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1、金属力学性能基本知识,目 录,1.金属材料的力学性能分类 2.力学性能指标 3.与力学性能有关的金属监督概念,一、金属材料的力学性能,1.强度： s、 b 2.塑性： 、 3.韧性： k、Ak、K1c、c、FATT 4.硬度： HB、HRA、HRB、HRC、HV、HL 5.疲劳：-1 6.高温性能：蠕变极限 、持久强度,二、力学性能指标,1. 强度金属在外力（静载荷）作用下，抵抗永久变形或破坏的能力。主要强度指标有：抗拉强度b屈服强度s GB/T228-2002中b用Rm表示，s用Rel 表示,万能材料试验机,标准拉伸试样（短）,非标试样矩形试样,断后试样,屈服强度：,金属材料在拉伸试验时产生
2、的屈服现象是开始产生宏观塑性变形的一种标志。由于部件在实际使用过程中大都处于弹性变形状态，不容许产生微量塑性变形，因此出现屈服现象就标志着产生了过量塑性变形失效。,强度计算公式：,拉伸试样原始截面积：拉伸试样断后截面积：屈服强度： 单位：MPa抗拉强度： 单位：MPa,规定非比例延伸强度：,条件屈服强度：规定的塑性变形量一般为0.2，即规定的引伸计标距0.2时相对应的应力，相应的屈服强度为0.2产生0.2残余伸长时的载荷。,根据力延伸曲线图测定规定非比例延伸强度：,在力延伸曲线图上，画一条与曲线的弹性直线段部分平行，且在延伸轴上与此直线段的距离等效于规定非比例延伸率的直线(如0.2%的直线），
3、此平行线与曲线的交点，给出相应与所求规定非比例延伸强度的力。此力除以试样原始横截面积S0，得到规定非比例延伸强度。,2. 塑 性,金属在外力作用下，抵抗永久变形而不会被破坏的能力。主要指标有：延伸率（断后伸长率）：断面收缩率：GB/T228-2002中：用A表示，用Z表示。,2.1延伸率,延伸率5倍试样10倍试样 或一般情况下 =（1.21.5）采用非比例试样时延伸率应附以该标距数值的脚注，例如：试样标距长度 时，延伸率标注为,当断裂处不在标距中心时：,断裂位置对延伸率的大小是有影响的； 断在标距正中的试样所得的延伸率最大； 断在标距中间1/3段试样可直接测量L1 ； 断在标距两端1/3段时，
4、要求用位移法换算成相当于断在正中时的延伸率。,GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法,有关规定： 1.当试样原始标距与原始横截面积满足 时称为比例试样，k5.65 。非比例试样的原始标距与原始横截面积无关。 2.试样的制备：应按照相关产品标准或GB/T2975的要求切取样坯和制备试样。 3.原则上，断裂发生在距离最近标距标记点1/3以上方为有效，但断后伸长率等于或大于规定值，不管断裂位置处于何处，测量均为有效。 4.薄板和薄带试样，管材全截面试样，圆管纵向弧形试样，其他复杂横截面试样及直径小于3mm试样，一般不测定断面收缩率。,3. 硬 度,金属抵抗比他更硬的物体压入的能力。布氏硬度
5、：HB洛氏硬度：HRA、HRB、HRC维氏硬度：HV里氏硬度：HL,布氏硬度HB,GB/T231-84旧标准规定：,适用范围：HB 8650 HBS：压头为淬火钢球，适用于HB为450以下材料 HBW：压头为硬质合金球，适用于HB为450 650 的材料,GB/T231.1-2002新规定：,1.取消了用钢球压头进行试验的规定，仅使用硬质合金球压头，试验范围上限为650HBW。 2.对试样最小厚度规定作了调整，将试样厚度至少应为压痕深度的10倍改为8倍。 3.对压痕间距的规定作了调整，将两相邻压痕中心距离不应小于压痕平均直径的4倍改为3倍。,布氏硬度值标记,布氏硬度值与试验条件有关，硬度值标记
