金属材料的力学性能

第一章金属材料的力学性能使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。金属材料的力学性能是指在承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时，对变形与断裂的抵抗能力及发生变形的能力。概述材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。力学性能材料在力的作用下，诸如不同载荷所造成的弹性变形、塑性变形、断裂（脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂等）以及金属抵抗变形和断裂能力的衡量指标。常用的力学性能有：强度、刚度、弹性、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳极限等。强度与塑性强度是指金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。塑性是指金属材料在静载荷作用下产生塑性变形而不致引起破坏的能力。金属材料的强度和塑性的判据可通过拉伸试验测定。一、拉伸实验（GB/T228-2002）1.拉伸试样（GB6397-86）长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0返回上一页下一页回主页万能材料试验机a)WE系列液压式b)WDW系列电子式2.力－伸长曲线弹性变形阶段屈服阶段颈缩现象拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。强化阶段返回上一页下一页回主页(a)试样(b)伸长(c)产生缩颈(d)断裂拉伸试样的颈缩现象ΔLF03.脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。返回上一页下一页回主页应力=P/F0应变=(l-l0)/l01.弹性极限σe弹性极限是指在产生完全弹性变形时材料所能承受的最大应力，即：式中Fe——试样完全弹性变形时所能承受的最大载荷，N；Ao——试样原始截面积，mm2。oeeAF二、强度在实际工程应用中，在最大许用应力条件下是否产生或产生多大微量塑性变形是重要的，具有实际意义。强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，是工程技术上重要的力学性能指标。按照载荷的性质，材料强度有静强度、疲劳强度等；按照环境条件，材料强度有常温强度、高温强度等，高温强度又包括蠕变极限和持久强度。除了上述材料强度外，还有机械零件和构件的结构强度。工程上常用的强度指标有强度指标有屈服强度、规定残余延伸强度、抗拉强度等。材料强度的大小通常用单位面积上所承受的力来表示，其单位为N/m2(Pa)，但Pa这个单位太小，所以实际工程中常用MPa（MPa=106Pa）作为强度的单位。一般钢材的屈服强度在200～2000MPa之间，如建造2008年北京奥运会主体育场“鸟巢”外部钢结构的Q460E钢，其屈服强度为460MPa。（1）屈服现象在金属拉伸试验过程中，当应力超过弹性极限后，变形增加较快，此时除了弹性变形外，还产生部分塑性变形。当外力增加到一定数值时突然下降，随后，在外力不增加或上下波动情况下，试样继续伸长变形，在力－伸长曲线出现一个波动的小平台，这便是屈服现象。2.屈服强度（2）屈服强度在拉伸曲线上，与上、下屈服点相对应的应力称为上、下屈服强度，分别用ReH和ReL表示。ReH和ReL的计算公式如下：0eLeL0HHSFRSFRee（3）规定残余延伸强度对于高碳淬火钢、铸铁等材料，在拉伸试验中没有明显的屈服现象，无法确定其屈服强度。国标GB228-2002规定，一般规定以试样达到一定残余伸长率对应的应力作为材料的屈服强度，称为规定残余延伸强度，通常记作Rr。例如Rr0.2表示残余伸长率为0.2%时的应力。例如Rr0.2表示规定残余延伸率为0.2％时的应力。其计算公式为：Rr0.2＝F0.2/S0（N/mm2）式中：F0.2－残余延伸率达0.2％时的载荷（N）；S0－试样原始横截面积（mm2）。