力学性能
σ /MPa
900 700 500 300 100 0 10 20 30 40 50 60
σ 锰钢
b a σ 0.2
镍钢
青铜 ε（%） 0.2 ε （%）
断裂破坏前产生很大塑性变形； 没有明显的屈服阶段。
名义屈服 极限σ 0.2
脆性材料拉伸时的力学性能
σ /MPa
500 400 300 200 100 0 0.2 0.6 1.0 1.4
ε（%）
铸铁压缩时的σ ~ ε 曲线
反映材料力学性能的主要指标
强度性能 反映材料抵抗破坏的能力，塑性材料： σs 和 σb ，脆性材料：σb ； 弹性性能 反映材料抵抗弹性变形的能力：E； 塑性性能 反映材料具有的塑性变形能力： δ和ψ 。
塑性材料在断裂时有明显的塑性变形；而脆性材料 在断裂时变形很小。 塑性材料在拉伸和压缩时的弹性极限、屈服极限和 弹性模量都相同，它的抗拉和抗压强度相同。而脆性 材料的抗压强度远高于抗拉强度。
b a
拉伸试验结果分析(低碳钢)
虎克定律： 虎克定律：当σ ≤ σp （ σe ） 时，应力与应变成直 线关系，即
σ = Eε σ E = = tgϑ ε
E称为材料的弹性模量， 单位：N/m2, Pa, MPa
拉伸试验结果分析(低碳钢)
E的物理意义 的物理意义 P ∆l σ= ε= 将 A0 l0 代入
现象：试件某个部位突然变细，出现局部收缩——颈缩。 现象
特点： 特点 a、df曲线开始下降，产生变形所需拉力P逐渐减小； b、实际应力继续增大，但σ 为名义应力，A变小没 有考虑，所以d点后σ ~ ε曲线向下弯曲； c、到达f点时，试件断裂。
拉伸试验结果分析(低碳钢)
《机械制造基础》金属材料的力学性能
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力保持 一定时
间
布氏硬 度测试
测试硬度 低的材料
HB (HSB) W 2F
D(D D2d2)
实际上，根据材料表面 压痕直径d后直接查布氏 硬度表得出硬度值。不 需要按照上面公式计算
HBS压球为钢球时布氏硬度符号
HBW压球为硬质合金布氏硬度符号
D 压头直径(mm) F 试验时的压力(kgf) d 压痕平均直径(mm)
试样拉 断后标
距
试样拉断后 缩頚处最小 横截面积
13
14
低碳钢的拉伸曲线图 屈服极限点
强度极限
断裂点
弹性极限点
15
脆性材料 （铸铁）
只有一个强度指标 b
16
金属材料以上各种强度在机械设计中具有重要的意义。
设计弹簧和弹性零件时：
许
e
Fe S0
采用韧性材料制造机械零件时：
许 s
Fs S0
采用脆性材料制造机械零件时：
23
HRC60：用c标尺测定的洛氏硬度值为60 HR：表示洛氏硬度 C：表示所用的标尺 60：表示硬度值
注意
1:硬度试验是一种非破坏性试验，可以直接在零件上测定硬度。 2:一般零件图上标注所要求的硬度值最为零件性能的技术要求。 3:金属材料的硬度与其它性能指标之间有一定关系。如硬度与抗 拉强度的经验公式 ：低碳钢 b 0.36HB合S金调质钢 b 0.33HBS 高碳钢 b 0.34HBS
5
三 制造业创造了人类
人类的进化从猿到人没有争议。人与猿分离是由 于人学会了双足行走和用手制造和使用工具。
原始的制造工具和使用工具始于木棍、石器等。 随着狩猎和采集技术的改进，工具日趋精细，种 类多样，出现了有组织的石料开采和加工,形成 了原始的制造业。
工程材料力学性能
TEM微观形貌（疲劳辉纹）， 显示疲劳断口光亮区裂纹缓 慢扩展过程
疲劳断裂实例
硬度
硬度——衡量材料软硬程度的性能指标，分压入法和刻划法两类 压入法硬度表征材料弹性、微量塑性变形抗力及形变强化能力等，常用的有布氏 硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）和维氏硬度（HV）。 数值
HB P 0.204P F D ( D D 2 d 2 )
e de dl l ln ln(1 ) l0 l l0
l
S Ke n
其中，S为真应力，e为真应变，K为常数，n——形变强 化指数。 一些金属材料的形变强化指数 材料 n Al ~0.15 -Fe ~ 0.2 Cu ~ 0.30 18-8不锈钢 ~ 0.45
金属压力加工
硬度测试的优点：
制样简单，设备便宜；
基本上是非破坏性； 可大致预测其它一些力学性能。
冲击韧性
