第一节 金属的力学性能.doc

理 论 课 教 案
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学科
金属材料及热处理
第一章 金属的性能
第一节 金属的力学性能
教学类型
授新课
授课时数

授课班级级

教学目的
和要求
1、 了解力学性能的测定方法。
2、 掌握金属的力学性能及衡量指标。
教学重点
和难点
1、 重点：力学性能的概念及有关计算。
2、 难点：强度的计算及硬度的比较。
教具准备
挂图
复习提问
强度、硬度之间有何关系？
作业布置
P16 习题8、12
教学方法
主要教学内容和过程
附记

第一章 金属的性能
金属性能
使用性能：金属材料在使用条件下所表现出来的性能。（物理性能、化学性能、力学性能）[决定了它的使用范围、使用寿命]
工艺性能：金属在制造加工过程中反映出来的性能。（适应各种加工方法的性 能）[决定了它对各类加工方法的适应能力]
（铸造、锻造、焊接、切削加工、热处处理 理等）

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§1-1 金属的力学性能
力：物体间的相互作用，是一个物体对另一个物体的作用。
力学性能：金属在外力作用下所表现出来的性能。
（包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度）
载荷：金属材料在加工及使用过程中所受的外力
静载荷
冲击载荷　　　　载荷作用性质　　　　　　　　　　　
交变载荷　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
载荷作用形式：拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转
变形：金属材料受到载荷作用而产生的几何形状和尺寸的变化。（当然，载荷作用可使运动状态发生变化。）
弹性变形：随载荷的去除而消失的变形。
塑性变形：不能随载荷的去除而消失的变形。（永久变形、残余变形）
内力：金属受外力作用时，为保持其不变形，在材料内部作用着与外力相对抗的力（与外力相对应）。（随外力施加而产生，随外力去除而消失）
应力：单位面积上的内力。
σ=F/S
一、强度：
金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力。
载荷作用形式：抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度、抗压强度、抗扭强度

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一般：以抗拉强度作为判别金属强度高低指标。
（一般来说：抗拉强度高，其他强度也高）

抗拉强度：通过拉伸试验测定的
拉伸试验方法：静拉力对标准试样进行轴向拉伸，同时连续测量力和相应的伸长量，直至试验断裂，根据测得的数据，即可得出有关的力学性能。
1、拉伸试样（为了使测定的结果具有可比性。）
圆形 长试样：L0=10d0
矩形 短试样：L0=5d0

2、力一伸长曲线
z
o
F（N）
e
s
●
ΔL(mm)
Fe
Fs
Fb
●
﹋
●
b

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（1） oe—弹性变形阶段
Fe：发生弹性变形最大拉伸力
（2）eS—屈服阶段。（开始塑性变形）
屈服：载荷不增加或略有减小的情况下，试样还继续伸长的现象。
Fs：屈服载荷。
屈服后，材料开始出现明显的塑性变形
（3）Sb—强化阶段
形变强化：随着塑性变形增大，变形抗力也逐渐增加的现象。（举例：建筑用钢筋）
Fb：拉伸时的最大载荷
（4）bz—缩颈阶段
缩颈：载荷达到Fb后，试样直径发生局部收缩。
为什么：ΔL增加，F反而下降？
注意：有些无明显屈服现象
有些无明显屈服现象，也不产生“缩颈”。
F
△L
例如：

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3、强度指标：
（1） 弹性极限：最大弹性变形的抗力指标。
σe= （弹性零件）
[工作应力小于弹性极限]
刚度：零件受载荷时，抵抗弹性变形的能力，用弹性模量E衡量。
（E：表示产生单位弹性变形时所需应力的大小）
E越大，刚度大，弹性变形小。
（2） 屈服点：（有明显屈服现象材料）
σs=
[反映了金属材料抵抗微量塑性变形能力]
（工作应力小于σs）
（3）屈服强度（或称规定残余伸长应力）[无明显屈服]
σ0.2=
0.2的的含义：塑性伸长量为Lo的0.2%.
举例：F0.2如何找？σ0.2如何算？
σs与σ0.2都代表金属材料开始明显塑性变形抗力。
σs与σ0.2是零件设计的主要依据，也是评定金属材料性能的重要指标。
( 4 )抗拉强度：材料拉断前所能承受的最大应力。
σb=