ΔLF0F0.20.2%L0F0.2S0Rr0.2=工程上各种构件或机器零件工作时均不允许发生过量塑性变形，因此屈服强度ReL和规定残余延伸强度Rr是工程技术上重要的力学性能指标之一，也是大多数机械零件选材和设计的依据。ReL和Rr常作为零件选材和设计的依据。传统的强度设计方法，对韧性材料，以屈服强度为标准，规定许用应力[σ]=ReL/n，安全系数n一般取2或更大。3.抗拉强度材料在断裂前所能承受的最大应力，用符号Rm表示。Rm=FbS0计算公式抗拉强度Rm的物理意义是塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力。铸铁等脆性材料拉伸过程中一般不出现缩颈现象，抗拉强度就是材料的断裂强度。断裂是零件最严重的失效形式，所以，抗拉强度也是机械工程设计和选材的主要指标，特别是对脆性材料来讲。强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，一般钢材的屈服强度在200～1000MPa之间。强度越高，表明材料在工作时越可以承受较高的载荷。当载荷一定时，选用高强度的材料，可以减小构件或零件的尺寸，从而减小其自重。因此，提高材料的强度是材料科学中的重要课题，称之为材料的强化。4.强度的意义（二）衡量指标金属材料断裂前发生永久变形的能力。断面收缩率：伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。返回上一页下一页回主页（一）定义三、塑性断后伸长率（A）l1-l0l0×100%A=l1——试样拉断后的标距,mm;l0——试样的原始标距,mm。返回上一页下一页回主页同一材料的试样长短不同，测得的断后伸长率略有不同。由于大多数韧性金属材料的集中塑性变形量大于均匀塑性变形量，因此，比例试样的尺寸越短，其断后伸长率越大，用短试样（L0＝5d0）测得的断后伸长率A略大于用长试样（L0＝10d0）测得的断后伸长率A11.3。断面收缩率（Z）S0-S1S0Z=×100%S0——试样原始横截面积,mm2；S1——颈缩处的横截面积,mm2。返回上一页下一页回主页塑性的意义任何零件都要求材料具有一定的塑性。很显然，断后伸长率A和断面收缩率Z越大，说明材料在断裂前发生的塑性变形量越大，也就是材料的塑性越好。意义：a）安全，防止产生突然破坏；b）缓和应力集中；c）轧制、挤压等冷热加工变形。四、刚度刚度是指材料抵抗弹性变形的能力，金属材料刚度的大小一般用弹性模量E表示。在拉伸曲线上，弹性模量就是直线（OP）部分的斜率。对于材料而言，弹性模量E越大，其刚度越大。）（MPatgE弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。材料弹性模量E/105MPa弹性极限σe/MPa中碳钢2.1310弹簧钢2.1965硬铝0.724125铜1.127.5铍青铜1.2588磷青铜1.01450结构的刚度除取决于组成材料的弹性模量外，还同其几何形状、截面尺寸等因素以及外力的作用形式有关，在弹性模量E一定时，零件或构件的截面尺寸越大，其刚度越高。对于一些须严格限制变形的结构（如机翼、高精度的装配件等），须通过刚度分析来控制变形。许多结构（如建筑物、船体结构等）也要通过控制刚度以防止发生振动、颤振或失稳。小结强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。在金属材料的工程应用中，要提高强度，就要牺牲一部分塑性。反之，要改善塑性，就必须牺牲一部分强度。正所谓“鱼和熊掌二者不能兼得”。但通过细化金属材料的显微组织，可以同时提高材料的强度和塑性。通常情况下金属的伸长率不超过90%，而有些金属及其合金在某些特定的条件下，最大伸长率可高达1000%～2000%，个别的可达6000%，这种现象称为超塑性。由于超塑性状态具有异常高的塑性，极小的流动应力，极大的活性及扩散能力，在压力加工、热处理、焊接、铸造、甚至切削加工等很多领域被中应用。