冲击韧性——表征材料抵抗冲击载荷的能力。 指标：冲击韧性（冲击值）KU（ KV ）
mg (h h) KU ( KV ) J/cm2 A • 冲击试验标准试样： • U型缺口（梅氏试样） • V型缺口（夏氏试样）
670℃加热（完全再结晶）
750℃加热（晶粒长大）
屈服强度——条件屈服强度
屈服强度s——材料开始产生塑性变形时的应力
条件屈服强度s：
产生0.2%残余变形
时的应力值
屈服强度
s
低碳钢的拉伸应力-应变曲线 以下屈服点的屈服应力为屈服强度
抗拉强度、断裂强度
抗拉强度（强度极限，UTS）
b——试样断裂前承受的最
c s cos cos
c称为晶体的临界分切应力，其数值取决于材料的本性、温
机械工程材料练习题参考答案
机械工程材料练习题参考答案第一章工程材料的力学性能2.有一钢试样，其直径为10mm，标距长度为50mm，当拉伸力达到18840N时试样产生屈服现象；拉伸力加至36110N时，试样产生颈缩现象，然后被拉断；拉断后标距长度为73mm，断裂处直径为6.7mm，求试样的屈服强度、抗拉强度、伸长率和断面收缩率。
解:由题中条件及计算公式得σs =Fs/So=18840/（*102/4）=240(N/mm2)σb=Fb/So=36110/（*102/4）=460(N/mm2)δ=(L1-L0)/L0×100%=(73-50)/50=46%ψ=(S0-S1)/S0×100%={*102/4)- *4)}/（*102/4）=/100=%答:试样的Re=240(N/mm2)、Rm=460(N/mm2)、δ=46%、ψ=%。
4．有一碳钢制支架刚性不足，有人要用热处理强化方法；有人要另选合金钢；有人要改变零件的截面形状来解决。
哪种方法合理？为什么？（参见教材第6页）第二章工程材料的基本知识第一部分金属的晶体结构与纯金属的结晶1.常见的金属晶体结构有哪几种？α-Fe 、γ- Fe 、Al 、Cu 、Ni 、 Pb 、 Cr 、 V 、Mg、Zn 各属何种晶体结构，分别指出其配位数、致密度、晶胞原子数、晶胞原子半径。
（参见第二章第一节）2.配位数和致密度可以用来说明哪些问题？答：用来说明晶体中原子排列的紧密程度。
晶体中配位数和致密度越大，则晶体中原子排列越紧密。
3.晶面指数和晶向指数有什么不同？答：晶向是指晶格中各种原子列的位向，用晶向指数来表示，形式为[]uvw；晶面是指晶格中不同方位上的原子面，用晶面指数来表示，形式为() hkl。
4.为何单晶体具有各向异性，而多晶体在一般情况下不显示出各向异性？答：因为单晶体内各个方向上原子排列密度不同，造成原子间结合力不同，因而表现出各向异性；而多晶体是由很多个单晶体所组成，它在各个方向上的力相互抵消平衡，因而表现各向同性。
材料的力学性能
将其横截面△L除以试件原长L。用 ε = l
∆l
表示。
这样得到的曲线即与试件的尺寸无关，而可以代表 材料的力学性能。称为应力-应变图。
拉伸过程的四个阶段
1、弹性阶段 弹性阶段（ oa′ 段） 弹性阶段
oa 段为直线段， 点对应的应力 段为直线段， a
比例极限，用 称为比例极限 称为比例极限 用 σ P 表示
[ ]
[σ ] =
σu
n
大于1的因数 称为安全因数。 大于 的因数n称为安全因数。 的因数 称为安全因数 许用拉应力( 许用拉应力 [σ t ] ) 、许用压应力用 [σ c ] ) 许用压应力用( 许用压应力用 工程中安全因数n的取值范围，由国家标准规定， 工程中安全因数 的取值范围，由国家标准规定， 的取值范围 一般不能任意改变。 一般不能任意改变。
P
正应力和正应变成线性正比关系， 正应力和正应变成线性正比关系， 即遵循胡克定律， 即遵循胡克定律 σ
= E ⋅ε
弹性模量E和 的关系： 弹性模量 和α 的关系：
σ tan α = = E ε
2、屈服阶段（ bc 段） 屈服阶段（ 应力变化不大， 过b点，应力变化不大，应 变急剧增大，曲线上出现 变急剧增大， 水平锯齿形状， 水平锯齿形状，材料失去 继续抵抗变形的能力， 继续抵抗变形的能力，发 生屈服现象 工程上常称下屈服强度为材料的屈服极限 屈服极限， 工程上常称下屈服强度为材料的屈服极限 用 σ s 表示。 表示。 材料屈服时， 材料屈服时，在光滑试样表 面可以观察到与轴线成 45o 的纹线，称为滑移线。 的纹线，称为滑移线。 滑移线
l
