1、金屬材料的力學性能金屬材料的力學性能體育裝備材料體育裝備材料主講教師：王虹主講教師：王虹Email： Tel:OAD ENERGY概述概述u 使用性能：材料在使用過程中所表現使用性能：材料在使用過程中所表現的性能。包括力學性能、物理性能和的性能。包括力學性能、物理性能和化學性能。化學性能。u 工藝性能：材料在加工過程中所表現工藝性能：材料在加工過程中所表現的性能。包括鑄造、鍛壓、焊接、熱的性能。包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削性能等。處理和切削性能等。神舟一號飛船ROAD ENERGYu 材料在外力的作用下將發生形狀和尺寸變化，稱為材料在外力的作用下將發生形狀和尺寸

2、變化，稱為變形變形。u 外力去除后能夠恢復的變形稱為外力去除后能夠恢復的變形稱為彈性變形彈性變形。u 外力去除后不能恢復的變形稱為外力去除后不能恢復的變形稱為塑性變形塑性變形。五萬噸水壓機概述概述ROAD ENERGY概述概述u如何評定材料的力學性能？如何評定材料的力學性能？ROAD ENERGYu 強度：強度：材料在外力作用下抵抗變材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。形和破壞的能力。u 屈服強度屈服強度 s s：材料發生微量塑性變材料發生微量塑性變形時的應力值。形時的應力值。u 條件屈服強度條件屈服強度 0.20.2：殘余變形量為殘余變形量為0.2%0.2%時的應力值。時的應力值。u 抗拉

3、強度抗拉強度 b b：材料斷裂前所承受的材料斷裂前所承受的最大應力值。最大應力值。s0.2一、彈性和塑性一、彈性和塑性ROAD ENERGYu 彈性：彈性：指標為彈性極限指標為彈性極限 e e，即，即材料材料承受最大彈性變形時的應力。承受最大彈性變形時的應力。u 剛度：剛度：材料受力時抵抗彈性變形的材料受力時抵抗彈性變形的能力。能力。指標為彈性模量指標為彈性模量E E* *慣性矩慣性矩I I。 ）（MPaE tane彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對彈性模量的影響很小。可以通過增加橫截面積或改變截面形狀來提高零件的剛度

4、。 一、彈性和塑性一、彈性和塑性ROAD ENERGY低碳鋼的應力-應變曲線拉伸試樣拉伸試驗機應力 = P/F0應變 = (l-l0)/l0ROAD ENERGY塑性：塑性：材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。指標為：指標為： 伸長率：伸長率：%100001 lll %100010FFF斷面收縮率：斷裂后拉伸試樣的頸縮現象一、彈性和塑性一、彈性和塑性ROAD ENERGYu 說明：說明：u 用斷面收縮率表示塑性比伸長率更接近真實變形。用斷面收縮率表示塑性比伸長率更接近真實變形。u 直徑直徑d d0 0 相同時，相同時，l l0 0 ， 。只有當。只有

5、當l l0 0/d/d0 0 為常數時，塑為常數時，塑性值才有可比性。性值才有可比性。u 當當l l0 0=10d=10d0 0 時，伸長率用時，伸長率用 表示；表示；u 當當l l0 0=5d=5d0 0 時，伸長率用時，伸長率用 5 5 表示。顯然表示。顯然 5 5 時，無頸縮，為脆性材料表征時，無頸縮，為脆性材料表征 450的試驗h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計n 洛氏硬度用符號洛氏硬度用符號HRHR表示表示n 根據壓頭類型和主載荷不同，分為九個標尺，常用的標尺為根據壓頭類型和主載荷不同，分為九個標尺，常用的標尺為A A、B B、C C。 ROAD ENERGYn符號符號HRHR前

6、面的數字為硬度值，后面為前面的數字為硬度值，后面為使用的標尺。使用的標尺。lHRA用于測量高硬度材料, 如硬質合金、表淬層和滲碳層。lHRB用于測量低硬度材料, 如有色金屬和退火、正火鋼等。lHRC用于測量中等硬度材料，如調質鋼、淬火鋼等。l洛氏硬度的優點：操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。l缺點：測量結果分散度大。鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕二、硬度二、硬度ROAD ENERGY二、硬度二、硬度n 洛氏硬度的分類及應用洛氏硬度的分類及應用ROAD ENERGY二、硬度二、硬度n 布氏硬度與洛氏硬度的比較布氏硬度與洛氏硬度的比較u 洛式硬度壓痕很小，測量值有局部性，須測數點求平均值，適用成品和

