第一章金屬材料的力學性能第一節強度、剛度、彈性及塑性第二節硬度第三節沖擊韌性第四節斷裂韌度第五節疲勞長春工程學院

材料的性能是表征材料在外界條件作用下的行為。

材料的性能主要體現在兩個方面:

1.使用性能：2.工藝性能：長春工程學院金屬材料的性能1）使用性能—力學性能、物理性能、化學性能。

力學性能（機械性能）—材料在不同環境因素下抵抗外加載荷作用的能力。

(強度、塑性、剛度、彈性、硬度、沖擊韌性、斷裂韌度、疲勞等)2）工藝性能：在各種加工過程中表現出來的性能。

(鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削性能)長春工程學院第一節強度、剛度、彈性及塑性靜載荷——是指對材料緩慢地施加載荷，使材料的相對變形速度較小（一般小于0.01mm/s）。動載荷——（1）是指加載速度比較快，使材料的塑性變形速度也較快的沖擊載荷。（2）作用力大小與方向作周期性變化的交變載荷。長春工程學院一、低碳鋼應力——應變曲線標準拉伸試樣（GB228—2002）L0——試樣原始標距長度（mm）d0——試樣的原始直徑（mm）長試樣L0=10d0

；短試樣L0=5d0長春工程學院靜拉伸試驗機長春工程學院長春工程學院1、低碳鋼拉伸曲線長春工程學院曲線分為四階段：1．彈性變形階段Ⅰ拉力加大到Fp時,為直線階段。長春工程學院2．階段Ⅱ屈服變形屈服拉力：Fs長春工程學院3．階段III為較均勻的塑性變形階段Fb為材料所能承受的最大載荷

長春工程學院4．階段IV局部集中塑性變形出現頸縮→斷裂長春工程學院2、低碳鋼應力——應變曲線σ=F/A0ε=ΔL/L0ΔL=Lk－L0

低碳鋼拉伸曲線長春工程學院低碳鋼應力——應變曲線長春工程學院彈性變形——是指當外力解除后變形能夠全部消除恢復原狀的變形。彈性模量——材料產生單位彈性變形所需應力。

E=σ/ε=tgα材料剛度——工程上表征材料抵抗彈性變形能力。二、剛度和彈性

1、彈性模量長春工程學院彈性極限

σe=Fe/A0物理意義——材料在不產生塑性變形時所能承受的最大應力值。（極）微量塑性變形零件設計與選材的重要依據。2、彈性極限

長春工程學院強度——是指在外力作用下，材料抵抗永久變形和斷裂的能力。屈服點（屈服強度）：σs=Fs/A0物理意義——材料在外力作用下開始產生明顯塑性變形的最小應力，即材料抵抗微量塑性變形的能力。屈服強度是機械零件設計的主要依據。三、材料的強度

1、屈服點σs長春工程學院許多材料在受力時無明顯屈服點，如中高碳鋼、合金鋼和有色合金材料等。將發生0.2%殘余應變時的應力作為屈服強度，用σ0.2表示。長春工程學院2、抗拉強度抗拉強度

σb=Fb/A0物理意義——材料斷裂前所承受的最大應力值，表示材料抵抗斷裂的能力。屈強比

σs/σb

材料的屈強比愈小，構件的可靠性愈高。長春工程學院四、材料的塑性

1、伸長率δ材料塑性：材料在外力作用下產生塑性變形而不破壞的能力。伸長率δ：試樣拉斷后標距長度的相對伸長值。

短試樣的伸長率記為δ5（L0=5d0）長試樣的伸長率記為δ10或δ（L0=10d0）對于同一種塑性材料δ5>δ10

長春工程學院

2、斷面收縮率ψ斷面收縮率ψ：是指試樣拉斷后斷口處橫截面積的相對收縮值。斷面收縮率與試樣尺寸無關；金屬材料只有具備足夠的塑性才能承受各種變形加工。長春工程學院屈服強度σsorσ0.2抗拉強度σb剛度E彈性極限σe塑性δ,ψ長春工程學院第二節硬度硬度是衡量材料軟硬程度的力學性能指標，是材料抵抗局部塑性變形的能力，或者說抵抗硬物壓入的能力。重要零件或零件的重要部位大多規定硬度值：（1）硬度測量簡便迅速，不需做試樣,不需破壞試件；（2）多數金屬材料抗拉強度可根據硬度值進行估算；（3）硬度與材料的加工性能存在一定的聯系。硬度計種類：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、維氏硬度（HV）長春工程學院

