材料的力学性能.课件

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1、 工工 程程 材材 料料 学学南京航空航天大学 梁文萍n材料的静载力学性能材料的静载力学性能 拉伸试验拉伸试验 硬度硬度第一章 材料的力学性能n材料的动载载力学性能材料的动载载力学性能 冲击试验冲击试验 疲劳试验疲劳试验n断裂韧性断裂韧性学习目的和要求1.理解材料常用力学性能指标的理解材料常用力学性能指标的物理意义物理意义。2. 了了解解强强度度、塑塑性性、硬硬度度及及冲冲击击韧韧性性指指标标的的测测试试方方法法以以 及及使使用用这这些些指指标标时时应应注注意意的的局局限限性性，重重点点掌掌握握布布氏氏硬硬度度和和洛氏硬度洛氏硬度的的优缺点优缺点、相互关系相互关系以及以及应用场合应用场合。材料

2、的性能：材料的性能：材料在外界因素作用下所表现材料在外界因素作用下所表现出来的行为。出来的行为。n力学性能力学性能n物理性能物理性能n化学性能化学性能n工艺性能工艺性能11 材料的力学性能材料的力学性能1.1.1 1.1.1 概念与定义概念与定义材料的力学性能：材料的力学性能：1.1.1 1.1.1 概念与定义概念与定义材材料料在在一一定定环环境境因因素素下下承承受受外外加加载载荷荷所所表表现现出出来来的的行行为为，通通常常表表现现为为变变形形（几几何何形形状状和和尺尺寸的变化）与断裂。寸的变化）与断裂。材料的力学性能：材料的力学性能： n不同的工作条件和环境下，对力学性能的要求与侧重各有不同

3、的工作条件和环境下，对力学性能的要求与侧重各有不同。不同。1.1.1 1.1.1 概念与定义概念与定义n材料用于结构零件时，其力学性能是工程设计的基本依据；材料用于结构零件时，其力学性能是工程设计的基本依据；以其它性能如物理、化学性能作为主要使用要求时，其力以其它性能如物理、化学性能作为主要使用要求时，其力学性能同样也是设计的重要参考依据。学性能同样也是设计的重要参考依据。1.1.2 1.1.2 材料力学性能指标材料力学性能指标12 材料的静载力学性能材料的静载力学性能静载荷：静载荷： 是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。材料的静载力学性能指标：材料的静载力学性

4、能指标： 主要有主要有强度、塑性、硬度强度、塑性、硬度等。等。1.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验1.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验标标 准准 拉拉 伸伸 试试 样样GB/T228-2002GB/T228-2002拉伸曲线拉伸曲线应力应力- -应变曲线应变曲线应力应力F / S0 应变应变l / l01.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验1.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验试样在拉伸时的伸长和断裂过程试样在拉伸时的伸长和断裂过程a a）试样）试样 b b）伸长）伸长 c c）产生缩颈）产生缩颈 d d）断裂）断裂 拉伸曲线拉伸曲线分成分成弹性变形弹性变形、屈服屈服、均匀塑性变形

5、均匀塑性变形和和局部塑局部塑性变形性变形等四个阶段。等四个阶段。1.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验4545号钢的外力号钢的外力- -伸长曲线伸长曲线 1.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验1弹性变形阶段（曲线弹性变形阶段（曲线ob段）段）在在这这个个阶阶段段中中试试样样的的变变形形是是弹弹性性的的。如如果果在在试试验验过过程程中中卸卸除除拉拉力力F，则则试试样样的的伸伸长长便便消消失失，试试样样标标距距恢恢复复到到原原长长L0，不不产产生生残残余余伸伸长长。超超过过b点点它它就就会会产产生生塑塑性性变变形形。b点点所所对对应应的的外外力力为为试试样产生样产生弹性变形的极限外力弹性变形的

6、极限外力，以，以Fe表示。表示。 1.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验1弹性变形阶段（曲线弹性变形阶段（曲线ob段）段）在在弹弹性性变变形形阶阶段段内内的的oa段段，试试样样的的伸伸长长与与外外力力成成正正比比例例直直线线关关系系，即即每每增增加加一一定定外外力力，就就对对应应一一定定的的伸伸长长量量，因因此此，oa段段也也称称为为线线弹弹性性变变形形阶阶段段。一一旦旦外外力力超超过过曲曲线线上上的的a点点时时，正正比比例例关关系系就就破破坏坏了了。而而该该点点对对应应的的外外力力Fp称称为为比比例例变变形形的的极极限限外外力力。ab段段为为弹弹性性变变形形的的非非线线性性阶阶段段，此此阶

