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1、第一章 金属材料的力学性能,第一节 强度与塑性 第二节 硬度 第三节 冲击韧度 第四节 疲劳 第五节 断裂韧度,一、拉伸试验,在万能材料实验机上做拉伸实验,第一节 强度与塑性,国标GB/T2282002标准拉伸试样,1、拉伸试样,2、力一伸长曲线,低碳钢力-伸长曲线,二、强度,金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力称为强度。 按外力作用的性质不同，分为： 屈服强度s 、抗拉强度b 、抗压强度b c、抗剪强度b等。 1、屈服点与屈服强度 金属材料开始产生屈服现象时的最低应力值称为屈服点，用符号s 表示。 s=Fs/Ao 式中Fs试样发生屈服时的载荷（N）; Ao试样的原始横截面积（mm2）
2、。,工业上使用的某些金属材料，如高碳钢、铸铁等，在拉伸过程中，没有明显的屈服现象，无法确定其屈服点s ，按GB/T2228规定，可用屈服强度0.2来表示该材料开始产生塑性变形时的最低 应力值。屈服强度为试样标 距部分产生0.2%残余伸长时 的应力值，即 0.2=F0.2/Ao 式中 F0.2试样标距产生的0.2%残 余伸长时载荷（N）； Ao试样的原始横截面积（mm2）。,屈服强度的测定,2、抗拉强度,金属材料在断裂前所能承受的最大应力值称为抗拉强度，用符号 b表示。 b=Fb/Ao 式中 Fb试样在断裂前所承受的载荷（N）； Ao试样原始横截面积（mm2）。,三、塑性,金属材料的载荷作用下，
3、断裂前材料发生不可逆久变形的能力称为塑性。 通过拉伸试验可测定材料的塑性。 常用的塑性指标有断后伸长率和断面收缩率。 =(L1-L0)/L0 =(F0-F1)/F0,第二节 硬度,硬度是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。 可用硬度试验机测定，常用的硬度指标有布氏硬度HBW、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度HV。,一、布氏硬度,布氏硬度试验示意图,1、布氏硬度试验原理,式中 P试验力（N）； d压痕平均直径（mm）； D硬质合金球直径（mm）,2、选择试验规范,根据被测金属材料的种类和试样厚度、选用不同大小的球体直径D，施加的试验力F和试验力保持时间，按表1
4、1所列的布氏硬变试验规范正确选择 。,3、试验的优缺点,优点：试验时使用的压头直径较大，在试样表面上留下压痕也较大，所得值也较准确。 缺点：对金属表面的损伤较大，不易测试太薄工件的硬度，也不适于测定成品件硬度。,应用：布氏硬度试验常用来测定原材料、半成品和性能不均匀材料（如铸铁）的硬度。,二、洛氏硬度,1、洛氏硬度测量原理,洛氏硬度HR=K-h/s 式中，K为给定标尺的硬度数，S为给定标尺的单位， 通常以0.002为一个硬度单位。,洛氏硬度试验原理图,2、常用洛氏硬度标尺及适用范围,3、试验优缺点,优点：操作简单迅速，效率高，直接从指示器上读出硬度值；压痕小，故可直接测量成品或较薄工件的硬度；
5、对于HRA和HRC采用金刚石压头，可测量高硬度薄层和深层的材料。 缺点：由于压痕小，测得的数值不够准确，通常要在试样不同部位测定四次以上，取其平均值为该材料的硬度值,三、维氏硬度,1、试验原理 维氏硬度值用四棱锥压痕单位面积上所承受的平均压力表示，符号HV。HV=0.1022FSin1360/2/d2 =0.189F/d2 式中 F作用在压头上试验力（N）； d压痕两对角线长度的平 均值（mm）。,维氏硬度试验原理示意图,2、常用试验力及其适用范围,维氏硬度试验所用试验力视其试样大小、薄厚及其他条件，可在49.03980.7N的范围内选择试验力。常用的试验力有49.03N、98.07N、196