一、布氏硬度（HB）物理意義：壓痕表面上單位面積所承受的壓力。長春工程學院布氏硬度測量原理及計算圖3布氏硬度原理圖工件壓頭長春工程學院

布氏硬度的表示方法標準寫法：布氏硬度值，布氏硬度符號，測試條件（壓頭直徑mm/試驗力kgf/試驗力作用時間s）。如：200HBS2.5/187.5/30簡單寫法：200HBS淬火鋼球壓頭HBS—最大有效測量值為450HBS硬質合金壓頭HBW—最大有效測量值為650HBW

長春工程學院二、洛氏硬度（HR）洛氏硬度是以壓頭壓入金屬材料的壓痕深度來表征材料的硬度。壓頭：1）錐頂角為120°的金剛石圓錐；2）Ф1.588mm的淬火鋼球。壓痕的深度直接可用百分表測出來，不需另外的測量和計算，十分方便，效率高，是實際生產中使用最普遍的一種硬度測量方法。長春工程學院洛氏硬度計洛氏硬度測量原理h為壓痕深度金剛石壓頭k=0.2

剛球壓頭k=0.26P0為初載荷P1為主載荷P=P0+P1圖4洛氏硬度原理圖h長春工程學院三種洛氏硬度試驗條件標值壓頭類型初載荷（kgf）總載荷（kgf）測試范圍應用舉例HRA1200金剛石圓錐106020~88硬質合金、表面淬硬層、滲碳層HRBφ1.588mm淬火鋼球1010020~100有色金屬、退火鋼、正火鋼HRC1200金剛石圓錐1015020~70淬火鋼、調質鋼☆總載荷=初載荷+主載荷長春工程學院維氏硬度計維氏硬度試驗原理維氏硬度壓痕三、維氏硬度（HV）長春工程學院維氏硬度原理（HV）1、維氏硬度：以正四棱錐金剛石為壓頭的硬度測量方法。2、維氏硬度定義：與布氏硬度相同，即壓痕表面上單位面積所承受的壓力。3、硬度值計算公式：圖5維氏硬度原理圖長春工程學院布氏硬度——壓痕面積大，代表性好（準確），效率低；適合測試硬度較低的材料；不適合測量薄件和成品件。洛氏硬度——壓痕面積小，代表性較差，通常要取三點平均值作為測試結果；測試極為方便，最為常用；一般用于較高硬度的測量。維氏硬度——非常準確；從低硬度到高硬度均可測量；測試設備昂貴，科學研究用該方法較多。各種硬度值可進行粗略換算：三種硬度測試方法優缺點HBW≈HV≈10HRC長春工程學院第三節沖擊韌性靜載荷——是指對材料緩慢地施加載荷，使材料的相對變形速度較小時的載荷（一般是小于0.01mm/s）。動載荷——（1）是指加載速度比較快，使材料的塑性變形速度較快的沖擊載荷，鍛床、沖床等。（2）作用力大小與方向作周期性變化的交變載荷，如軸、彈簧、齒輪等。長春工程學院一、沖擊韌性沖擊韌性：金屬材料在沖擊載荷作用下，抵抗破壞的能力。用沖擊吸收功來衡量材料的沖擊韌性。計算公式：沖擊韌度：Ak=mgΔH長春工程學院

