1、第一章 金屬材料的力學(xué)性能（P3）n第一節(jié)：靜載荷條件下材料的力學(xué)性能n第二節(jié)：非靜載荷時材料的力學(xué)性能n第三節(jié)：金屬材料的斷裂韌度n第四節(jié)：高溫下材料的力學(xué)性能金屬材料的性能金屬材料的性能(P3)1）使用性能使用性能：在使用過程中表現(xiàn)出的性能力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能等。 力學(xué)性能力學(xué)性能（又稱機械性能）是指材料抵抗外力（載荷）作用的能力。設(shè)計零件時是由力學(xué)性能作為主要設(shè)計依據(jù)的。2 2）工藝性能）工藝性能：在各種加工過程中表現(xiàn)出來的性能。如：鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削性能等。第一節(jié) 靜載荷條件下 材料的力學(xué)性能（P3）n靜載荷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

2、小時的載荷（一般是小于0.01mm/s）。n動載荷動載荷（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。一、靜拉伸試驗及材料的強度與塑性（P3）標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣（GB22887）lL0試樣原始標(biāo)距長度（mm）ld0試樣的原始直徑（mm） 長試樣L0=10d0 短試樣 L0=5d0靜拉伸試驗機原理一、靜拉伸試驗及材料的強度與塑性（P3）=L/ L0L=Lk L0=F/A0 圖12低碳鋼拉伸曲線低碳鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線n彈性變形彈性變形是指當(dāng)外力解除后變形能夠全部消除恢復(fù)原狀的變形。n彈性極限彈性極限 e=Fe/A0 n物理意義物理意義材料保持完

3、全彈性變形所承受的最大應(yīng)力。表征材料對（極）微量塑性變形的抗力。（一）彈性極限和剛度一）彈性極限和剛度1 1、彈性極限、彈性極限（P4）n材料剛度材料剛度（彈性模量） E=/=tgn物理意義物理意義材料產(chǎn)生單位彈性的相對變形所需的應(yīng)力。它是表征材料抵抗彈性變形能力的力學(xué)性能指標(biāo)。（一）彈性極限和剛度一）彈性極限和剛度2 2、材料剛度、材料剛度E E（P4）n材料強度材料強度是指在外力作用下，材料抵抗變形和斷裂的能力。n屈服點屈服點（屈服強度）： s=Fs/A0n物理意義物理意義是指材料在外力作用下開始產(chǎn)生明顯塑性變形的最小應(yīng)力。表征材料抵抗微量塑性變形的能力。（二）材料強度1、屈服點s （P4

4、）（二）材料強度2、抗拉強度（P4）n抗拉強度抗拉強度 b=Fb/A0n物理意義物理意義材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力。n屈強比屈強比 s/b 材料的屈強比愈小，構(gòu)件的可靠性愈高。（三）材料的塑性（三）材料的塑性1 1、伸長率、伸長率（P5）n材料塑性材料塑性：是指材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變 形而不發(fā)生斷裂的能力。n伸長率伸長率：是指試樣拉斷后其標(biāo)距長度的相對伸長值。定義為： n短試樣的伸長率記為5（L0=5d0）n長試樣的伸長率記為10或（L0=10d0）n對于同一種塑性材料510 %100%100000lllllk（三）材料的塑性2、斷面收縮率（P5）n斷面收縮率斷面收縮率：是指試樣拉斷后斷口

5、處橫截面積的相對收縮值。定義為：n斷面收縮率與試樣尺寸無關(guān)；n金屬材料只有具備足夠的塑性才能承受各種變形加工。%100%1000010AAAAA二、硬度二、硬度（P6）n硬度硬度是衡量材料軟硬程度的一種力學(xué)性能指標(biāo)。是材料抵抗局部塑性變形的能力，或者說抵抗其它硬物壓入的能力。n硬度計種類：硬度計種類：布氏硬度（HB）、 洛氏硬度（HR）、 維氏硬度（HV） n重要零件或零件的重要部位大多規(guī)定材料的硬度值。因為：（1）硬度測量簡便迅速，不需做試樣，也不需破壞試件；（2）多數(shù)金屬材料的抗拉強度可以根據(jù)其硬度值進行估算。所以硬度是一個很重要的力學(xué)性能指標(biāo)。 （一）布氏硬度（HB）（P6）n設(shè)備：布氏

6、硬度計n方法：用規(guī)定直徑的淬火剛球或硬質(zhì)合金球以一定的試驗力壓入所測材料的表面，保持規(guī)定時間后，卸除試驗力，測量表面壓痕直徑，然后根據(jù)布氏硬度的定義公式計算出布氏硬度值。n其物理意義是壓痕表面上單位面積所承受的壓其物理意義是壓痕表面上單位面積所承受的壓力。力。 布氏硬度測量原理及計算（P6）AFHB 222dDDDA圖13 布氏硬度原理圖工件壓頭布氏硬度的表示方法（P7）n標(biāo)準(zhǔn)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：200HBS2.5/187.5/30n簡單寫法：200HBSn淬火剛球作壓頭HBS最大有效測量值為450HBSn硬質(zhì)合金壓頭

7、HBW最大有效測量值為650HBW （二）洛氏硬度（HR）（P7）n洛氏硬度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。n壓頭壓頭：1）錐角為120的圓錐金剛石； 2）1.588mm的淬火剛球 n壓痕的深度直接可用百分表測出來，還需另外的測量和計算，十分方便，效率高，是實際生產(chǎn)中使用最普遍的一種硬度測量方法。洛氏硬度測量原理（P7）002. 0ekHRlh為壓痕深度l金剛石壓頭 k=0.2 l剛球壓頭 k=0.26lP0為初載荷lP1為主載荷lP= P0 + P1圖14 洛氏硬度原理圖h三種洛氏硬度試驗條件標(biāo)值標(biāo)值壓頭類型壓頭類型初載荷初載荷（kgkg）總載荷總載荷（kgkg）測試