6、由4种符号组成： 1.球体材料：硬质合金球 2.球体直径：10mm（标准压头）、5mm、2.5mm、1mm 3.试验力：其大小与压头直径有关。一般F/D2=30倍、15倍、10倍、5倍、2.5倍、1倍。 4.试验力的保持时间：黑色金属为10s、有色金属为30s、对HBS650的材料，因为材料的硬度太高容易引起钢球变形，使测定结果不准确。测量方法繁琐，效率低。,洛氏硬度HR,原理：测量压痕深度。 执行标准：GB/T230-2004金属洛氏实验方法 条件：尽可能保证试验面是平面。 试样厚度： 用金刚石圆锥压头试验时，试样厚度应不小于压痕深度的10倍。 用钢球压头试验时，试样厚度应不小于压痕深度的1
7、5倍。 两相邻压痕中心间距至少应为压痕直径的4倍，但不得小于2mm。,洛氏硬度试验机,HRA：圆锥形金刚石压头（60kg负荷）用来测定HB 700的高硬材料（相当于）。 HRC：圆锥形金刚石压头（150kg负荷）用来测定HB= 230 700的调质钢及淬火钢。 HRB：淬硬钢球压头（100kg负荷）用来测定HB=60 230之间比较软的金属及低碳钢、有色金属。,洛氏硬度,不同标尺的测量范围：GB230-2004 HRA：20 88 淬火钢、硬质合金、表面渗氮层 HRC：20 70 淬火工具钢、调质处理钢 HRB：20 100 退火后的中碳钢、有色金属 各标尺均有一定的测量范围，应根据标准规定正
8、确使用。如：硬度高于HRB100，应采用C标尺的试验条件进行试验。同样，硬度低于HRC20，应换用B标尺试验。硬度高于HRC70，应换用A标尺试验。,洛氏硬度,优点：1. 可测高硬度材料2. 压痕小，可测成品和薄板，对工件无损坏。3. 测量方法简便，从刻度盘直接读出硬度值。缺点：1.压痕小，结果准确性低，通常应多测几点取其平均值。2.不同标尺的硬度不能统一、各标尺硬度值不能直接进行比较。,维氏硬度HV,以四方锥体型金刚石压头压入试样表面，保持一定时间后卸载，测定压痕两对角线长度取平均值。 执行标准：GB/T4340金属维氏硬度试验方法 主要用于测定显微硬度。 优点：精度高、测量范围宽(软硬材料
9、都可以测试)、不同标尺的硬度能够统一。 缺点：测定繁琐，工作效率低。,里氏硬度HL,测量钢球冲击试样表面回弹时，距试样表面1mm处的回跳速度。 执行标准GB/T17394金属里氏硬度试验方法 HL=VB / VA 1000其中：VB：回跳速度VA：冲击速度 优点：1. 可便携，5kg以上的部件放稳即可用2. 可方便的换算为布、洛、维。,里氏硬度是一种动态硬度试验方法，考察的是材料的弹性形变，表现为反弹速度的大小。 测试时材料种类的选择 里氏硬度试验法是一种动载测试方法，它的测试值与金属的弹性模量E有关，材料不同所对应的弹性模量也不同，因而应按材料的种类进行分类测试。,测试时对工件的要求,将被测
10、试件上的油漆、氧化皮、麻点打磨掉，露出金属光泽，并且平整、光滑，不得有油污。 试样的重量（5公斤）、试样最小厚度（5mm） 试件不应带有磁性。 被测试样表面的曲率半径应30mm。,测试操作时注意事项,1.测试前应用硬度标块对仪器进行检验（示值误差12HLD）。数值偏差超过标准时应给予校准。 2.在大批量检验过程中应经常用硬度标块对仪器进行校对，在检验工作完成后也应对仪器进行校对，确认在整个测试过程中硬度计的测试误差在规定范围内。以保证测试结果的真实性。,测试操作时注意事项,3.选择被测材料种类。 4.选择冲击方向，冲击方向应垂直于试验面。 5.给冲击装置加载时，应将加载套管压缩到底，然后缓慢松
