1、多媒體技術金屬材料的力學性能金屬材料的常用五大力學性能指標。金屬材料的常用五大力學性能指標。掌握金屬力學性能的基本概念及其指標；掌握金屬力學性能的基本概念及其指標；認識拉伸曲線圖，掌握強度、塑性的衡量指標及其意義；認識拉伸曲線圖，掌握強度、塑性的衡量指標及其意義；掌握常用硬度的測試方法及適用范圍。掌握常用硬度的測試方法及適用范圍。掌握沖擊韌度、疲勞強度的衡量指標及其意義。掌握沖擊韌度、疲勞強度的衡量指標及其意義。知識目標：知識目標：能力目標：能力目標：能根據拉伸曲線圖比較不同金屬材料的強度、塑性；能根據拉伸曲線圖比較不同金屬材料的強度、塑性；能根據材料及其熱處理狀態，正確選用硬度測試方法；能根

2、據材料及其熱處理狀態，正確選用硬度測試方法；能根據力學性能指標合理選用金屬材料。能根據力學性能指標合理選用金屬材料。重點及難點：重點及難點：北極星導彈北極星導彈美國空客美國空客泰坦尼克號泰坦尼克號 引言 鑄造性 鍛造性 焊接性 熱處理工藝性 切削加工性 金屬材料的性能： 物理性能 化學性能 力學性能使用性能保證機械零件保證機械零件能正常使用應能正常使用應具備的性能具備的性能工藝性能 各種加工過程各種加工過程中表現出來的中表現出來的性能性能使用性能使用性能、工藝性能工藝性能金屬的力學性能金屬的力學性能 金屬材料在各種金屬材料在各種載荷載荷( (外力外力) )作用下表現出來的抵抗變形和破壞的能力。

3、作用下表現出來的抵抗變形和破壞的能力。 載荷（外力）形式載荷（外力）形式 ： 靜載荷靜載荷 沖擊載荷沖擊載荷 疲勞載荷疲勞載荷 拉伸拉伸壓縮壓縮 彎曲彎曲 剪切剪切 扭轉扭轉 載荷分類載荷分類 ： 包括：強度、塑性、硬度、沖擊韌度、疲勞強度包括：強度、塑性、硬度、沖擊韌度、疲勞強度一、強度一、強度 拉伸試驗1、拉伸試驗機2、拉伸試樣長試樣長試樣（1 1）圓柱形試樣）圓柱形試樣短試樣短試樣（2）板狀試樣）板狀試樣 L0、d0是規定的標準值是規定的標準值 通常，通常，L0取取100mm或者或者50mm3、拉伸曲線分析 （低碳鋼）彈性變形變微量塑變屈服均勻塑變縮頸局部塑變斷裂4、低碳鋼的應力-應變曲

4、線應力應力 =F/A0 應變應變 =L/L0幾種常見金屬材料的應力幾種常見金屬材料的應力- -應變曲線應變曲線1- 1-鋁青銅鋁青銅 2- 2-低碳鋼（低碳鋼（C C，0.35%）3- 3-硬鋁硬鋁 4- 4-銅銅 強度金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。抵抗塑性變形和斷裂的能力越大，則強度越高。按載荷作用方式不同，強度可分為：抗拉強度、抗彎強度、抗壓強度、抗剪切強度工程上常用的強度指標：屈服強度、抗拉強度1 1、屈服強度、屈服強度強度指標 屈服1）符號）符號 s2）大小）大小 s=Fs/Ao3）意義）意義 屈服強度表示材料抵抗塑性變形的能力；屈服強度表示材料抵抗塑性變形的能力；是塑

5、性材料選材的依據。是塑性材料選材的依據。（產生屈服現象的最低應力）彈變塑變2、抗拉強度強度指標 0.2鑄鐵的應力-應變曲線有些金屬材料在拉伸時無有些金屬材料在拉伸時無明顯的屈服現象（如左圖明顯的屈服現象（如左圖的鑄鐵），無法測定其屈的鑄鐵），無法測定其屈服強度服強度 s s 。按按GB/T228-2002GB/T228-2002規定，可規定，可用用條件屈服強度條件屈服強度0.20.2 表表示。示。含義：殘余變形量為0.2% 時的應力值。2 2、抗拉強度、抗拉強度強度指標 縮頸1）符號 b2）大小 b=Fb/Ao3）意義 材料抵抗斷裂的能力；是選材的依據（斷裂前的最大應力）塑變塑變斷裂斷裂金屬材

6、料在斷裂前產生永久變形的能力。 塑性指標 伸長率（ ） 斷面收縮率 （ ）二、塑性=（L1-L0）/L0100% 試樣拉斷后，標距的伸長量與原始標距的百分比試樣拉斷后，標距的伸長量與原始標距的百分比 伸長率（ ）L0試樣原始標距（試樣原始標距（mm）L1試樣拉斷后標距（試樣拉斷后標距（mm）注意：注意： 當當L L0 0=10d=10d0 0 時，伸長率用時，伸長率用 （ 10 10）表示；當表示；當L L0 0= =5 5d d0 0時，時， 伸長率用伸長率用 5 5 表示；表示； 直徑直徑d d0 0 相同時，相同時，L L0 0 ，。只有當。只有當L L0 0 /d/d0 0 為常數時，

