工程材料01(金属的力学性能)汇总.pps

机械工程材料的常用性能及分类,思考：机械工程材料的性能主要指的是上述哪个性能？,《工程材料及应用》 第一章 金属的力学性能,工程材料的机械性能 —— 通常指材料的力学性能，是工程材料抵抗各种外力作用时表现出来的性能，主要取决于材料的成分和热处理工艺 “失效现象” —— 机械零件失去预定的效能（功能）称为失效常见的失效形式有：断裂、磨损、过量弹性变形等从零件的服役条件和失效分析出发，可以得出零件应具备的力学性能指标，是设计零件和验收产品的重要依据 材料的力学性能主要包括：强度、塑性、韧性、硬度等，收录在《机械手册》或《工程材料手册》中，是进行材料选用、工艺评定、设计计算等的主要参数《工程材料及应用》 第一章 金属的力学性能,第一节 强度、刚度、弹性及塑性,金属材料的强度、刚度、弹性及塑性一般通过金属拉伸试验来测定，即按GB/ T 228-2002之规定，将金属试样装夹到试验机上，然后对试样加载，载荷逐渐增大，直至把试样拉断 在拉伸过程中，根据试样承受的载荷与变形量之间的关系，可以得出该金属材料的拉伸曲线（即应力—应变曲线），并由此获得该材料的强度、刚度、弹性及塑性指标。

《工程材料及应用》 第一章 金属的力学性能,一、拉伸试验 1、拉伸试样： 长试样： L 0 / d 0 =10 短试样： L 0 / d 0 = 5 2、拉伸过程： 分为四个阶段 （1）弹性变形阶段：材料只发生弹性变形，变形与外力成正比 （2）屈服阶段：外力F变化很小，材料产生明显塑性变形现象 （3）形变强化阶段： 随着塑变增大，强度提高的现象 （4）断裂阶段《工程材料及应用》 第一章 金属的力学性能,3、应力—应变曲线 （ σ ~ ε） ： 应力——试样单位截面上承受的载荷 σ = F / A0 （Mpa） （名义应力） 应变——试样单位长度上的变形量 ε = ⊿L /L 0 （无量纲） （名义应变）,《工程材料及应用》 第一章 金属的力学性能,塑性材料与脆性材料的σ—ε曲线比较：,低碳钢的σ—ε曲线,高碳钢的σ—ε曲线,《工程材料及应用》 第一章 金属的力学性能,二、强度 ——指材料抵抗永久变形和断裂的能力 弹性极限：σe = Fe / A0 （表示材料发生最大弹性变形的能力） 屈服强度：σs = Fs / A0 （表示材料抵抗微量塑性变形的能力） 抗拉强度：σb = Fb / A0 （表示材料断裂前能承受的最大应力） 屈强比： σs /σb,《工程材料及应用》 第一章 金属的力学性能,条件屈服极限： 由于脆性材料的σ—ε曲线一般没有明显的屈服阶段，σs难以确定，这类材料的屈服强度常以产生一定微量塑性变形时的应力来表示。

常用的条件屈服极限： σ0.2 ：表示 ε塑 = 0.2% 或 σ0.05：表示 ε塑 = 0.05%,《工程材料及应用》 第一章 金属的力学性能,三、刚 度 —— 指材料抵抗弹性变形的能力 材料在弹性变形阶段，满足虎克定律： E —— 弹性模量（刚度指标） 绝大多数机械零件都是在弹性状态下工作， 一般不允许有过量的弹性变形，因此对材料的 刚度（即弹性模量E）的大小有一定的要求 注： E是一个对组织不敏感的参数，主要取决于材料原子间的结合力（金属键），受热处理、加工变形、合金化等的影响小 介绍：反复加载 / 卸载时σ~ε曲线的变化情况《工程材料及应用》 第一章 金属的力学性能,四、塑 性 —— 指材料断裂前发生永久变形的能力 评价材料塑性指标： 1、伸长率（延伸率）δ： 2、断面收缩率ψ： 注： δ与试样的标距长度有关，一般 δ5δ10 ψ与试样的标距长度无关 材料的塑性越好，则加工成型能力越强，同时还能缓和应力集中，防止突然脆断，在一定程度上保证了零件的安全性因此，虽然塑性指标一般不直接用于工程设计计算，但在选用材料时应考虑具有相应的塑性储备。