8、范測試范圍圍應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例HRA1200金剛石圓錐10607085硬質(zhì)合金、表面淬硬層、滲碳層HRB1.588mm淬火鋼球1010025100有色金屬、退火鋼、正火鋼HRC1200金剛石圓錐101502067淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼總載荷=初載荷+主載荷（三）維氏硬度（HV）（P7）1、維氏硬度維氏硬度是一種以正四棱錐 金剛石為壓頭的硬度測量方 法。2、硬度值的定義硬度值的定義與布氏硬度相 同，即壓痕表面上單位面積 所承受的壓力。所不同的是 壓痕形狀為正四棱錐形。3、硬度值計算公式： 2102. 08544. 1dFAFHV圖15 維氏硬度原理圖n布氏硬度壓痕面積大，代表性好（準(zhǔn)確），效率低；適合測試

9、硬度較低的材料；不適合測量薄件和成品件。n洛氏硬度壓痕面積小，代表性較差，所以通常要取三點平均值作為測試結(jié)果；測試極為方便，是實際生產(chǎn)中最為常用的一種測試方法；一般用于較高硬度的測量。n維氏硬度非常準(zhǔn)確；從低硬度到高硬度均可測量；測試設(shè)備昂貴，科學(xué)研究用該方法較多。n各種硬度值可進行粗略換算， 換算公式如下： 三種硬度測試方法優(yōu)缺點HBHV10HRC第二節(jié) 非靜載荷時材料的力學(xué)性能（P8）n靜載荷靜載荷 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）。n非靜載荷（動載荷）非靜載荷（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，

10、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。一、沖擊韌度（P8）n沖擊韌度沖擊韌度：是指材料抵抗沖擊載荷的能力。以單位面積承受的沖擊吸收功來衡量。n計算公式：n試樣種類：尺寸： 10mm10mm55mm 無缺口V型缺口U型缺口0AAakkAk=mgHn對于一般常用鋼材來說，沖擊吸收功越大，材料的韌性越好。n考慮到試樣被沖斷所需的沖擊吸收功，并非均勻地消耗于斷口處。所以，往往直接用沖擊吸收功來表征材料的沖擊韌度。n材料的沖擊韌度值除了取決于材料本身之外，還與環(huán)環(huán)境溫度境溫度及缺口的狀況密切相關(guān)。n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(zhuǎn)變溫度。n

11、材料的沖擊韌度一般只作為設(shè)計的參考值。一、沖擊韌度（P9）二、疲勞強度（P9）n疲勞強度疲勞強度：是指材料抵抗交變應(yīng)力的能力。n應(yīng)力循環(huán)對稱因數(shù)： =-1 疲勞強度疲勞強度-1-1 （軸類所受到的交變彎曲應(yīng)力）n脈動循環(huán)交變應(yīng)力 =0 疲勞強度疲勞強度0 0 （齒輪齒跟受到的循環(huán) 彎曲應(yīng)力）maxmin疲勞強度的測試n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。疲勞強度的測試(P10)材料經(jīng)交變應(yīng)力無數(shù)次循環(huán)作用而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力稱為材料的疲勞強度疲勞強度。應(yīng)力循 環(huán) 次 數(shù) 圖18金屬材料的疲勞曲線示意圖疲勞強度的定義疲勞強度的定義（P10）n疲勞強度定義為：材

12、料經(jīng)交變應(yīng)力無數(shù)次循環(huán)作用而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。n工程上規(guī)定，對于鋼鐵材料為107次；對于有色金屬材料為108次。n材料的疲勞強度-1與抗拉強度b密切相關(guān)。對鋼來說，其關(guān)系為-1=0.450.55b。可見，材料的疲勞強度隨其抗拉強度增高而增高。n金屬材料的疲勞強度通常都小于屈服點，這說明材料抵抗交變應(yīng)力比抵抗靜應(yīng)力的能力低。 疲勞強度的影響因素（P10）n疲勞強度的影響因素疲勞強度的影響因素：1）材料本身的組織結(jié)構(gòu)狀態(tài)； 2）表面粗糙度和應(yīng)力狀態(tài)。n提高零件疲勞強度的措施提高零件疲勞強度的措施： 1、改善內(nèi)部組織； 2、設(shè)計上減小應(yīng)力集中，轉(zhuǎn)接處避免銳角連接； 3、降低零件表面粗糙度； 4、強化表面，如表面淬火、表面滾壓、滲碳等。 n早在上世紀(jì)20年代,Griffth就提出了著名的裂紋體的脆斷強度理論。n第二次世界大戰(zhàn)后，廣泛使用高強度材料，引起了一系列的脆斷事故。而且斷裂應(yīng)力遠(yuǎn)低于s，即低應(yīng)力脆斷。n為防止低應(yīng)力脆斷，不得不對其強度斷裂抗力進行研究，從而形成斷裂力學(xué)這門新學(xué)科。n根據(jù)斷裂力學(xué)的分析，裂紋的尖端前沿存在應(yīng)力集中，形成裂紋尖端的應(yīng)力場，其大小可用應(yīng)力強度因子K1來描述：第三節(jié) 金屬材料的斷裂韌度(P10)K K1 1=Ya=Ya第四節(jié) 高溫下材料的力學(xué)性能（P11）n高壓蒸氣鍋爐、內(nèi)燃機、航空航天發(fā)動機等機器設(shè)備中的一些構(gòu)件是長期在較高溫度