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1、第第 三三 章章 工程材料的力学性能工程材料的力学性能 第三章第三章 工程材料的力学性能工程材料的力学性能 l工程材料的力学性能是指工程材料受外力作用时反映出来 的性能。 l主要包括：塑性与弹性，刚度、强度、硬度、冲击韧性、 疲劳强度、蠕变性能等等。 3.1 3.1 拉伸试验拉伸试验 3.2 3.2 硬度试验硬度试验 3.3 3.3 冲击韧性冲击韧性 3.4 3.4 疲劳强度疲劳强度 3.5 3.5 蠕变试验蠕变试验 第三章第三章 工程材料的力学性能工程材料的力学性能 3.13.1拉伸试验拉伸试验 （1 1）拉伸实验和应力）拉伸实验和应力应变曲线应变曲线 图1 拉伸试验机 3.13.1拉伸试验
2、拉伸试验 图2 典型的拉伸应力-应变曲线 弹性形变 塑性形变 断裂 0 第三章 工程材料的力学性能 3.13.1拉伸试验拉伸试验 一弹性和塑性一弹性和塑性 l弹性：金属材料在外力作用下产生变形，当外力去掉后能 恢复其原来形状的性能，称为弹性，其大小与外力成正比 。 l塑性：金属材料在外力作用下产生永久变形，但不会引起 金属材料破坏的性能，称为塑性。 在外力去掉后，保留下来不可恢复的变形，称为塑性变形 。塑性的大小与外力不成正比。 塑性指标的量化：根据GB6397-86金属拉伸试样， 在拉伸试验机上进行。 第三章 工程材料的力学性能 3.13.1拉伸试验拉伸试验 一弹性和塑性一弹性和塑性 一般取
3、残余伸长量为0.01%时的应力为“规定弹性极限”， 并以0.01表示。 e-弹性极限，s-屈服极限，b-抗拉强度，k-断裂强度 。 在实际情况中，许多材料在-曲线上没有水平段为，通 常采用0.2、0.5来表示屈服极限。 0.2 -表示产生0.2%塑性变形时的应力作为屈服极限。 0.5 -同上。 第三章 工程材料的力学性能 3.13.1拉伸试验拉伸试验 一弹性和塑性一弹性和塑性 第三章 工程材料的力学性能 3.13.1拉伸试验拉伸试验 一弹性和塑性 金属塑性指标的表示有两种方法 延伸率 断面收缩率 和越大，表示金属的塑性越好。 第三章 工程材料的力学性能 3.1拉伸试验 二刚度二刚度 l金属材料
4、受外力作用时抵抗弹性变形的能力，称为刚度 。 E/ l影响弹性模量的因素： 有时要求低E（易弹性变形且变形能力大），如沙发垫 子。 有时要求高E（保持固有形状能力强）,如主轴、钻 杆。有时要求比刚度（E/）大（轻而不易变形），如航 空航天。 弹性模量和构件的尺寸有关，同种材料，作成不同形状 的尺寸零件时，刚度变化很大。 第三章 工程材料的力学性能 3.1拉伸试验 三.强度 l强度是金属材料在外力作用下抵抗塑性变形的能力。 l按外力性质的不同可分为：屈服强度，抗拉强度，抗压强度，抗弯强 度，抗剪强度和抗扭强度等等。 l屈服强度s可用下式表示，是结构设计的重要指标 Ps表示试样产生屈服现象时承受的
5、外力，单位：N n 抗拉强度b 用下式表示为 Pb表示试样在断裂时的最大拉力，单位：N ；S0为试样原始截面积 ， 单位：m2 第三章 工程材料的力学性能 3.2 3.2 硬度试验硬度试验 硬度硬度-金属材料抵抗硬物压入其内的能力。 常用的硬度指标有：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。 1.布氏硬度（HB） l原理：用直径不等的球形压头（如10.5或2.5mm），以一定载荷压入 金属表面从而测定硬度值。如图所示。 第三章 工程材料的力学性能 3.2 硬度试验 1.布氏硬度（HB） l实质：为压入载荷与压痕表面积的比值，即 HB =压入载荷（P）/压痕表面积（ S ） l适用范围：HB一般只用于 硬
6、度 450 的材料（钢球压头）“HBS”或 650硬度450的金属材料（硬质合金球压头）“HBW”。 l特点：压痕面积较大，HB值比较真实。 第三章 工程材料的力学性能 3.2 硬度试验 2.洛氏硬度（HR） l实质：用钢球或圆锥压痕深度的 大小表示材料的硬度值 l l 适用范围：适用范围：主要用于高硬度的材 料,根据压头材料及施加的载荷 不同可分为HRAHRA、HRBHRB和HRCHRC l l 特点：特点：压痕较小，HR值的真实 性稍差。 第三章 工程材料的力学性能 3.2 硬度试验 3.维氏硬度（HV） l如图图所示的方法，是采用金刚刚石 的正四棱锥锥。 l表示方法：其HV 硬度值值可表