6、.1N、294.2N、490.3N、980.7N。 维氏硬度试验适用范围宽，尤其适用测定金属镀层、薄片金属及化学热处理的表面层（渗碳层、渗氮层等）硬度，其结果精确可靠。 3、试验优缺点 优点：与布氏、洛氏硬度试验比较，维氏硬度试验不存在试验力与压头直径有一定比例关系的约束；也不存在压头变形问题，压痕轮廓清晰，采用对角线长度计量，精确可靠，硬度值误差较小。 缺点：其硬度值需要先测量对角线长度，然后经计算或查表确定，故效率不如洛氏硬度试验高。,第三节、冲击韧度,一、冲击试验方法与原理 一次冲击弯曲试验通常在摆锤式冲击试验机上进行 。,冲击试样,冲击试样有夏比V型缺口试样和夏比U型缺口试样两种:,试
7、验时，将试样放在试验机两支座上，。把质量为m的摆锤抬到高H，使摆锤具有位能为mHg。摆锤落下冲断试样后升至h高度,具有位能为mhg，故摆锤冲断试样推动的位能为mHgmhg，这就是试样变形和断裂所消耗的功称为冲击吸收功AK，即 AK=mg(H-h) 用试样的断口处截面积SN（cm2）去除AK（J）即得到冲击韧度，用Ak表示，单位为J/cm2. aK=AK/SN,冲击韧度的测试,二、冲击试验的实际意义,1、韧脆转变温度 材料在低于某温度时，AK值急剧下降，使试样的断口由韧性断口过渡为脆性断口。因此，这个温度范围称为韧脆转变温度范围。 韧脆转变温度的高低是 金属材料质量指标之一，韧 脆转变温度愈低，
8、材料的低 温冲击性能就愈好，对于在 寒冷地区和低温下工作的机 械和工程结构。如运输机械 、桥梁、输送管道尤为重要。,韧脆转变温度示意图,2、衡量原材料的冶金质量和热加工产品质量,冲击吸收功对原材料内部结构、缺陷等具有较大敏感性，很容易揭示出材料中某些物理现象，如晶粒粗化、冷脆、回火脆性及夹渣、气泡、偏析等。 目前常用冲击试验来检验冶炼、热处理及各种热加工工艺和产品的质量。,第四节、疲劳,一、疲劳概念 虽然零件所承受的交变应力数值小于材料的屈服强度，但在长时间运转后也会发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。,对称循环交变应力,据统计，机械零件断裂中有80%是由于疲劳引起。,二、疲劳曲线与疲劳极限,试验
9、证明，金属材料所受最大交变应力max 愈大，则断裂前所受的循环周次N（定义为疲劳寿命）愈少，这种交变应力max 与疲劳寿命N的关系曲线称疲劳曲线或SN曲线 工程上规定，材料经受相当循环周次不发生断裂的最大应力称为疲劳极限，以符号-1表示。,钢铁材料：107次 非铁合金：108次,部分工程材料的疲劳极限-1（MPa）,三、提高材料疲劳极限的途径,1、设计方面 尽量使用零件避免交角、缺口和截面突变，以避免应力集中及其所引起的疲劳裂纹。 2、材料方面 通常应使晶粒细化，减少材料内部存在的夹杂物和由于热加工不当引起的缺陷。如疏松、气孔和表面氧化等。 3、机械加工方面 要降低零件表面粗糙度值。 4、零件
10、表面强化方面 可采用化学热处理、表面淬火、喷丸处理和表面涂层等，使零件表面造成压应力，以抵消或降低表面拉应力引起疲劳裂纹的可能性。,第五节 断裂韧度,金属材料抵抗裂纹扩展的能力指标就称为断裂韧度。 一、裂纹扩展的基本形式 根据外加应力的类型及其与裂纹扩展面的取向关系，裂纹扩展的基本方式有三种：,（a）张开型 （b）滑开型 （c）撕开型,二、应力场强度因子,对于如右图所示情况， KI可表示为： KI=Ya1/2 式中：Y_裂纹的几何形状因子; _外加应力（N/mm2）； a_裂纹的半长（mm）； KI_ 强度因子（MPam1/2或MNm-3/2） 它综合反映了外加应力和裂纹位置、长度对裂纹尖端应
11、力场强度的影响，故称之为应立场强度因子。,具有张开型裂纹的试样,三、断裂韧度KI及其应用,由公式K1= Y可知，如果Y为定值，则K1随，a值增加而增大，当K1达到了他的临界值K1C，K1C称为临界强度因子，他取决于材料抵抗裂纹扩展的能力，因而也称为材料断裂韧度。 不同材料，其K1C值不同，当零件的内裂纹尖端的应力强度因子K1超过所用材料的断裂韧度K1C时，零件就发生脆性断裂。 材料的断裂韧度K1C值，可用于高强度钢、超高强度钢或大尺寸零件设计计算。 （1）当已探测零件中的裂纹形状和尺寸，可根据材料的K1C值计算判定零件工作是否安全。 （2）根据材料内部宏观裂纹尺寸a，计算零件不产生脆断所能承受的最大应力c 。 （3）根据材料所承受载荷的大小，计算不产生脆断所允许的内部宏观裂纹的临界尺寸a。,
