工程材料学-1材料的力学性能

工程材料学南京航空航天大学梁文萍材料的静载力学性能◇拉伸试验◇硬度材料的动载载力学性能◇冲击试验◇疲劳试验断裂韧性第一章材料的力学性能学习目的和要求1.理解材料常用力学性能指标的物理意义。2.了解强度、塑性、硬度及冲击韧性指标的测试方法以及使用这些指标时应注意的局限性，重点掌握布氏硬度和洛氏硬度的优缺点、相互关系以及应用场合。材料的性能：材料在外界因素作用下所表现出来的行为。力学性能物理性能化学性能工艺性能§1－1材料的力学性能1.1.1概念与定义材料的力学性能：材料在一定环境因素下承受外加载荷所表现出来的行为，通常表现为变形（几何形状和尺寸的变化）与断裂。1.1.1概念与定义材料的力学性能：1.1.1概念与定义材料用于结构零件时，其力学性能是工程设计的基本依据；以其它性能如物理、化学性能作为主要使用要求时，其力学性能同样也是设计的重要参考依据。不同的工作条件和环境下，对力学性能的要求与侧重各有不同。1.1.2材料力学性能指标§1－2材料的静载力学性能静载荷：是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。材料的静载力学性能指标：主要有强度、塑性、硬度等。1.2.1拉伸试验1.2.1拉伸试验标准拉伸试样GB/T228-2002拉伸曲线应力-应变曲线应力σ＝F/S0应变ε＝Δl/l01.2.1拉伸试验1.2.1拉伸试验试样在拉伸时的伸长和断裂过程a）试样b）伸长c）产生缩颈d）断裂拉伸曲线分成弹性变形、屈服、均匀塑性变形和局部塑性变形等四个阶段。1.2.1拉伸试验45号钢的外力-伸长曲线1.2.1拉伸试验1．弹性变形阶段（曲线ob段）在这个阶段中试样的变形是弹性的。如果在试验过程中卸除拉力F，则试样的伸长便消失，试样标距恢复到原长L0，不产生残余伸长。超过b点它就会产生塑性变形。b点所对应的外力为试样产生弹性变形的极限外力，以Fe表示。1.2.1拉伸试验1．弹性变形阶段（曲线ob段）在弹性变形阶段内的oa段，试样的伸长与外力成正比例直线关系，即每增加一定外力，就对应一定的伸长量，因此，oa段也称为线弹性变形阶段。一旦外力超过曲线上的a点时，正比例关系就破坏了。而该点对应的外力Fp称为比例变形的极限外力。ab段为弹性变形的非线性阶段，此阶段很短，一般不容易观察到。2．屈服阶段（曲线cd段）1.2.1拉伸试验当拉力超过Fe后继续增加，达到Fs（即曲线上c点）时，试样的伸长突然增加。在拉伸曲线上表现为一横平线段cd。它说明此时拉力虽然没有增加，但试样好象屈服于外力而自行伸长，这种现象称为屈服现象。cd段称为屈服阶段，它所对应的外力称为屈服力，以Fs表示。2．屈服阶段（曲线cd段）1.2.1拉伸试验其实，试样在超过弹性极限的外力作用下，即在bc段．就已开始产生塑性变形。不过，此时所产生的塑性变形量甚微，不易觉察罢了。而当达到屈服阶段时，则塑性变形突然增加。因此，可以把这种拉力不增加而变形仍能继续增加的现象，表观上看作是金属从弹性变形阶段到塑性变形阶段的—个明显标志。3．均匀塑形变形阶段（曲线de段）1.2.1拉伸试验试样在屈服力Fs作用下，屈服变形直至d点，至此，屈服阶段已告结束。此后必须进一步增加拉力才能使试样进一步伸长。在de这一阶段中，金属变形具有另一种特点．即随着变形量的增加金属不断强化，这种现象称为加工硬化（或变形强化）。表现在拉伸曲线上就是de段不断上升。3．均匀塑形变形阶段（曲线de段）1.2.1拉伸试验在此阶段中，试样的一部分产生塑性变形，虽然这一部分截面减小，使此处承受负荷能力下降。但由于变形强化的作用而阻止塑性变形在此处继续发展，使变形推移到试样的其它部位。这样、变形和强化交替进行，就使试样各部位产生了宏观上均匀的塑性变形。曲线上的d点是屈服阶段结束点也是加工硬化开始点。4．局部塑形变形阶段（曲线ef段）1.2.1拉伸试验在de里，随着变形量的增加，变形强化能力逐渐减小，终于发生变形强化跟不上变形的发展，从而塑性变形集中在试样的某一部位进行，致使该处截面不断减小，而形成“缩颈”现象。