《工程材料及应用》 第一章 金属的力学性能,第二节 硬 度,硬度——材料表面抵抗外物压入的性能，它是材料机械性能的综合指标与材料的强度、塑性、韧性，形变强化能力有关） 硬度与抗拉强度σb有一定的对应关系，参见附录 硬度实验方法简便、迅速、设备简单、不需破坏材料，因此在生产中广泛应用 例如：在机械图纸上对零件的性能要求通常以硬度来表示 常用的硬度测量方法有：布氏硬度、洛氏硬度 和 维氏硬度 等试验方法《工程材料及应用》 第一章 金属的力学性能,一、布氏硬度（HB） 使用规定直径的淬火钢球（HBS）或硬质合金钢球（HBW）以规定压力压入金属表面，保持一定时间，卸载后测定材料表面压痕面积A，然后进行如下计算： HB= F/A = F/πDh 布氏硬度的标记方法：（参阅教材 P7） 布氏硬度测量方法的特点： （1）因为压痕面积较大，能反映较大范围内材料的平均硬度，测值比较准确，重复性好 （2）也因压痕较大，对材料表面损伤较大，不适作成品检验和薄件的测量，不能测定过硬的材料 布氏硬度测量方法主要用于退火钢、有色金属等的原材料、半成品及性能不均匀的材料（如铸铁等）。

《工程材料及应用》 第一章 金属的力学性能,二、洛氏硬度（HR） 用淬火钢球（HRB）或120º的金刚石圆锥（HRA、HRC）压入材料表面，测量压痕深度来表示材料的硬度 （k—常数、h—压痕深度） 洛氏硬度测量方法的特点： （1）压痕小，可在成品表面进行 （2）测量操作简便，迅速，并且测值范围大 （3）测值较分散，精确性较差，需要多次测量，取平均值《工程材料及应用》 第一章 金属的力学性能,三、维氏硬度（HV） 用正四棱锥金刚石压头压入金属表面，然后 测量压痕对角线d，计算压痕面积A，作如下计算： 维氏硬度测量方法的特点： （1）所用试验力小，压痕深度浅，特别适用于测量薄件、工件表面 硬化层的硬度（渗C，渗N层）的测量 （2）效率较低，不适于批量产品的测量《工程材料及应用》 第一章 金属的力学性能,四、肖氏硬度（HS） 应用弹性回跳法将撞销从一定高度落到所试材料 的表面上而发生回跳，用测得的撞销回跳的高度来表 示硬度撞销是具有尖端的小锥，尖端上常镶有金刚钻) 肖氏硬度测量方法的特点： （1）结构简单，产品一般为手提式仪器，便于现场测试，适用于的大中型工件 。

（2）测量结果受环境影响较大，准确度稍差《工程材料及应用》 第一章 金属的力学性能,第三节 冲击韧性,冲击载荷作用于工件时，加载速度快，作用时间短，应力的分布与变形不均匀因此，对承受冲击载荷的工件，仅具有足够的静载荷强度是不够的，还必须具有足够的抵抗冲击载荷的能力 冲击韧性——材料冲击载荷作用下，抵抗破坏的能力 冲击韧性是材料的本身的属性，可以通过冲击实验获得一般将冲击吸收功较高的材料称为韧性材料，反之为脆性材料 韧性材料在断裂前有明显的塑性变形，断口呈纤维状，无光泽左图） 脆性材料在断裂前无明显的塑性变形，断口较平整，呈粗晶状，有金属光泽《工程材料及应用》 第一章 金属的力学性能,一、冲击试验及试样 冲击实验通常在摆锤式冲击试验机上进行实验时将试样放在支座上，把摆锤放置于H高度，然后释放摆锤，摆锤将试样冲断后，上升到h高度试样被冲击破坏时所消耗的能量，即为冲击吸收功AK AK U —— U型缺口 AK AKV —— V型缺口 （注：不同缺口试样的指标不具可比性）,,《工程材料及应用》 第一章 金属的力学性能,二、冲击韧性的指标 冲击韧性值a k ——试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。