低碳钢的伸长率约为（ 30） 低碳钢的伸长率约为（26 ～ 30）%
力学性能 概念
一，强度定义：金属材料在外力作下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。
按外力作用的性质不同，主要有屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗用弯强度等，工程常用的是屈服强度和抗拉强度，这两个强度指标可通过拉伸试验测出。
机械上是指零件承受载荷后抵抗发生断裂或超过容许限度的残余变形的能力。
也就是说，强度是衡量零件本身承载能力（即抵抗失效能力）的重要指标。
强度是机械零部件首先应满足的基本要求。
机械零件的强度一般可以分为静强度、疲劳强度（弯曲疲劳和接触疲劳等）、断裂强度、冲击强度、高温和低温强度、在腐蚀条件下的强度和蠕变、胶合强度等项目。
强度的试验研究是综合性的研究，主要是通过其应力状态来研究零部件的受力状况以及预测破坏失效的条件和时机。
【材料学上是指材料承受外力而不被破坏(不可恢复的变形也属被破坏)的能力.根据受力种类的不同分为以下几种:(1)抗压强度--材料承受压力的能力.(2)抗拉强度--材料承受拉力的能力.(3)抗弯强度--材料对致弯外力的承受能力.(4)抗剪强度--材料承受剪切力的能力.】材料、机械零件和构件抵抗外力而不失效的能力。
强度包括材料强度和结构强度两方面。
强度问题有狭义和广义两种涵义。
狭义的强度问题指各种断裂和塑性变形过大的问题。
广义的强度问题包括强度、刚度和稳定性问题，有时还包括机械振动问题。
强度要求是机械设计的一个基本要求。
材料强度：指材料在不同影响因素下的各种力学性能指标。
影响因素包括材料的化学成分、加工工艺、热处理制度、应力状态，载荷性质、加载速率、温度和介质等。
1、按照材料的性质，材料强度分为脆性材料强度、塑性材料强度和带裂纹材料的强度。
①脆性材料强度：铸：钦钢等塑性材料断裂前有较大的塑性变形,它在卸载后不能消失,也称残余变形。
塑性材料以其屈服极限为计算强度的标准。
材料的屈服极限是拉伸试件发生屈服现象（应力不变的情况下应变不断增大的现象）时铁等脆性材料受载后断裂比较突然，几乎没有塑性变形。
材料的力学性能测试
材料力学实验指导书（第一部分）材料的力学性能测试浙江工业大学机电学院2006年9月第一部分材料的力学性能测试任何一种材料受力后都有变形产生，变形到一定程度材料就会降低或失去承载能力，即发生破坏，各种材料的受力——变形——破坏是有一定规律的。
材料的力学性能（也称机械性能），是指材料在外力作用下表现出的变形和破坏等方面的性能，如强度、塑性、弹性和韧性等。
为保证工程构件在各种负荷条件下正常工作，必须通过试验测定材料在不同负荷下的力学性能，并规定具体的力学性能指标，以便为构件的强度设计提供可靠的依据。
材料的主要力学性能指标有屈服强度、抗拉强度、材料刚度、延伸率、截面收缩率、冲击韧性、疲劳极限、断裂韧性和裂纹扩展特性等。
金属材料的力学性能取决于材料的化学成分、金相结构、表面和内部缺陷等，此外，测试的方法、环境温度、周围介质及试样形状、尺寸、加工精度等因素对测试结果也有一定的影响。
材料的力学性能测试必修实验为5学时，包括：轴向拉伸实验、轴向压缩实验、低碳钢拉伸弹性模量E的测定、扭转实验、低碳钢剪切弹性模量G的测定。
§1－1 轴向拉伸实验一、实验目的1、测定低碳钢的屈服强度（）、抗拉强度（）、断后伸长率A11.3（10）和断面收缩率Z（）。
2、测定铸铁的抗拉强度（）。
3、比较低碳钢（塑性材料）和铸铁（脆性材料）在拉伸时的力学性能和断口特征。
注：括号内为GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》发布前的旧标准引用符号。
二、设备及试样1、电液伺服万能试验机（自行改造）。
2、0.02mm游标卡尺。
3、低碳钢圆形横截面比例长试样一根。
把原始标距段L0十等分，并刻画出圆周等分线。
4、铸铁圆形横截面非比例试样一根。
注：GB/T228-2002规定，拉伸试样分比例试样和非比例试样两种。
比例试样的原始标距与原始横截面积的关系满足。
比例系数取5.65时称为短比例试样，取11.3时称为长比例试样，国际上使用的比例系数取5.65。
材料的力学性能
要取决于材料的本性. 而合金化、热处理、冷变形等对它的影响很小.