这样，试样从产生缩颈开始就结束了均匀塑性变形阶段而进入局部塑性变形阶段，其分界处就是拉伸曲线上最高的e点。4．局部塑形变形阶段（曲线ef段）1.2.1拉伸试验在这一阶段，变形将全部局限于试样的缩颈处．使缩颈部位的横截面积急剧减小。因此外力F不断降低，缩颈部位仍继续伸长，最后就在缩颈处产生断裂。拉伸曲线上与e点相对应的外力Fb．为试样断裂前所能承受的最大拉力。1.2.1拉伸试验应力-应变曲线低碳钢的应力-应变曲线1.2.1拉伸试验应力-应变曲线将拉伸力—伸长曲线的纵、横坐标分别用拉伸试样的原始截面积S0和原始标距长度L0去除，则得到应力-应变曲线。因均系以一常数相除，故曲线形状不变。这样的曲线称为工程应力-应变曲线。应力σ＝F/S0应变ε＝ΔL/L01.弹性指标：弹性变形:随完全卸载而消失的变形。弹性:金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。刚性:材料抵抗弹性变形的能力。比例极限σp：金属拉伸曲线的初始阶段，力与变形成直线比例关系，而这个阶段的最大应力称为比例极限。弹性极限σe：完全卸载后不出现任何明显残余应变的最大应力,即:1.弹性指标：oeeSF弹性模量E（在工程上也称材料的刚度）：应力-应变曲线上完全弹性变形阶段,应力与应变的比值,即:EE主要取决于金属的本身性质，难以通过合金化、热处理和加工的办法使之改变。1.弹性指标：弹性模量E（在工程上也称材料的刚度）：它表示材料在外载荷F作用下抵抗弹性变形的能力。材料的弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，所以说它是一个对组织不敏感的性能指标，这是弹性模量在性能上的主要特点。改变材料的成分和组织会对材料的强度（如屈服强度、抗拉强度）有显著影响，但对材料的刚度影响不大。1.弹性指标：2.强度指标：强度：表征材料对变形和断裂的抗力的指标，单位为MPa或N/mm2。屈服强度σs：试样屈服时承受的最小应力。表征材料对明显塑性变形的抗力。屈服是指拉伸过程中，应力不增加或有所下降而试样能继续变形的状态。2.强度指标：条件屈服强度σ0.2：某些材料在拉伸试验中没有明显的屈服现象，规定产生0.2%的残余变形时材料所承受的应力。强度极限（抗拉强度）σb：试样能承受的最大应力。表征材料对最大均匀变形的抗力。2.强度指标：比强度：材料的强度值与密度值之比名称密度(g/cm3)强度(MPa)比强度纯铝2.780～10030～37纯铁7.87180～28023～36纯钛4.5405～50090～111塑性变形：不可恢复的永久变形。塑性是表征材料断裂前具有塑性变形的能力。3.塑性指标：断后伸长率δ（δ5、δ10）：断后试样标距伸长量与原始标距之比的百分率，即：%10000LLLKδ2~5%属脆性材科δ≈5~10%属韧性材料δ10%属塑性材料3.塑性指标：断面收缩率ψ：断后试样横截面积的最大缩减量与原始横截面积之比的百分率，即：%10000SSSK材料的塑性指标一般不直接用于机械设计计算。零件遭受意外过载或冲击时，通过塑性变形可以避免突然断裂。材料具有一定塑性可保证某些成型工艺（如冷冲压、轧制、冷弯等）顺利进行。对于金属材料，塑性指标还反映了其冶金质量的好坏。3.塑性指标：力学性能性能指标说明符号名称强度σb抗拉强度试样在拉断前承受的最大应力值σs屈服强度材料开始产生屈服现象时的应力σ0.2条件屈服强度对于无明显屈服的材料，规定残余应变为0.2时所对应的应力值塑性δ（δ5、δ10）断后伸长率试样断后标距与原始标距之比的百分率，试样的长度/直径比为5、10时记为δ5、δ10ψ断面收缩率试样拉断处横截面积减缩量与原始横截面积的百分比弹性σe弹性极限产生完全弹性变形时所能承受的最大应力σp比例极限产生弹性变形并完全符合虎克定律时所能承受的最大应力刚性E弹性模量完全弹性变形时应力与应变的比值，表征材料对弹性变形的抗力拉伸试验的主要力学性能指标小结1.2.2硬度硬度是材料表面抵抗局部压入变形或刻划破裂等的能力。