7、示 为为： HV = P/S (N/mm2) l特点：正四棱锥锥几乎不变变形， 值值比较较精确，适用于薄板的硬度 测试测试 ，但生产产效率太低。 第三章 工程材料的力学性能 3.2 硬度试验 第三章 工程材料的力学性能 3.3 冲击韧性 l金属材料在冲击载荷作用下，抵抗冲击力的作用而 不被破坏的能力称为冲击韧性。 l冲击韧性包括：弯曲冲击韧性、拉力冲击韧性、压 缩冲击韧性、扭转冲击韧性、多次冲击韧性。本节 主要介绍弯曲冲击韧性。 l表示方法：冲击韧性常用一次摆捶弯曲冲击试验测 定，数值上可表示为 k - 冲击值或冲击韧性 Ak- 折断试样需消耗的冲击功，J S- 试样缺口处的原始截面积，m2
8、第三章 工程材料的力学性能 3.3 冲击韧性 l实验图 第三章 工程材料的力学性能 3.3 冲击韧性 l影响的因素： 试样形状，表面粗糙度，内部微观组织，试验的 环境温度。 冲击韧性是大能量一次冲击情况下获得的，不符 合小能量多次冲击的实际情况，因此，一般只作 为选材的参考，不直接用于强度计算。 由于对组织缺陷很敏感，所以在生产上，用于检 验合金冶炼、热加工、热处理工艺的质量。 第三章 工程材料的力学性能 炼钢质量监控炼钢质量监控 3.3 冲击韧性 l不同材料冲击韧性 图8 不同材料冲击韧性与温度关系曲线示意图 第三章 工程材料的力学性能 3.4 疲劳强度 1、定义：在交变载荷作用下的许多零件
9、，如曲轴，连杆，弹 簧等，往往会在低于该材料屈服强度的情况下发生断裂， 这种现象称为疲劳破坏。 2、疲劳强度则是指金属材料在交变载荷作用下不产生疲劳破 坏的最大应力r 。应力对称循环疲劳强度-1 3、疲劳强度可在专用疲劳试样机上进行。根据交变载荷应力 与断裂前的应力循环次数可绘制成疲劳曲线。 4、影响疲劳断裂的因素： 材料中的杂质、表面划痕、微裂痕、应力集中。 提高疲劳强度的途径：避免应力集中、改善表面质量。 第三章 工程材料的力学性能 据统计在机械零件失效 中大约有 80%以上属于疲 劳破坏，而且疲劳 破坏前没有明显的变形，所以疲 劳 破坏经常造成重大事故 3.43.4 疲劳强度疲劳强度 l
10、疲劳强度极限可根据疲劳曲线确定。 l钢:107周次、非铁（有色）金属材料:108周次。 图3-9 典型的疲劳曲线 疲劳极限 r （ 3 ） 第三章 工程材料的力学性能 3.5 蠕变试验 1 定义：材料长时间在恒温、恒应力作用下，缓慢产生塑 性变形并导致材料断裂的现象称为蠕变。蠕变过程可用 蠕变曲线描述。 2 蠕变曲线 第三章 工程材料的力学性能 3.5 蠕变试验 3、蠕变曲线特征 l蠕变曲线分为三个阶段： l-减速蠕变阶段。随时间增长，蠕变速率逐渐减小 l-恒速蠕变阶段。用变形速率表示 l-加速蠕变阶段。当蠕变速率增大到 d点，产生断裂。 第三章 工程材料的力学性能 3.5 蠕变试验 4、高温
11、下蠕变性能指标 高温下蠕变性能指标有蠕变极限与持久强度两种。 1) 蠕变极限:指材料在高温长期载荷作用下，抵抗塑性变形 的能力。表示有两种方法： l法：在给定温度下，使试样产生规定蠕变速率时的应 力作为蠕变强度. 表示在600，蠕变速率为1x10-5时的应力为 500MPa. 第三章 工程材料的力学性能 3.5 蠕变试验 l l 法：在给定温度和规定的试验时间内，使试样产生 一定蠕变伸长量的应力作为蠕变极限，用 表示。 表示在800，500小时内，引起 0.2% 变形量的应力为200 MPa 。 2) 持久强度:指材料在高温长期载荷作用下抵抗断裂的能力 ，用 表示。 表示在800，经100小时断裂的应力为120 MPa 。 第三章 工程材料的力学性能 l 1. 拉伸试验：塑性与弹性，刚度、强度。 l 2. 硬度试验：硬度的表达方式。 l 3. 冲击韧性。 l 4. 疲劳强度的测试方法及表达。 l 5. 蠕变性能指标：蠕变极限和持久强度。 第三章 工程材料的力学性能