延伸阅读GB/T228-2002新标准GB/T228-1987旧标准名称符号名称符号屈服强度①－屈服点σs上屈服强度ReH上屈服点σsU下屈服强度ReL下屈服点σsL规定残余延伸强度Rr规定残余延伸应力σr抗拉强度Rm抗拉强度σb断后伸长率A或A11.3断后伸长率δ5或δ10断面收缩率Z断面收缩率ψ材料抵抗表面局部塑性变形的能力。五、硬度（一）布氏硬度（二）洛氏硬度1.原理2.应用3.优缺点1.原理2.应用3.优缺点返回上一页下一页回主页（一）布氏硬度①布氏硬度试验是指用一定直径的硬质合金球以相应的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量的表面压痕直径计算硬度的一种压痕硬度试验。返回上一页下一页回主页布氏硬度试验原理图1.原理布氏硬度=FS凹=2FπD[D-（D²-d²）½]（一）布氏硬度返回上一页下一页回主页布氏硬度实际测试时，硬度值是不用计算的，利用刻度放大镜测出压痕直径d，根据值d查平面布氏硬度表即可查出硬度值（详见附表B）。目前，金属布氏硬度试验方法执行时GB/T231-2002标准，用符号HBW表示，布氏硬度试验范围上限为650HBW。测量比较软的材料。测量范围650HBW的金属材料。3.优缺点2.应用压痕大，测量准确，但不能测量成品件。返回上一页下一页回主页1.原理（二）洛氏硬度返回上一页下一页回主页加初载荷加主载荷卸除主载荷读硬度值返回上一页下一页回主页2.应用范围20~671500N120°金刚石圆锥体HRC25~1001000N1.588mm钢球HRB70~85600N120°金刚石圆锥体HRA返回上一页下一页回主页常用洛氏硬度标度的试验范围优点：操作简便、迅速，效率高，可直接测量成品件及高硬度的材料。3.优缺点缺点：压痕小，测量不准确，需多次测量。返回上一页下一页回主页（三）维氏硬度(HV)(1)测试原理和布氏硬度试验原理基本相同。(2)表示方法例如：640HV30/20。(3)适用范围用于测量金属镀层薄片材料和化学热处理后的表面硬度。维氏硬度测试原理示意各硬度值之间大致有以下关系：布氏硬度值在200～450HBW范围内，HBW=10HRC；布氏硬度值小于450HBW，HBW≈HV引言：强度、硬度、塑性等力学性能指标都是材料在静载荷作用下的表现。材料在工作时还经常受到动载荷的作用，冲击载荷就是常见的一种。静载荷包括不随时间变化的恒载（如自重）和加载变化缓慢以至可以略去惯性力作用的准静载（如锅炉压力）；六、冲击韧性动载荷动载荷包括短时间快速作用的冲击载荷（如空气锤）、随时间作周期性变化的周期载荷（如空气压缩机曲轴）其对材料的作用效果或破坏效应大于静载荷。冲击载荷冲击韧性的概念冲击试验温度对金属材料韧性的影响提高金属材料韧性的措施1.冲击载荷在很短时间内作用物体上的载荷称为冲击载荷。加载时间短，加载速率高；有时利用，有时尽量避免或减小。载荷作用效果大，所以必须考虑材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，即冲击韧性。冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载时间短、加载速率高、应力集中。由于加载速率提高，金属形变速率也随之增加，一般冲击试验时金属形变速率ε=102～104s-1。提高应变率将使金属材料的变脆倾向增大，因此冲击载荷对材料的作用效果或破坏效应大于静载荷。2.冲击韧性的概念材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，称为冲击韧性。示例：玻璃在冲击载荷作用下非常容易破裂，说明其冲击韧性很低。3.冲击试验冲击试样冲击试验原理一次摆锤冲击试验冲击韧性的表示方法如不能制备标准试佯，可采用宽度7.5mm或5mm等小尺寸试祥,试样的其他尺寸及公差与相应缺口的标准试样相同，缺口应开在试样的窄面上。其中5mm×10mm×55mm试样常用于薄板材料的检验。焊接接头冲击试样的形状和尺寸与相应的标准试样相同，但其缺口轴线应当垂直焊缝表面。原理冲击韧性可以通过一次摆锤冲击试验来测定，试验时将带有U型或V型缺口的冲击试样放在试验机架的支座上，将摆锤升至高度H1，使其具有势能mgH1；然后使摆锤由此高度自由下落将试样冲断，并向另一方向升高至H2，这时摆锤的势能为mgH2。所以，摆