Transcript 第一章金属材料的力学性能

金属材料与热处理
模块一
金属的力学性能
主讲：赵广引
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[讲授新课]
课题：绪论、金属材料的力学性能
教学目的与要求：
1、了解学习本课程的目的、基本内容及金属材料在各行业中的
应用
2、掌握金属材料力学性能概念及其指标
3、掌握强度、塑性概念及表征指标和计算方法。
教学重点与难点：
1、金属材料的性能、强度和塑性的概念及代号是教学重点
2、金属材料的拉伸试验及选材是教学难点
教学过程：
• 主要内容
课题1
• 强度与塑性
课题2
•硬
课题3
度
• 冲击韧性与疲劳极限
1.金属力学性能指标的本质、物理概念、
实用意义，以及各种力学性能指标间
的相互关系；
主要内容包括
2.影响金属力学性能的因素，提高金属
力学性能的方向和途径；
3.金属力学性能指标的测试技术
使用性能
材料使用
时表现出
的性能
性能
工艺性能
材料加工
时表现出
的性能
物理性能、化学性能
力学性能：材料受力时表现出来性能
热加工工艺性能：铸造、锻压、焊
接、热处理
冷加工工艺性能：切削加工
力的相关术语
1）载荷 金属材料在使用和加工过程中所受到的各种
外力统称为载荷，用符号 F表示。
载荷分为静载荷、冲击载荷及变动载荷三种。
2）变形 金属材料受到载荷作用而产生的几何变形和
尺寸的变化称为变形。
变形分为弹性变形和塑性变形。
3）应力（σ）
也就是单位面积所能承受的载荷大小。即σ=F/S
课题1 强度与塑性
一、拉伸试验（测量和计算强度与塑性指标）
标准
试样
长试样: L0=10d0
短试样：L0=10d0
断后
试样
低碳钢拉伸曲线
二、强度
1.定义：金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形和断裂
的能力称为强度。
2.意义：强度指标是机器零件选材和设计的主要依据。
3.强度指标
1)弹性极限
材料受到外力时，产生弹性变形时所能承受的最大应力。
用符号σe表示。
σe=Fe/Ao
式中 Fe—试样发生弹性变形时的最大载荷（N）;
Ao—试样的原始横截面积（mm2）。
2）屈服点与屈服强度
金属材料开始产生屈服现象时的最低应力值称为屈
服点，用符号σs表示。
σs=Fs/Ao
式中 Fs—试样发生屈服时的载荷（N）;
Ao—试样的原始横截面积（mm2）。
工业上使用的某些金属材料，如高碳钢、铸铁等，
在拉伸过程中，没有明显的屈服现象，无法确定其
屈服点σs ，按GB/T2228规定，可用屈服强度σ0.2
来表示该材料开始产生塑性变形时的最低应力值。
屈服强度为试样标距部分产
生0.2%残余伸长率时的应力
值，即
σ0.2=F0.2/Ao
式中
F0.2—试样标距产生的0.2%
残余伸长时载荷（N）；
Ao—试样的原始横截面积（mm2 ）
屈服强度的测定
3）抗拉强度
金属材料在断裂前所能承受的最大应力值称为抗
拉强度，用符号σ b表示。
σ b=Fb/Ao
式中 Fb—试样在断裂前所承受的载荷（N）；
Ao—试样原始横截面积（mm2）。
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三、塑性
1.定义
金属材料的载荷作用下，断裂前材料发生不可逆
永久变形的能力称为塑性。
2.意义
材料有一定的塑性既能保证安全性，又能使材料便于
加工（工艺性能）。
3.常用的塑性指标
1）断后伸长率
=(L1-L0)/L0
客观的
2）断面收缩率ψ
ψ=(S0-S1)/S0
课题2 硬 度
一、定义
硬度是指金属材料抵抗局部变形，特别
可用硬度试验机测定。
是塑性变形、压痕或划痕的能力。