7、塑為常數時，塑 性值才有可比性；性值才有可比性； 同一材料的試樣長短不同，測得的伸長率數值同一材料的試樣長短不同，測得的伸長率數值 是不相等的（一般有是不相等的（一般有 5 ）；）； 比較不同材料的伸長率時，應采用尺寸規格一樣的比較不同材料的伸長率時，應采用尺寸規格一樣的 試樣。試樣。 斷面收縮率（ ）試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。A0試樣原始橫截面積（試樣原始橫截面積（mm2）A1試樣拉斷后縮頸處最小橫截面積（試樣拉斷后縮頸處最小橫截面積（mm2） =(A0-A1)/A0 100% 說明：說明： 用

8、斷面縮率表示塑性比伸長率更接近真實變形；用斷面縮率表示塑性比伸長率更接近真實變形； 塑性指標 塑性好，利于材料成形加工（鍛壓、軋制等）； 塑性好，可以防止過載，避免突然斷裂； 伸長率和斷面收縮率數值越大，材料的塑性越好； 拉伸試樣的縮頸現象拉伸試樣的縮頸現象 塑性意義材料抵抗表面局部塑性變形的能力。衡量金屬軟硬程度的一種性能指標。材料抵抗表面局部塑性變形的能力。衡量金屬軟硬程度的一種性能指標。三、硬度 硬度指標 布氏硬度（1 1）試驗原理）試驗原理 布氏硬度（2 2）計算公式）計算公式 布氏硬度（3 3）試驗規范）試驗規范 GB/T 231.12002 GB/T 231.12002 壓頭：壓頭

9、：10mm10mm、5mm5mm、2.5mm2.5mm、1mm1mm F/D2 F/D2：3030、1515、1010、5 5、2.52.5、1 1 試驗力：鋼鐵材料為試驗力：鋼鐵材料為101015s15s， 有色金屬為有色金屬為30s30s， 布氏硬度值布氏硬度值3535時為時為60s60s（4 4）表示方法）表示方法 符號符號HBW之前的數字表示硬度值之前的數字表示硬度值, 符號后面的數字按順符號后面的數字按順序分別表示壓頭直徑、載荷及載荷保持時間（序分別表示壓頭直徑、載荷及載荷保持時間（ 1015s 不標注）。不標注）。 如如 120HBW10/1000/30 表示直徑為表示直徑為10m

10、m的硬質合金球在的硬質合金球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下，保持）載荷作用下，保持30s測得的布氏硬度值為測得的布氏硬度值為120。布氏硬度壓痕布氏硬度壓痕l 優點：優點：測量誤差小，數據穩定。測量誤差小，數據穩定。l 缺點：缺點：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料，壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料， 操作麻煩。操作麻煩。l 適于測量適于測量退火、正火、調質鋼，鑄鐵及有色金屬的硬度。退火、正火、調質鋼，鑄鐵及有色金屬的硬度。 布氏硬度（5 5）優缺點及應用范圍）優缺點及應用范圍 洛氏硬度（1 1）試驗原理）試驗原理洛氏硬度用符號洛氏硬度用符號HR表示

11、，表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根據壓頭類型和主載荷不同，分為九個標尺，常用的標尺為根據壓頭類型和主載荷不同，分為九個標尺，常用的標尺為A、B、C。 h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計洛氏硬度計 洛氏硬度符號符號HR前面的數字為硬度值，后面為使用的標尺。前面的數字為硬度值，后面為使用的標尺。lHRA用于測量高硬度材料用于測量高硬度材料, 如硬質合金、表淬如硬質合金、表淬層和滲碳層。層和滲碳層。lHRB用于測量低硬度材料用于測量低硬度材料, 如有色金屬和退火、如有色金屬和退火、正火鋼等。正火鋼等。lHRC用于測量中等硬度材料，如調質鋼、淬火用于測量中等硬度材料，

12、如調質鋼、淬火鋼等。鋼等。l洛氏硬度的優點：操作簡便，壓痕小，適用范洛氏硬度的優點：操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。圍廣。l缺點：測量結果分散度大。缺點：測量結果分散度大。鋼球壓頭與鋼球壓頭與金剛石壓頭金剛石壓頭洛氏硬度壓痕洛氏硬度壓痕 洛氏硬度維氏硬度計維氏硬度計維氏硬度試驗原理維氏硬度試驗原理維氏硬度壓痕維氏硬度壓痕 維氏硬度維氏硬度用符號維氏硬度用符號HV表示，符號前的數字為硬度值，后面的數字按順序分別表示表示，符號前的數字為硬度值，后面的數字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。載荷值及載荷保持時間。根據載荷范圍不同，規定了三種測定方法根據載荷范圍不同，規定了三種測定方法維氏硬度試驗維氏硬

