Transcript 第一章 - 《材料及热加工工艺》精品课程

材料及热加工工艺—第一章 金属材料的力学性能
第一章 金属材料的力学性能
第一节 刚度、强度、塑性
第二节 冲击韧性
第三节 疲劳强度
第四节 硬度
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材料及热加工工艺—第一章 金属材料的力学性能
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第一节 刚度、强度、塑性
刚度、强度和塑性是根据拉伸试验测定出来的。
一、拉伸试验与拉伸曲线
1、拉伸试样
试验前在试棒上打出标距
按国标规定标准拉伸试样可分为：
１) 板形试样：原材料为板材或带材
２) 圆形试样：长试样L0＝10d0，
短试样L0=5d0
其中：L0为试样标距，d0为试样直径
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2、拉伸过程
将试样装在拉力试验机夹头上，缓慢加载，通
过自动记录装置得到试样所受载荷F和伸长量
△L的关系曲线称为拉伸曲线；
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HT-2402-100KN电脑
伺服控制材料实验机
拉伸试样的颈缩现象
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3、拉伸曲线
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弹性变形
塑性变形
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4、应力与应变曲线
(1)应力σ ：单位面积上试样承受的载荷。
F
σ= ——
S 0 ( M pa )
F:载荷( N )
2
S 0:原始横截面积( mm )
(2)应变ε：单位长度的伸长量。
ε=
Δl
——
l 0
Δl：伸长量(mm )
l 0：原始长度( mm)
(3)应力－应变曲线（ σ- ε曲线）：
形状和拉伸曲线相同，单位不同。
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5、不同材料的拉伸曲线
45钢
铝青铜
35钢
硬铝
纯铜
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二、通过拉伸试验测得的性能指标
屈服强度
刚度、 强度
抗拉强度
1）刚度
σ
e
σ
σ= E ε
伸长率
塑性
断面收缩率
表征金属材料抵抗弹性变形的能力。
弹性模量E ：表示引起单位变形
时所需要的应力。即材料的E越大，
产生的弹性变形越小，刚度越大。
E值主要取决于材料的本性;
提高刚度的方法是增加横截面积或
ε 改变截面形状。
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举例：通过改变横截面积来提高材料的刚度
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2）强度
金属材料在载荷作用下抵抗塑性
变形和破坏的能力。
a.屈服点、屈服强度：表征金属材料对产生明
显塑性变形的抗力。
F(σ)
b
屈服现象：S点
k
e s
屈服点是指在外力作用下开
p
Fb
FeFs
始产生明显塑性变形的最小
应力，用σS表示。
Fp
o
Δl
σS =FS/S0
低碳钢的力-伸长曲线 (ε)
(N/mm2 =Mpa)
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对于没有明显屈服现象发生的
金属材料，产生规定残余伸长
率为0.2%时的应力值作为该材
料的屈服强度，以σ0.2表示。
σ0.2= F0.2 / S0
b.抗拉强度：
试样在断裂前所能承受的最大应力。 σb = Fb/S0
σe σs
σb
选用原则：若不允许发生过量的塑
性变形，以屈服强度σS 、σ0.2为依
据；若零件在使用时只要求不发生
破坏，以抗拉强度σb来设计。
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3）塑性: 是指材料在载荷作用下产生不可逆
永久变形而不被破坏的能力。
(1)断面收缩率: 是指试样拉断处横截面积的收缩
量Δ S与原始横截面积S0之比。
(2)断后伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量Δ
L 与原始标距L 0之比。
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说明：

①直径d0 相同时，l0，。只有当l0/d0
为常数时，塑性值才有可比性。
当l0=10d0 时，伸长率用 表示；
当l0=5d0 时，伸长率用5 表示。显然5> 

②用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变
形。

③  > 时，无颈缩，为脆性材料表征
 < 时，有颈缩，为塑性材料表征
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第二节
冲击韧性
材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。
通常用冲击韧性指标aK来度量。
冲击试验机
冲击试样和冲击试验示意图
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冲击试验示意
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试样冲断时所消耗的冲击吸收功A kU为:
A kU = m g（H –h）
(J)
AK U
冲击韧性： a k = ———
(J/cm²)
S0
冲击韧性值a k 就是试样缺口处单位截面积上
所消耗的冲击功。
冲击吸收功的大小与试
验的温度有关。材料的
韧脆转变温度越低，说
明低温冲击性能越好。
冲击吸收功的大小并不能真正反映材料的韧脆
程度，因为其中有一部分功损失。
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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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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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第三节 疲劳强度 fatigue strength
1、疲劳断裂
原因：疲劳裂纹产生
扩展
瞬时断裂的。
特点：
①断裂前无明显
的塑性变形，断裂
突然发生；
②断裂时应力很
低，大多低于σs
2、疲劳强度:材料经无数次交变载荷作用而不断
裂的最大应力值，用σ-1表示，单位为MPa.
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钢铁材料：N=107次
有色金属：N=108次
疲劳试验原理示意图
疲劳曲线
循环次数N
3、提高疲劳极限的途径:
1）在零件结构设计中尽量避免尖角，缺口和截面
突变，以免产生应力集中而由此产生疲劳裂纹；
2) 提高零件表面加工质量，减少疲劳源；
3) 采用各种表面强化处理，如表面淬火、喷丸等。
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第四节
硬
度
硬度:是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力。
常用压入法；
三种：布氏、洛氏、维氏硬度
(1)布氏硬度 HB
1.测量原理
用一定载荷P，将直径为D
的球体压入被测材料的表
面，保持一定时间后卸去
载荷，根据压痕面积S确
定硬度大小。
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2.测量过程
注意：d必须在0.24~0.6D之间。
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3.测定条件
压头为淬火钢球时, 以HBS表示,可测< 450的材料；
压头为硬质合金时, 以HBW表示,可测<650的材料。
压头直径有10、5、2.5、2、1mm五种。
4.表示方法
符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后
面的数字按顺序分别表示球体直径mm、载荷Kgf
（ N ）及载荷保持时间S。
如:120HBS10/1000/30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。
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5.优缺点

布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。

缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压
头还硬的材料。

适于测量灰铸铁、非铁合金及较软钢材的硬度。

另外：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
对于灰铸铁： b(MPa)≈1HB
或 b(MPa)≈ 0.6(HB-40)
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(2)洛氏硬度 HR
测量步骤：洛氏硬度HR是将标准压头用规定
压力压入被测材料表面，根据压痕深度h来确
定硬度值。值越小，材料越硬。
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分类：根据压头的材料及压头所加的负荷不同
又可分为HRA、HRB、HRC三种:
K
0.2
0.26
0.2
表示方法：55HRC表示C标度测定的洛氏硬度值
为55，无单位。
特点：操作简便，可直接读出硬度值，压痕小，
可用于成品件的测量，但测值重复性差。
HRC测定淬火钢的硬度,应用最广。
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(3)维氏硬度 HV
测量步骤：
用一定载荷F(N)，将顶角为136o的金
刚石四棱锥压入被测材料的表面，保
持一定时间后卸去载荷，求出平均压
痕对角线的长度，确定硬度大小。
F
F
HV=0.1891 A = 0.1891 d2
表示方法：
640HV30/20,表示在
30kgf作用下保持20 s，
维氏硬度值为640。
特点：可测较薄的硬化层以及很软、很硬的材料。
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布氏硬度计
洛氏硬度计
维氏硬度计
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硬度的测定
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