擺錘沖擊試驗長春工程學院試樣種類尺寸：

10mm×10mm×55mm

無缺口V型缺口U型缺口長春工程學院對于一般常用鋼材來說，沖擊吸收功越大，材料的韌性越好。材料的沖擊韌度值除了取決于材料本身之外，還與環境溫度及缺口的狀況密切相關。沖擊韌度除了用來表征材料的韌性大小外，還用來測量韌脆轉變溫度。沖擊韌度反映材料的冶金質量和熱加工產品質量。二、沖擊試驗應用長春工程學院韌脆轉變溫度長春工程學院DuctileandBrittleFracturesDuctilefractureBrittleFracture39長春工程學院1943年美國T-2油輪發生斷裂第四節斷裂韌度材料在屈服強度以下發生的斷裂稱為低應力脆斷。

材料中總是存在缺陷，在應力作用下，裂紋將發生擴展，一旦擴展失穩，就會發生低應力脆性斷裂。材料抵抗內部裂紋失穩擴展的能力稱為斷裂韌度。長春工程學院一、裂紋擴展形式ModeⅠ：張開型ModeⅡ：滑開型ModeⅢ：撕開型長春工程學院材料存在缺陷，使材料內部結構不連續，可把缺陷看成是材料的裂紋，在裂紋尖端前沿有應力集中產生，形成一個裂紋尖端應力場。在材料承受載荷后，可能導致已有微裂紋的擴展，當裂紋尺寸到達某個臨界值時突然斷裂。長春工程學院

二、應力場強度因子與斷裂韌度裂紋的尖端前沿存在應力集中，形成裂紋尖端的應力場，大小可用應力強度因子K1來描述：應力強度因子的臨界值稱為材料的斷裂韌度，用KIc表示。它反應材料有裂紋存在時抵抗脆性斷裂的能力，是強度和韌性的綜合體現。K1=Yσ√a長春工程學院式中σc-裂紋擴展時的臨界狀態所對應的斷裂應力

ac-裂紋擴展時的臨界狀態所對應的臨界裂紋尺寸1.測定KIc和ac后，可確定σc，為載荷設計提供依據。2.已知KIc和臨界工作應力σc

，可確定最大裂紋尺寸ac。3.根據σc及ac

，可確定材料應有的斷裂韌度KIc

正確選材料。三、斷裂韌度及應用長春工程學院第五節疲勞強度疲勞：工程上一些機件工作時受交變應力或循環應力作用，即使工作應力低于材料的屈服強度，但經過一定循環周次后仍會發生斷裂，稱之為疲勞斷裂。長春工程學院軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）長春工程學院一、疲勞強度的測試在疲勞試驗機上，用較多的試棒，在不同交變載荷下進行試驗，作出疲勞曲線。長春工程學院長春工程學院一、疲勞強度的測試疲勞極限：材料經交變應力無數次循環作用而不發生斷裂的最大應力稱為材料的疲勞極限。應力循環次數金屬材料的疲勞曲線（S-N曲線）示意圖鋼鐵材料有色金屬長春工程學院應力循環對稱因數：

γ=-1疲勞強度σ-1

（軸類所受到的交變彎曲應力）

脈動循環交變應力：

γ=0疲勞強度σ0

（齒輪齒根受到的循環彎曲應力）

工程上規定，對于鋼鐵材料N0為107次；有色金屬材料為108次,腐蝕性介質作用下為106次。二、疲勞曲線與疲勞極限長春工程學院三、其他疲勞低周疲勞：承受交變應力較高，加載頻率較低，并經受循環次數較低；沖擊疲勞：多次沖擊載荷引起的損傷積累和裂紋擴展；熱疲勞：溫度循環變化而產生循環熱應力導致的疲勞；接觸疲勞：接觸表面在接觸應力的長期作用下表面產生的小片金屬剝落；腐蝕疲勞：腐蝕性介質中承受變動載荷所產生的疲勞。長春工程學院四、影響因素及提高疲勞極限的途徑疲勞強度的影響因素：1）材料本身的組織結構狀態；2）表面粗糙度和應力狀態。提高零件疲勞強