11、回原位。不可松手使其自由弹回，否则极易损坏机件。,测试操作时注意事项,6.给加载套管加载时，不可将冲击装置支撑在试件上。 7.测试前应擦去试件表面的油污、铁屑、灰尘。 8.按释放按钮时不可过快、过重，以致使加载套管移动，测试值失准。,测试操作时注意事项,9.每两次测试时间间隔不应少于3秒。 10.两压痕中心距离3mm，压痕中心距试样边缘距离5mm。 11.不可在同一点上重复测试，否则会引起较大的误差。同时会减少传感器的使用寿命。 12.测试数据的分散不应超过平均值的15HL。,测试操作时注意事项,13.应保证冲击瞬间垂直位置偏差在0.5mm之内，否则会使硬度值偏低。14.对曲率半径小的工件可使
12、用异性支撑环，（测外圆柱面、内圆柱面、外球面、内球面、不规则曲面），以保证测试方向能够垂直试件表面。,测试操作时注意事项,15.试样重量小于5公斤时应夹持。 16.试件不应带有磁性，带有磁性的试件将使测量值偏低。 17.使用完毕后，应将冲击体释放。否则将加速加载弹簧的疲劳。,里氏硬度的换算(GB/T17394-1998),1.测试的里氏值是通过与其它标准的静载荷硬度值（布氏、维氏、洛氏）对比曲线，将里氏值转换为相应的硬度值。 2.由于各种硬度方法之间不存在明确的物理关系，受到相互比较中测量不可靠性的影响，因此换算会不可避免的带来不同程度的误差，换算只是近似的。 3.在换算表中某一硬度范围内可能
13、换算的相关性较好，而另一范围则相关性较差。,里氏硬度的换算(GB/T17394-1998),4.同一换算范围某些材料可能适应性很好，而对另一些材料可能误差较大。 5.不同来源的换算表之间存在差别，国内研制的换算表与瑞士换算表之间在某个硬度范围有差异是不可避免的。 6.换算时一定要注意换算表适用条件，否则误差会较大。为了获得比较可靠的换算关系，应对具体材料作对比试验，将数据处理后作出具体换算值或换算曲线。,4. 韧 性,定义：金属在冲击载荷作用下，抵抗破坏的能力。 GB/T229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法中冲击吸收能量用KV2或KU2表示。 有些材料在静力作用下，表现出很高的强度，但
14、在冲击力的作用下，表现得很脆弱。 例如：高碳钢、铸铁。旧标准：冲击韧性：k或 Ak(ku或kv)单位：J/cm2 或 J,冲击吸收能量符号,冲击试验机,冲击试样,5. 疲 劳,金属长期在重复交变载荷作用下发生断裂现象叫疲劳。疲劳极限：金属材料在交变应力作用下，经无限次循环而不破坏的最大应力值称为疲劳极限。用-1表示。,试验和实际工作中都发现，载荷随机变动出现的应力峰对部件的寿命有重要影响。如果把一些最高的突风载荷从试验载荷曲线中除去，试样的疲劳寿命就要比包括这些大载荷的机件寿命高。 因此，对于受随机载荷作用的部件，估算其安全寿命或进行疲劳试验，必须先分析其载荷随时间变化的曲线。 部件在使用过程中的载荷时间历程曲线称为载荷谱。,疲劳断口的宏观结构取决于材料的性质、加载方式、载荷大小等因素。高周疲劳断口从宏观来看，一般有三个区，即疲劳源、疲劳裂纹扩展区（疲劳断裂区）和瞬时断裂区（静断区）。,高周疲劳,疲劳断裂寿命大于105以上周次，应力在s以下。即交变应力水平都处于弹性变形范围内。,