7、薄片，歸于無損檢測一類；布式硬度壓痕較大，測量值準，不適用成品和薄片，一般不歸于無損檢測一類。u 洛式硬度的硬度值是一無名數，沒有單位。（因此習慣稱洛式硬度為多少度是不正確的。） 布式硬度的硬度值有單位，且和抗拉強度有一定的近似關系。ROAD ENERGY二、硬度二、硬度n 布氏硬度與洛氏硬度的比較布氏硬度與洛氏硬度的比較u 洛式硬度直接在表盤上顯示、也可以數字顯示，操作方便，快捷直觀，適用于大量生產中。布式硬度需要用顯微鏡測量壓痕直徑，然后查表或計算，操作較繁瑣。u 在一定條件下，HB與HRC可以查表互換。其心算公式可大概記為：1HRC1/10HB。 u 硬度試驗是機械性能試驗中最簡單易行的

8、一種試驗方法。為了能用硬度試驗代替某些機械性能試驗，生產上需要一個比較準確的硬度和強度的換算關系。ROAD ENERGY二、硬度二、硬度n 布氏硬度與洛氏硬度的比較布氏硬度與洛氏硬度的比較u 實踐證明，金屬材料的各種硬度值之間，硬度值與強度值之間具有近似的相應關系。因為硬度值是由起始塑性變形抗力和繼續塑性變形抗力決定的，材料的強度越高，塑性變形抗力越高，硬度值也就越高。ROAD ENERGY二、硬度二、硬度n 維氏硬度維氏硬度HVHV維氏硬度計維氏硬度試驗原理維氏硬度壓痕一種以正四棱錐金剛石為壓頭的硬度測量方法。壓頭的兩個相對面間的夾角為136度，硬度值定義與布氏硬度相同，即壓痕表面上單位面積

9、所能承受的壓力，所不同的是壓痕形狀為四棱錐，用測量壓痕對角線的平均長度來計算壓痕面積及硬度值 .ROAD ENERGYu 維氏硬度用符號維氏硬度用符號HVHV表示，符號前的數字為硬度值，后面的數字按順序表示，符號前的數字為硬度值，后面的數字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。分別表示載荷值及載荷保持時間。u 根據載荷范圍不同，規定了三種測定方法根據載荷范圍不同，規定了三種測定方法維氏硬度試驗維氏硬度試驗 、小負荷維、小負荷維氏硬度試驗、顯微維氏硬度試驗。氏硬度試驗、顯微維氏硬度試驗。u 維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優點。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優點。 小負荷維氏硬度計顯微維氏硬

10、度計二、硬度二、硬度ROAD ENERGYu 金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力叫做沖擊韌度。常金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力叫做沖擊韌度。常用一次擺錘沖擊試驗來測定金屬材料的沖擊韌度。用一次擺錘沖擊試驗來測定金屬材料的沖擊韌度。 三、沖擊韌度三、沖擊韌度u 指標為沖擊韌性值ak(通過沖擊實驗測得)。ROAD ENERGYA Ak k= =GHGH1 1 - GH- GH2 2 =G=G（H H1 1 - H- H2 2）u試驗原理：試樣被沖斷過程中吸收的能量即沖擊吸收功（Ak ）等于擺錘沖擊試樣前后的勢能差。沖擊韌度（沖擊韌度（a k）：沖擊吸收功除以試樣缺口處截面積。）：沖擊吸