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σb：零件设计和选材的重要依据，工作应力应小于σb，否则会断裂。
（5）屈强比：σs/σb
屈强比越小，结构零件的可靠性越高，万一超载，也能由于塑性变形使金属的强度提高而不致立刻破断。但太低，材料强度的有效利用率太低。
希望：屈强比高一些
屈强比：①碳钢：0.6 ③合金0.85
②低合金0.65—0.75
二、塑性
金属断裂前产生塑性变形（永久变形）的能力。
（断前，塑性变形量大的材料，塑性好）
具有塑性的好处：（5点）
① 在材料具有一定的塑性时，当偶尔遭受到过载荷时能发生塑性变形，它与形变强化相配合，避免工件突然断裂，从而保证了机件的安全。
② 由于零件不可避免地存在截面过渡、油孔、沟槽、尖角等，加载后出现应力集中，具有一定塑性，可以通过应力集中处的局部塑性变形来削减应力，使之重新分配，从而保证零件不致早期断裂。
③ 材料具有一定塑性，有利于某些成形工艺（如冷冲压、冷弯、校直等）、修复工艺和装配的顺利完成。
④ 塑性指标是金属材料生产的质量标志，它反映出材料的冶金质量的好坏（纯净度、加工质量与热处理水平）
⑤易于通过塑性变形加工成复杂形状零件。

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1、伸长率 （利用拉伸曲线）
δ=×100%
δ5=(1.2—1.5) δ10
2、断面收缩率
ψ= （S0-S1）/SO ×100%
δ、ψ值越大，塑性越好。
举例：计算教材P7例1。

·
F0.2
F0.2
·
F0.2
·
·
·
·
·
0．2%L
3
2
1
如图所示为三种不同材料的拉伸曲线，（试样的尺寸相同），试比较三种材料的抗拉强度、屈服点（屈服强度）、塑性的大小。

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解：尺寸相同，只要比较载荷大小及绝对伸长量即可。
σb2 > σb1 > σb3
σ0.2(1) > σs3 > σ0.2(2)
δ3 > δ2 > δ1
三、硬度
材料抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力，是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。（教材P7 ）
机械制造中，为使工具、零件能正常工作，并保持一定的寿命，都对硬度值提出一定的要求。
金属硬度虽没有确切的物理意义，但试验操作简单，无破坏性，故应用广泛。另外硬度与抗拉强度、疲劳强度存在一定的对应关系。
规律：硬度高，强度、耐磨性高。
试验方法：
①压入法：表征金属抵抗变形的能力（布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度、努氏硬度）
②回跳式：（肖氏硬度）
③刻划法：表征抵抗破裂能力（莫氏硬度）
1、布氏硬度
（1）测试原理：使用一定直径的球体（钢球或硬质合全球），以规定的实验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力；然后测量表面压痕直径来计算硬度。

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布氏硬度=试验载荷除以压痕球形表面积所得的商。
HBS（HBW）==0.102式中,d越小,布氏硬度值越高。
通常，布氏硬度值不标出单位。
实际应用中，布氏硬度不用计算，而是用专用的刻度放大镜量出压痕直径（d），查表，得硬度值。
例：d=2.60 HB=555 (P141页)

试验条件:
布氏硬度试验时，由于金属材料有硬有软，工件有厚有薄，有大有小，如果采用一种标准的载荷F和压头直径D，就会出现对硬的材料合适，而对极软的材料会发生钢球陷入被测材料内的现象；对厚的材料合适，对薄的材料会发生压透现象。
① 最小厚度值。
② 根据不同的材料和工件厚度选择不同的载荷、压头直径和载荷保持时间。
③ 压痕直径大小，应在0.24D < d < 0.6D范围内，否则无效。
④ F/D2的比值应为常数（表1-1）

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（2）布氏硬度的表示方法
170 HBS（HBW） 10 / 1000 / 30

时间30S
9807N(F)
布氏硬度值

钢球直径10mm

（3）应用范围：硬度不是很高的材料。
（4）优缺点：
优点：①硬度值代表性全面。 ②数据稳定。
③测量精度较高
④与其它力学性能有一定的关系，
HB≈3σb （σb单位为kgf/mm2）
缺点：①操作时间较长，对不同材料需要不同压头和试验力，压痕测量费时。 ②进行高硬度试验时，由于球体本身的变形使测量结果不准确。 ③因压痕大，不宜测成品及薄件。

2、洛氏硬度
（1） 测试原理：采用金刚石圆锥体或淬火钢球压头，压入金属表面后，经规定保持时间后卸除试验力，以测量的压痕深度来计算洛氏硬度值。

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对照图讲解
试验过程：
1）测量时，先加初试验力F0，压入深度为h1，（目的是消除因零件表面不光滑而造成的误差。）
2）然后，再加主试验力F1，在总试验力（F1+F0）的作用下，压入深度为h2.
3）卸除主试验力，由于金属弹性变形的恢复，使压头回升到h3的位置，则主试验力所引起的塑性变形的压痕深度
e=h3-h1 HR=
(K：0.2mm 金刚石圆锥体压头 K：0.26mm 钢球压头)
洛氏硬度计：结构简介
洛氏硬度没有单位，试验时硬度值直接从硬度计的表盘上读出。