工程中常用的硬度指标有：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度硬度的种类及测试方法硬度试验方法压入法划痕法加载速率静载试验法动载试验法布氏硬度洛氏硬度维氏硬度显微硬度肖氏硬度锤击布氏硬度莫氏硬度材料抵抗破断的能力材料变形功的大小材料表明局部地区抵抗变形的能力HB=F/S压痕深度布氏硬度计1.布氏硬度(Brinell-hardness)用于测定硬度不高的金属材料。主要有铸铁、有色金属、低合金结构钢、结构调质钢等。测定原理：用一定大小的载荷P，把直径为D的淬火钢球压入被测金属的表面，保持一定的时间后卸除载荷，用金属压痕的表面积，除载荷所得的商值即为布氏硬度值。1.布氏硬度(Brinell-hardness)布氏硬度测量示意图)(222dDDDFSFHBW适用范围:＜450HBS＜650HBW布氏硬度测试规范：根据材料的软硬和试样的不同选择合适的载荷P与钢球直径D。d/D应在0.24~0.6之间。布氏硬度值的表示方法符号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）、载荷及（N）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。布氏硬度的特点为了使同一材料用不同的P和D值测得的HB值相同，应使P/D2=常数。压坑面积大，误差小，但不宜检验成品、小件、薄件；HB650不适；多用于毛坯及原材料。h1-h0洛氏硬度测试示意图2.洛氏硬度HR(Rockwellhardness)测试原理：用一定规格的压头，在一定载荷作用下压入试样表面，然后测定压痕的深度来计算并表示其硬度的大小，用符号HR来表示。主要有HRA、HRB、HRC、HRF等。2.洛氏硬度HR(Rockwellhardness)洛氏硬度值的表示方法硬度值可从洛氏硬度计的百分度盘上直接读出，标记时将硬度值置于HR前。例：60HRC、75HRA洛氏硬度的特点迅速方便，可直接读数；压坑小，适于薄材或成品的检测；误差稍大，宜不同部位多点测量取平均值。2.洛氏硬度HR(Rockwellhardness)3.维氏硬度HV(Viker’shardness)测试原理：维氏硬度测试原理与布氏硬度相同，不同点是压头为金刚石四方角锥体，所加负荷较小。所测硬度值精确。改变负荷可测定从极软到极硬材料的硬度。3.维氏硬度HV(Viker’shardness)维氏硬度值的表示方法硬度值+HV+试验力（kgf）数字+载荷保持时间例：640HV30/20适用范围:测量薄板类HV≈HBS维氏硬度的特点HV值不随载荷变化，即不同载荷下的HV可相互比较；测量精度高，测量范围广；特别适用于测定工件表面硬化层、金属镀层及薄片金属的硬度。4.显微硬度测试原理：与维氏硬度完全相同，只是所用载荷要小得多。常用于测定材料中某个相的硬度。测试原理：里氏硬度试验也是动载荷试验法，它是用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定速度冲击试样表面，用冲头(碳化钨球)的回弹速度表征金属的硬度值。里氏硬度的符号为HL。里氏硬度计均为手提式，使用方便，可在现场测量大型工件的硬度。5.里氏硬度（Leeb’shardness）:5.里氏硬度（Leeb’shardness）:1000ARvvHL几种硬度指标小结硬度种类硬度符号压头类型载荷/kgf硬度值有效范围典型应用布氏HBS10mm淬火钢球1000450退火、正火或调质钢件HBW10mm硬质合金球1000650淬火钢等较硬材料洛氏HRA120。金刚石圆锥6070-85硬质合金、表面淬火钢HRB1.588mm淬火钢球10025-100退火钢、有色合金HRC120。金刚石圆锥15020-67一般淬火钢件维氏HV136°金刚石四棱锥5－1200-1000经表面处理后的材料表面层§1－3动载力学性能动载荷是指由于运