11、收功除以試樣缺口處截面積。三、沖擊韌度三、沖擊韌度ROAD ENERGYak = AK/S （Jcm-2）Ak沖斷試樣所消耗的沖擊功（J）S試樣斷口處的原始截面積（cm2）三、沖擊韌度三、沖擊韌度ROAD ENERGYu材料韌性判據為沖擊韌性ak ，低值為脆性材料，高值為韌性材料。u在沖擊載荷下工作的零件，很少是受大能量一次沖擊而破壞的；往往是受小能量多次重復沖擊而破壞的。u試驗表明：在沖擊能量不太大的情況下，其承受反復沖擊的能力主要取決于強度，而不是很高的沖擊韌性ak 。三、沖擊韌度三、沖擊韌度ROAD ENERGY韌脆轉變溫度韌脆轉變溫度u 材料的沖擊韌性隨溫度下降材料的沖擊韌性隨溫度下降

12、而下降。而下降。在某一溫度范圍內在某一溫度范圍內沖擊韌性值急劇下降的現象沖擊韌性值急劇下降的現象稱稱韌脆轉變韌脆轉變。發生韌脆轉變發生韌脆轉變的溫度范圍稱的溫度范圍稱韌脆轉變韌脆轉變溫度溫度。材料的使用溫度應高于韌材料的使用溫度應高于韌脆轉變溫度。脆轉變溫度。韌三、沖擊韌度三、沖擊韌度ROAD ENERGYTITANIC建造中的Titanic 號TITANIC的沉沒與船體材料的質量直接有關ROAD ENERGYu 材料在低于材料在低于 s s的重復交變應力作用下發生斷裂的現象。的重復交變應力作用下發生斷裂的現象。u 材料在規定次數應力循環后仍不發生斷裂時的最大應力稱為疲勞材料在規定次數應力循環

13、后仍不發生斷裂時的最大應力稱為疲勞極限。用極限。用 -1-1表示。表示。u 鋼鐵材料規定次數為鋼鐵材料規定次數為10107 7，有色金屬合金為，有色金屬合金為10108 8。疲勞應力示意圖疲勞曲線示意圖四、疲勞強度四、疲勞強度ROAD ENERGYu 材料的疲勞強度通常在旋轉對稱材料的疲勞強度通常在旋轉對稱彎曲疲勞試驗機上測定疲勞曲線彎曲疲勞試驗機上測定疲勞曲線, ,即交變應力與斷裂前的循環次即交變應力與斷裂前的循環次數數N N之間的關系。之間的關系。u 疲勞破壞原因疲勞破壞原因: : 材料有雜質材料有雜質, ,表面表面劃痕劃痕, ,能引起應力集中（指受力能引起應力集中（指受力構件由于幾何形狀

14、、外形尺寸發構件由于幾何形狀、外形尺寸發生突變而引起局部范圍內應力顯生突變而引起局部范圍內應力顯著增大的現象）著增大的現象）, ,導致微裂紋導致微裂紋, ,裂裂紋擴展致使零件不能承受所加載紋擴展致使零件不能承受所加載荷突然破壞。荷突然破壞。四、疲勞強度四、疲勞強度ROAD ENERGY通過通過改善材料的形狀結構，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進行表面強改善材料的形狀結構，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進行表面強化化等方法可提高材料疲勞抗力。等方法可提高材料疲勞抗力。軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）四、疲勞強度四、疲勞強度ROAD ENERGY 材料有雜質、表面劃傷等缺陷應力集中 微裂紋 裂

15、紋擴展 破 壞五、產生疲勞破壞的原因五、產生疲勞破壞的原因ROAD ENERGY六、金屬材料的其他性能六、金屬材料的其他性能u 使用性能：材料在使用過程中所表現的性能。包括使用性能：材料在使用過程中所表現的性能。包括力力學性能、物理性能和化學性能學性能、物理性能和化學性能。物理性能：密度、熔點、熱膨脹性、導熱性、導電性、磁性。如，飛機上使用的零件要求比重輕；電機、電器用零件要考慮導電性， 等等。化學性能：室溫或高溫時抵抗各種化學作用的能力，也稱化學穩定性， 包括耐酸性、耐堿性、抗氧化性等等。如，化工設備、醫療器械要求化學穩定性好。ROAD ENERGY各種金屬材料存在各不相同的使用性能。因此：u必須首先熟悉各種金屬材料的主要性能。u根據不同的技術要求，選擇合適的金屬材料。六、金屬材料的其他性能六、金屬材料的其他性能