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1、工程材料与热加工基础程晓宇,工程材料与热加工基础 第一章 金属的力学性能,机械工程系 金工教研室,工程材料与热加工基础程晓宇,第一章 金属的力学性能,教学目标: 了解材料的主要力学性能指标：屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性等力学性能及其测试原理； 强调各种力学性能指标的生产实际意义； 了解工程材料的物理性能、化学性能及工艺性能。,工程材料与热加工基础程晓宇,金属的力学性能,定义 : 金属材料的力学性能是指金属材料在不同环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。 指标 : 弹性 、刚度、强度、
2、塑性 、 硬度、冲击韧性 、断裂韧度和疲劳强度等。,工程材料与热加工基础程晓宇,材料的其他性能,物理性能： 密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等； 化学性能： 耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等； 工艺性能： 铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性、热处理工艺性等。,工程材料与热加工基础程晓宇,第一节 强度和塑性,一、拉伸实验与拉伸曲线 1.拉伸试样 GB6397-86规定金属拉伸试样有： 圆形、矩形、异型及全截面 常用标准圆截面试样。 长试样：L0=10d0; 短试样：L0=5d0,拉伸试样,工程材料与热加工基础程晓宇,第一节 强度和塑性,2.拉伸过程,工程材料与热加工基础程晓宇,拉
3、伸试验机,工程材料与热加工基础程晓宇,op段：比例弹性变形阶段； pe段：非比例弹性变形阶段； 平台或锯齿（s段）：屈服阶段； sb段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。 b点：形成了“缩颈”。 bk段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点断裂。 断裂总伸长为Of，其中塑形变形Og(试样断后测得的伸长)，弹性伸长gf。,k,o,g,f,3.拉伸曲线,工程材料与热加工基础程晓宇,4.应力与应变曲线,(1)应力 ：单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积S 0表示: F 载荷( N ) = ( M pa ) S 0 原始横截面积( mm2) (2)应变：单位长度的伸长量。这里用
4、试样的伸长量除以试样的原始标距表示: l 伸长量(mm ) = l 0 原始长度( mm) (3)应力应变曲线（ - 曲线）: 形状和拉伸曲线相同，单位不同,工程材料与热加工基础程晓宇,退火低碳钢,低、中回火钢,淬火钢及铸铁,中碳调质钢,5.不同材料的拉伸曲线,工程材料与热加工基础程晓宇,二、强度和刚度,2.刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。 弹性模量：弹性下应力与应变的比值,表示材料抵抗弹性变形的能力。即： E= / 材料的E越大，刚度越大； E对组织不敏感； 零件的刚度主要决定于E，也与形状、截面等有关。,E= / ,1.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
5、状及尺寸的性能。,弹性变形: 随载荷撤除而消失的变形。,工程材料与热加工基础程晓宇,工程材料与热加工基础程晓宇,4.强度: 材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。,种类: 抗拉强度、 抗压强度、 抗弯强 度 、 抗剪强度 、 抗扭强度等。,(1) 屈服点 与屈服强度: 产生明显塑性变形的最低应力值.,工程材料与热加工基础程晓宇,屈服强度( 塑性变形量为0.2%，微量塑性变形),试样产生0.2%残余塑性变形,屈服点 s 、屈服强度0.2是零件设计的主要依据；也是评定金属强度的重要指标之一。,工程材料与热加工基础程晓宇,(2)抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力。,它表示材料抵抗断裂的能力
6、。 是零件设计的重要依据；也是评定金属强度的重要指标之一。,工程材料与热加工基础程晓宇,三、塑性: 是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。,(1)断面收缩率: 是指试样拉断处横截面积的收缩量 S与原始横截面积S0之比。,(2)伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量 L 与原始标距L 0之比。,S0 - S 1 = - 100% S0,l 1 - l0 = - 100% l0,工程材料与热加工基础程晓宇, 10% 属塑性材料,思考:同一材料5 10？ l=lub = l/l0=lu/l0 + lb/l0,u,b,塑性指标不直接用于计算，但任何零件都需要一定塑性。 防止过载断裂；塑性变形可
7、以缓解应力集中、削减应力峰值。,工程材料与热加工基础程晓宇,练习题一,拉力试样的原标距长度为50mm，直径为10mm，经拉力试验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为71mm，颈缩区的最小直径为4.9mm，试求该材料的伸长率和断面收缩率的值？ 解： =（71-50）/50x100%=42% S0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2) S1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2) =(S0-S1)/S0x100%=24%,工程材料与热加工基础程晓宇,练习题二,某工厂买回一批材料（要求：s230MPa；b410MPa；523%；50%）做短试样（0=50；0=10mm
8、）拉伸试验，结果如下：Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;问买回的材料合格吗？ 解： 根据试验结果计算如下： sFss(19x1000)/(3.14x52 )=242 230MPa b Fb s(34.5x1000)/(3.14x52 )=439.5 410MPa 5 l l 0x100% (63.1-50)/50x100%=26.2% 23% S S 0x100% 60.31% 50% 材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格。,工程材料与热加工基础程晓宇,第二节 硬 度,布氏硬度HB 洛氏硬度HR 维氏硬度HV 锉刀法,五.硬度( hardness )
9、:是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力 常用测量硬度的方法,工程材料与热加工基础程晓宇,(1)布氏硬度 HB ( Brinell-hardness ),工程材料与热加工基础程晓宇,(1)布氏硬度 HB ( Brinell-hardness ),适用范围:,450HBS;,650HBW;,工程材料与热加工基础程晓宇,(1)布氏硬度 HB ( Brinell-hardness ),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、载荷及载荷保持时间。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
10、布氏硬度值为120。,工程材料与热加工基础程晓宇,(2)洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness ),10HRCHBS,工程材料与热加工基础程晓宇,(3)维氏硬度 HV ( diamond penetrator hardness ),适用范围:,测量薄板类 ;,HVHBS ;,工程材料与热加工基础程晓宇,(5) 锉刀法:,一组硬度差为5HRC的锉刀。 例如: 10HRC、15HRC、20HRC等。,工程材料与热加工基础程晓宇,六.冲击韧性( notch toughness ):,材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。,工程材料与热加工基础程晓宇,冲击试验机,冲击试样和冲击试验示意图,
11、工程材料与热加工基础程晓宇,试样冲断时所消耗的冲击功A k为:,A k = m g H m g h (J),冲击韧性值a k 就是试样缺口处单位 截面积上所消耗的冲击功。,工程材料与热加工基础程晓宇,七.疲劳强度( fatigue strength ): 表示材料经无数次交变载荷作 用而不致引起断裂的最大应力值。,工程材料与热加工基础程晓宇,钢材的循环次数一般取 N = 107,有色金属的循环次数一般取 N = 108,钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系: -1 = (0.450.55) b,工程材料与热加工基础程晓宇,1943年美国T-2油轮发生断裂,工程材料与热加工基础程晓宇,八.比强度 ( specific strength ): 材料的强度值与密度值之比。,工程材料与热加工基础程晓宇,作业,熟悉拉伸曲线 掌握强度及塑性指标，了解这些指标在工程上的应用 课后习题P21、,