二、常用的硬度指标
1.布氏硬度
（HBW、HBS）
2.洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）
3.和维氏硬度（HV）
硬度测试原理
各种硬度表示方法、特点及应用范围
硬度测定
方法
表示方法
特点
布氏硬度
（HB）
450HBW5/750/20表示
用直径5mm的硬质合金
球，在750kgf载荷下
保持20s,测定的布氏
硬度值为450。
不适测薄件或成品；
测试值稳定，准 常用于测HBW值小于
确，但测量费时， 650的材料，如灰铸
且压痕较大。
铁、非铁合金及退火、
正火、调质钢等
洛氏硬度
（HR）
50~55HRC,数值越大，
表示材料越硬。
操作迅速简便，
压痕小，不如布
氏硬度精确，一
般需测不同部位
几处，求其算术
平均值。
维氏硬度
（HV）
500Hv100/20表示在试
验载荷100kgf下保持
20s测定的维氏硬度值
为500
特适测软、硬金属及
陶瓷等非金属材料，
载荷小，压痕浅. 尤其是极薄的零件和
渗碳层的硬度；还可
测显微组织硬度。
应用范围
适宜大量生产成品检
验
课题3 冲击韧性与疲劳极限
一、冲击韧性
动载荷
1.衡量指标：冲击吸收功AK
即
AK=mg(H-h)
举例：塑料制品冬天和夏天韧性不同
Ak与温度相关：Ak随温度升高而升高
用试样的断口处截面积SN（cm2）去除AK（J）即得到冲击韧度，用ak
表示(已不用），单位为J/cm2.
aK=AK/SN
二、疲劳极限
1.疲劳概念
虽然零件所承受的交变应力数值小于材料的屈服强度，
但在长时间运转后也会发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。
据统计，机械零件断裂中
有80%是由于疲劳引起。
对称循环交变应力
2.疲劳曲线与疲劳极限
1）试验证明，金属材料所受最大交变应力σmax 愈大，
则断裂前所受的循环周次N（定义为疲劳寿命）愈少，
这种交变应力σmax 与疲劳寿命N的关系曲线称
疲劳曲线或S—N曲线
2）工程上规定，材料经受相当循环周次不发生断裂
的最大应力称为疲劳极限，以符号σ-1表示。

钢铁材料：107次
1
非铁合金、超高强度钢：108次
2
n
-1
N1 N2 Nn
Nc
疲劳曲线
N
部分工程材料的疲劳极限σ-1（MPa）
三、提高材料疲劳极限的途径
1.设计方面 尽量使用零件避免交角、缺口和截面突变，
以避免应力集中及其所引起的疲劳裂纹。
2.材料方面
通常应使晶粒细化，减少材料内部存在
的夹杂物和由于热加工不当引起的缺陷。
如疏松、气孔和表面氧化等。
3.机械加工方面
要降低零件表面粗糙度值。
4.零件表面强化方面 可采用化学热处理、表面淬火、
喷丸处理和表面涂层等，使零件表面造成压应力，以抵
消或降低表面拉应力引起疲劳裂纹的可能性。
金属材料强度与塑性的新、旧标准名词和符号对照表
新标准（GB/T228-2002）
旧标准（GB/T228-1987）
性能名称
性能名称
断面收缩率
符号
Z
断面收缩率
符号
ψ
断后伸长率
A
A11.3
断后伸长率
5
10
屈服强度
Re
屈服强度
σs
上屈服强度
ReH
上屈服强度
σsU
下屈服强度
ReL
下屈服强度
σsL
规定非比例延
伸强度
Rp
例如Rp0.2
规定非比例延伸 σP
强度
σP0.2
抗拉强度
Rm
抗拉强度
σb
总结
定义
强度
力
学
性
能
指
标
具体的评价指标及其实用意义
定义
塑性
弹性极限
屈服强度
抗拉强度
伸长率
具体的评价指标及其实用意义
断面收缩率
定义
硬度
洛氏硬度
常用测试方法及适用场合 布氏硬度
维氏硬度
韧性：评价指标、韧脆转变温度
疲劳强度：定义、提高措施