（2）常用洛氏硬度标尺及其适用范围
为了用一台硬度计测定从软到极硬的村料的硬度，可采用不同的压头和载荷组成不同的洛氏硬度标尺，每一种标尺用一个字母在洛氏硬度符号HR后面加以说明（15种洛氏标尺）。常用的洛氏硬度标尺是A` B` C 三种。
各种不同标尺的洛氏硬度值不能直接比较,但可用实验测定的换算表相互转换。

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洛氏硬度表示方法:
45 HRC （C标尺洛氏硬度）

C标尺洛氏硬度
(3)优缺点
硬度值
优点:①压头、载荷多种，可以测出从极软到极硬的各种不同的材料硬度，不存在压头变形问题。
②压痕小，对于一般工件不会造成损伤。
③操作简单、迅速，可直接得出硬度值，生产效率高，适用于成批生产中的产品检验。
缺点：①不同的硬度标尺测得的硬度值无法统一进行比较。 ②因压痕小，对于具有粗大组织结构的材料或组织不均匀的材料，缺乏代表性。（采用不同部位测试多次，取平均值。）
HRC≈HB
3、维氏硬度
布氏硬度试验时，为了避免因钢球永久变形而影响硬度值的准确性，只可测量硬度小于450HBS或650HBW的金属材料。
洛氏硬度试验虽可测各种材料的硬度，但需采用不同的压头和载荷，标尺不同，硬度值之间彼此没有联系，没有可比性。
为了使从软到硬的各种金属材料有一个连续一致的硬度标准，制定了维氏硬度试验法。

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（1）测试原理：与布氏硬度基本相同。
将相对面夹角为1360的正四棱锥体金刚石压头以选定的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量压痕对角线的长度来计算硬度。
HV=0.1891
实际工作中，HV不用计算，查表查出。
维氏硬度试验力可根据试件的大小、厚薄及条件进行选择。
（2）表示方法：与布氏硬度相同
30kgf试验力
维氏硬度
硬度值
640 HV 30

（3）优缺点
优点：①不存在布氏硬度试验时载荷P和压头直径D所规定条件的结束、压头变形问题。
②不存在洛氏硬度试验硬度值无法统一的问题。
③载荷可以任意选取，材质也不论软硬。
④测量数据稳定可靠，精度高。
⑤因施加的试验力小，压入深度较浅，故可测较薄的材料，也可测渗碳、渗氮层硬度。
⑥维氏硬度具有连续性（10—1000HV），故可测定很软到很硬的材料硬度，且准确性高。

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缺点：①测量压痕对角线的长度较繁。
②须测长度查表（或计算）得硬度值，测量效率不高。
③压痕小，对试件表面质量要求较高。（Ra<0.2μm）

前面所讲的强度、塑性、硬度等是在静载荷作用下材料所表现出的抵抗能力。实践中，有许多机械零件在工作中要受到冲击载荷的作用，如汽车的起动、刹车、速度的突然改变等，都会使零件受到冲击。还有一些机械零件本身就是利用冲击能量来进行工作的，如锻锤、冲床等。在这样的工作条件下，如仍只考虑金属材料静载荷的力学性能，将不能满足使用要求，这时必须考虑在冲击载荷作用下金属材料的抵抗能力。
四、冲击韧性
金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。
1、 冲击试样：
为了比较不同材料的冲击韧度值，必须采用一定尺寸和形状的试样。（标准试样）
尺寸：10mm×10mm ×55mm
缺口：U型，V型（国外）
缺口作用：冲击时使试样在缺口附近造成应力集中，使塑性变形局限在缺口附近不大的体积范围内，并保证在缺口处发生破断，以便正确测定材料承受冲击载荷的能力。

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2、 冲击试验的原理及方法
冲击试验是利用能量守恒原理：试样被冲断过程中吸收的能量等于摆锤冲击试样前后的势能差。
冲击试验：①将待测的金属材料加工成标准试样。
②将标准试样放置在试验机的支座上，放置时试样缺口应背向摆锤的冲击方向。
③将具有一定G的摆锤升至一定的高度H1
④摆锤自由落下将试样冲断。
AK=GH1-GH2=G（H1-H2）
aK=（J/cm2）[冲击韧度]
aK越大，表明材料的冲击韧性越好。
aK有：aKV和aKU
3、小能量多次冲击试验
实践证明：承受冲击载荷的零件，很少因一次大能量冲击而遭破坏，绝大多数是在一次冲击不足以使零件破坏的小能量多次冲击作用下破坏的。