13、度試驗 、小負荷維氏硬度試、小負荷維氏硬度試驗、顯微維氏硬度試驗。驗、顯微維氏硬度試驗。維氏硬度保留了布氏硬度和維氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的優點。洛氏硬度的優點。 維氏硬度顯微維氏硬度計顯微維氏硬度計小負荷維氏硬度計小負荷維氏硬度計 硬度測試方法比較方法方法壓頭壓頭符號符號原理原理優點優點缺點缺點表示方法表示方法 應用范圍應用范圍布氏布氏硬度硬度 HBW 洛氏洛氏硬度硬度HRAHRBHRC維氏維氏硬度硬度 HV金剛石圓錐金剛石圓錐壓痕壓痕面積面積測量測量準確準確損傷大損傷大操作繁操作繁450HBW450HBW軟材料：軟材料：有色有色, ,軟鋼軟鋼毛坯半成品毛坯半成品淬火鋼球淬火鋼球壓痕

14、壓痕深度深度損傷小損傷小較迅速較迅速 不不 夠夠 準準 確確不連續不連續45HRC45HRC表層薄而硬表層薄而硬有色有色, ,軟鋼軟鋼成品、薄件成品、薄件各種淬火鋼各種淬火鋼金剛石金剛石四棱錐四棱錐壓痕壓痕面積面積 準確準確連續性連續性不適于不適于 成批成批800HV800HV從軟到硬從軟到硬更宜：更宜：更薄更硬更薄更硬 硬質硬質合金球合金球金剛石圓錐金剛石圓錐 金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。 沖擊試驗意義 判斷材料的韌、脆性：k 高為塑材 檢驗材料的冷脆、裂紋、白點等 沖擊材料的選材依據四、沖擊韌度 指標為沖擊韌性值ak(通過沖擊實驗測得)。沖擊韌性值（沖擊韌性值（ak）試樣沖斷時

15、所消耗的試樣沖斷時所消耗的沖擊功沖擊功A k為：為： A k = m g h m g h (J)沖擊韌性值（沖擊韌性值（ak） 就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。Akak =S0(J/m2)l 測定沖擊韌性值的意義測定沖擊韌性值的意義 1 1）評定材料相對韌性的大小）評定材料相對韌性的大小 2 2）評定材料的變脆傾向）評定材料的變脆傾向 材料的沖擊韌性隨溫度下降而材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。下降。在某一溫度范圍內沖擊在某一溫度范圍內沖擊韌性值急劇下降的現象稱韌性值急劇下降的現象稱韌脆韌脆轉變轉變。發生韌脆轉變的溫度范。發生韌脆轉變的溫度范圍

16、稱圍稱韌脆轉變韌脆轉變溫度。溫度。材料的使材料的使用溫度應高于韌脆轉變溫度。用溫度應高于韌脆轉變溫度。韌韌TITANIC建造中的建造中的Titanic 號號TITANIC的沉沒與船體材料的沉沒與船體材料的質量直接有關的質量直接有關Titanic 號鋼板號鋼板（左圖）（左圖）和和 近代船用鋼板近代船用鋼板（右圖）（右圖）的沖擊試驗結果的沖擊試驗結果Titanic近代船用鋼板近代船用鋼板1、疲勞現象：、疲勞現象：某些零件（如齒輪、主軸、彈簧）受力較小，甚至遠低于材料屈服點，長時間工作后發生突然斷裂的現象。2、疲勞斷裂特點：、疲勞斷裂特點：1）受力小，甚至遠低于材料的屈服點；2）受力為交變應力；3）

17、斷裂前無明顯塑性變形，具有突然性3、疲勞強度：、疲勞強度：1）材料經相當次數循環而不發生斷裂的最大應力；2）符號為1；3） -1 越高，斷裂前循環次數越多，零件壽命越長五、疲勞強度4、疲勞試驗：、疲勞試驗：5、疲勞斷裂原因與提高疲勞強度途徑：影響疲勞強度的因素：u應力集中；u材料內部組織缺陷；u機加工精度；u表面狀態、殘余應力提高疲勞強度的途徑：u零件結構設計盡量避免 尖角、缺口和截面突變；u減少材料組織缺陷；u減小表面粗糙度；u采用表面強化處理。動靜萬能疲勞試驗機六、小結塑性判據塑性判據強度判據強度判據疲勞強度疲勞強度 -1 -1韌性判據韌性判據動載動載維氏硬度維氏硬度 5 51000HV1000HV受循環交變載荷零件的選材、檢驗依據受循環交變載荷零件的選材、檢驗依據 金金屬屬力力學學性性能能靜載靜載 屈服點屈服點抗拉強度抗拉強度 b b 斷裂前的最大應力斷裂前的最大應力斷后伸長率斷后伸長率5%5%斷面收縮率斷面收縮率10%10%硬度判據硬度判據布氏硬度布氏硬度 650HBW650HBW洛氏硬度洛氏硬度沖擊韌度沖擊韌度 k k受沖擊零件的選材、檢驗依據受沖擊零件的選材、檢驗依據疲勞判據疲勞判據ss塑性材料產生明顯塑性變形的抗力塑性材料產生明顯塑性變形的抗力（抵抗塑性變形的指標）（抵抗塑性變形的指標）0.2 0.2 脆性材料無明顯塑性變形的抗力脆性材料無明顯塑性變形的抗力（抵抗斷