(Ak——冲击破坏所消耗的功，A0——标准试样断口截面积) 冲击韧性值a k的应用：用于评价材料韧性的好坏，与屈服强度结合用于一般零件抗断裂设计《工程材料及应用》 第一章 金属的力学性能,三、温度对冲击韧性的影响 在冲击试验中，当环境温度低于某一范围时，有些材料的冲击韧性会急剧下降（韧性→脆性）——韧/脆转变温度 注：机械设计过程中，在为工件选用材料时，应根据工件的具体使用条件来确定性能参数，不能简单地套用《手册》上的数据《工程材料及应用》 第一章 金属的力学性能,第四节 断裂韧度,实际的构件材料在冶炼、制造过程中不可避免地存在微裂纹（包括裂纹、夹渣等缺陷）这些裂纹在外力作用下，由于产生尖端应力集中，当裂纹扩展到临界尺寸，零件就在远低于σs的情况下发生脆性断裂（低应力脆断），尤其对高强度材料和大型构件，此类现象更严重《工程材料及应用》 第一章 金属的力学性能,在断裂力学基础上建立起来的材料抵抗裂纹扩展的性能，称为断裂韧度断裂韧度计算中，不仅考虑了作用工件上的外加应力大小，也考虑了实际材料内部存在的微裂纹情况，因此在安全设计中具有重大意义。

一、裂纹扩展的基本形式 根据应力与裂纹扩展面的取向不同，可以将裂纹扩展分为张开型(Ⅰ型)、滑开型(Ⅱ型)和撕滑开型(Ⅲ型)三种基本形式其中，以张开型(Ⅰ型)裂纹最为危险，容易引起脆性断裂，因此将其作为主要研究对象《工程材料及应用》 第一章 金属的力学性能,二、应力场强度因子KⅠ 当材料中存在裂纹时，在裂纹尖端产生应力集中，从而形成应力场，应力场的大小用应力场强度因子KⅠ来描述 其中： Y— 裂纹尖端的形状系数；σ—外加应力； a — 裂纹半长度 三、临界应力场强度因子KⅠC 临界应力场强度因子KⅠC——指裂纹扩展时材料能抵抗的应力场强度 注：临界应力场强度因子KⅠC是材料的本身的力学性能，由材料的成分、内部组织结构等决定《工程材料及应用》 第一章 金属的力学性能,断裂韧度的判据： 在此条件下，材料内部裂纹不会扩展，工件可以安全工作否则材料的裂纹在外力作用下会失稳扩展，导致工件断裂 该判据在生产中的具体应用： 1、可根据材料内部裂纹情况，由KIC计算构件能承受的最大应力σC 2、即使在外力σ较小时，如果裂纹长度a较大，也可能导致产生断裂，运用断裂韧性判据，可防止此类破坏的发生。

3、如果零件的工作情况满足断裂韧性判据，即使零件内部存在裂纹，也不会产生破坏，则原有零件可继续使用，节省材料 《工程材料及应用》 第一章 金属的力学性能,第五节 疲 劳,一、疲劳 —— 构件在交变应力的长期作用下，无明显塑性变形就突然断裂的现象 在实际生产中，有许多零件（如曲轴、弹簧、轴承等）都是在交变应力作用下工作的，这些零件容易发生疲劳断裂疲劳断裂是一种低应力脆断，具有很大的危害性《工程材料及应用》 第一章 金属的力学性能,二、疲劳的形成过程和断口特征 疲劳的形成过程一般分为三个阶段：①在工件表面的缺陷或应力集中部位，会产生微裂纹（疲劳源）；②在交变应力的长期作用下，疲劳裂纹逐渐扩展，而工件的有效截面积不断减小； ③裂纹扩展积累到一定程度后，工件将发生突然断裂 相应地，疲劳断口一般也分为三个区域：①裂纹形成区（疲劳源）；②裂纹扩展区（贝纹线）； ③瞬时断裂区《工程材料及应用》 第一章 金属的力学性能,疲劳裂纹的扩展机理（介绍）：,《工程材料及应用》 第一章 金属的力学性能,三、疲劳强度及其表示方法： 从疲劳曲线图上可以看出，当循环应力低于某一数值时，循环周次N可以达到很大，而试样仍然不会发生断裂，该应力值称为疲劳极限（疲劳强度）。

一般，钢铁材料的循环周次N=107次，而有色金属的循环周次N=108次 疲劳强度表。