举例：45Cr制作的模锻锤杆，工作时要受到冲击载荷的作用，按照旧的工艺，通常进行调质处理，硬度为20～23HRC， aK=130J/cm2 ，结果使用寿命仅一个月。现根据小能量多次冲击的观点，改变热处理工艺为淬火后中温回火，其硬度为45HRC，aK=40J/cm2 ，经对照，采用后一种热处理工艺，工件的强度、硬度提高了，虽然aK降低，但使用寿命提高到八个月以上。

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这说明在小能量多次冲击条件下，冲击抗力不取决于aK的大小。它们的破坏是由于多次冲击损伤的积累，导致裂纹的产生与扩展的结果，根本不同于一次冲击的破坏过程。（影响因素：加载速度、体积因素、加载过程引起的振动等）
实践表明：一次冲击韧度高的材料，小能量多次冲击抗力不一定高，反过来也一样。
因此，需用小能量多次冲击试验来检验此类金属的抗冲击能力。
试验原理：试样在冲头多次冲击下断裂时，经受的冲击次数（N）代表抗冲击能力。
实践证明：①大能量冲击：冲击抗力取决于aK
②小能量多次冲击：冲击抗力取决于强度、塑性。
五、疲劳强度
1、疲劳的概念
交变应力：许多机械零件，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力。
金属的疲劳：在交变应力作用下，虽然工作应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象。
疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一，约80%以上属于疲劳破坏。
2、疲劳破坏的特征
（1）疲劳破坏往往是在工作应力低于材料屈服强度的情况下发生。
（2）疲劳断裂是在事先无明显塑性变形的情况下突然发生，故具有很大的危险性。

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（3）零件表面状态对疲劳强度的影响较大，如表面擦伤（刀痕、打记号、磨裂等）、表面粗糙度、加工纹路、腐蚀等等，表面很小的伤痕都会造成尖锐的缺口，产生应力集中，使疲劳强度大大下降。
（4）疲劳破坏的宏观断口由两部分组成，即疲劳裂纹的策源地及扩展区（光滑部分）和最后断裂区（粗糙部分）。
疲劳破坏的原因：是由于材料表面或内部有缺陷（夹杂、划痕、显微裂纹等），这些地方的局部应力大于屈服点，从而产生局部塑性变形而导致开裂。这些微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至最后承载的载面减小到不能承受所加载荷而突然断裂。
3、疲劳曲线和疲劳极限
疲劳曲线：交变应力与循环次数的关系曲线
曲线表明：金属承受的交变应力越小，则断裂前的应力循环次数N越多。反之，N越少。

疲劳极限：金属材料在无限多次交变应力作用下而不破坏的最大应力。

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当应力为对称循环时，用σ-1表示。
(σ-1≈0.5σb )
实际上，金属材料不可能作无数次交变载荷试验。
一般规定：黑色金属，规定应力循环107周次而不断裂的最大应力，有色金属、不锈钢取108周次
影响疲劳极限的因素：
①工作条件 ②表面状态 ③材料成分
④组织 ⑤残余内应力等
提高疲劳极限的方法：
①改善零件的结构形成 ②降低零件表面粗糙度
③采用各种表面强化的方法
附：次负荷锻炼
零件低于б-1或接近б-1的次负荷下运转一定次数后使机件疲劳抗力提高，称为次负荷锻炼。
次负荷犹如轻度冷加工一样，提高了强度极限бb，也使疲劳抗力提高。因此，新机器利用此规律，使机器在空载或不满载条件下跑合一段时间，一方面使机器各部分磨合打掉毛刺，另一方面提高疲劳抗力，延长机器的使用寿命。
举例：退火含碳量为0.32%碳钢, б-1≈230MPa,在过负荷应力为380MPa时寿命为12500次，但在稍低于б-1的条件下经106次运转以后，将应力提高一点，再运转106，一直将应力提高到380MPa，又运转了42×106次试样才断。

实验表明：次负荷锻炼只有通过适当方式（应力、周次、适当配合）才有效。

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总结：对照表1-3讲解总结主要力学性能的符号、含义、单位等。

强度：σb （抗拉）
σS （屈服点） MPa
σ0.2 (屈服强度、规定残余伸长应力)

塑性：δ 伸长率　　　　　百分数
ψ　　 断面收缩率

硬度：HBS（HBW）：布氏硬度
洛氏硬度
无单位
HRC
HRB
HRA
HV 维氏硬度
冲击韧性： 冲击韧度 aK J/cm2
疲劳强度： 疲劳极限 б-1 MPa

HB ≈ 3σb ≈ 6б-1
HRC ≈ 1/10 HB
б-1 ＝ 0.5 σb

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