通常过渡族金属如铁、镍等具有较高的弹性模量. 所以从刚度出发. 选
用一般的钢材即可. 不必选用合金钢.
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第二节
材料的力学性能指标
• (二) 塑性指标
比伸长率更为合理.
• 塑性是材料很重要的性能之一. 它反映了材料的变形工艺性. 塑性好的
材料. 易于冲压、拉深、冷弯、成形等. 在零件设计时. 往往要求材料
具有一定的塑性. 零件使用过程中偶然过载时. 由于能发生一定的塑性
变形而不至于突然破坏.
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第二节
材料的力学性能指标
• 同时. 在零件的应力集中处.塑性能起着削减应力峰(即局部的最大应
第一章
材料的力学性能
• 第一节
概述
• 第二节
材料的力学性能指标
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第一节
概
述
• 为研究材料的成分、组织、性能之间的关系. 合理选择和使用材料. 应
首先了解材料的各种性能.
• 材料的性能分使用性能和工艺性能两种. 使用性能是指材料在使用时
所表现出的各种性能. 它包括物理性能(如密度、熔点、导热性、导电
材料的强度. 如果冲击能量较高时. 材料的多冲抗力主要取决于材料的
塑性.
• 四、材料的疲劳强度(疲劳极限)
• 某些机械零件在工作时要承受交变载荷. 其应力大小、方向是周期性
变化的. 如轴、齿轮、连杆、弹簧等. 这些承受交变载荷的零件在发生
断裂时的应力远低于该材料的屈服点.这种现象叫做疲劳破坏. 不论是
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机械材料的力学性能
机械材料是一种用于制造物理结构和机械装置的材料，它们的力学
性能是制造过程中需要考虑的重要因素。
机械材料主要包括金属、陶瓷、玻璃、聚合物等不同种类的材料，这些材料有不同的物理性质和
力学性能，对应的使用场合也有所不同。
强度
强度是材料的抵御外力作用的能力，经常被用来描述机械材料的性能。
抗拉强度、抗压强度、剪切强度等都是材料强度的常见指标。
材
料的强度与其微观结构有关，对小应力范围内的变形具有很好的韧性，能够抵抗大应力下的破坏。
因此，选择合适的机械材料，特别是对于
需要承受大应力的重要部件，强度是非常重要的一个指标。
可塑性
可塑性指材料的变形能力，也称为延展性。
通常，材料的可塑性与
其结晶度、晶界状态、晶粒尺寸、晶体取向等因素有关。
材料的可塑
性越大，其在受力过程中的应变量就越大。
工程中经常用材料的延伸
率（或伸长率）和冷弯性等指标来描述可塑性。
韧性
韧性是机械材料抵抗脆断损伤的能力。
强度和硬度是一个理想材料
应该具有的性能，但是在使用过程中材料会受到各种类型的损伤，这
些损伤会影响其强度和硬度。
所以，韧性越高的材料，就越有可能在
遭受损伤后仍能够持续发挥其性能。
材料的韧性通常用断面收缩率或
断面降伏裂纹面积等指标来描述。
压缩性
压缩性是机械材料在受到垂直方向的应力作用下的承载能力。
与可
塑性、韧性和强度等性能不同，材料的压缩性通常用压缩模量或压缩
强度来进行指标描述。
材料的压缩性往往与其密度有关，密度越大的
材料通常具有更高的压缩性。
硬度
硬度是机械材料耐受表面压力的能力，也是衡量材料抗磨性的重要
指标。
硬度的测量是通过加压将一块已知形状、已知大小的金属样品
与可硬化某些标准金属（如钨钢、钢珠）接触在一起，查看来压痕迹。
硬度测试是机械材料性质检测的重要方法，常用于金属材料的选择和
质量控制。
总结
机械材料的力学性能是控制其使用的关键因素，当选择材料用于特
定应用时，需要综合考虑其在特定条件下的强度、可塑性、韧性、压
缩性和硬度等指标，制定相应的加工方案，保障生产安全和生产效率
的提高。