7、阶段段很很短短，一一般般不不容容易易观观察察到。到。 2屈服阶段（曲线屈服阶段（曲线cd段）段）1.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验当当拉拉力力超超过过Fe后后继继续续增增加加，达达到到Fs（即即曲曲线线上上c点点）时时，试试样样的的伸伸长长突突然然增增加加。在在拉拉伸伸曲曲线线上上表表现现为为一一横横平平线线段段cd。它它说说明明此此时时拉拉力力虽虽然然没没有有增增加加，但但试试样样好好象象屈屈服服于于外外力力而而自自行行伸伸长长，这这种种现现象象称称为为屈屈服服现现象象。cd段段称称为为屈屈服服阶阶段段，它它所所对对应应的的外外力力称称为屈服力，以为屈服力，以Fs表示。表示。2屈服阶段

8、（曲线屈服阶段（曲线cd段）段）1.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验其其实实，试试样样在在超超过过弹弹性性极极限限的的外外力力作作用用下下，即即在在bc段段就就已已开开始始产产生生塑塑性性变变形形。不不过过，此此时时所所产产生生的的塑塑性性变变形形量量甚甚微微，不不易易觉觉察察罢罢了了。而而当当达达到到屈屈服服阶阶段段时时，则则塑塑性性变变形形突突然然增增加加。因因此此，可可以以把把这这种种拉拉力力不不增增加加而而变变形形仍仍能能继继续续增增加加的的现现象象，表表观观上上看看作是金属从弹性变形阶段到塑性变形阶段的作是金属从弹性变形阶段到塑性变形阶段的个明显标志。个明显标志。3均匀塑形变形阶

9、段（曲线均匀塑形变形阶段（曲线de段）段） 1.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验试试样样在在屈屈服服力力Fs作作用用下下，屈屈服服变变形形直直至至d点点，至至此此，屈屈服服阶阶段段已已告告结结束束。此此后后必必须须进进一一步步增增加加拉拉力力才才能能使使试试样样进进一一步步伸伸长长。在在de这这一一阶阶段段中中，金金属属变变形形具具有有另另一一种种特特点点即即随随着着变变形形量量的的增增加加金金属属不不断断强强化化，这这种种现现象象称称为为加加工工硬硬化化（或或变变形形强强化化）。表表现在拉伸曲线上就是现在拉伸曲线上就是de段不断上升。段不断上升。 3均匀塑形变形阶段（曲线均匀塑形变形阶段

10、（曲线de段）段） 1.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验在在此此阶阶段段中中，试试样样的的一一部部分分产产生生塑塑性性变变形形，虽虽然然这这一一部部分分截截面面减减小小，使使此此处处承承受受负负荷荷能能力力下下降降。但但由由于于变变形形强强化化的的作作用用而而阻阻止止塑塑性性变变形形在在此此处处继继续续发发展展，使使变变形形推推移移到到试试样样的的其其它它部部位位。这这样样、变变形形和和强强化化交交替替进进行行，就就使使试试样样各各部部位位产产生生了了宏宏观观上上均均匀匀的的塑塑性性变变形形。曲曲线线上上的的d点点是是屈屈服服阶阶段段结结束束点点也也是是加加工工硬硬化化开开始点始点。4局部

11、塑形变形阶段（曲线局部塑形变形阶段（曲线ef段）段） 1.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验在在de里里，随随着着变变形形量量的的增增加加，变变形形强强化化能能力力逐逐渐渐减减小小，终终于于发发生生变变形形强强化化跟跟不不上上变变形形的的发发展展，从从而而塑塑性性变变形形集集中中在在试试样样的的某某一一部部位位进进行行，致致使使该该处处截截面面不不断断减减小小，而而形形成成“缩缩颈颈”现现象象。这这样样，试试样样从从产产生生缩缩颈颈开开始始就就结结束束了了均均匀匀塑塑性性变变形形阶阶段段而而进进入入局部塑性变形阶段，其分界处就是拉伸曲线上最高的局部塑性变形阶段，其分界处就是拉伸曲线上最高的e

12、点。点。4局部塑形变形阶段（曲线局部塑形变形阶段（曲线ef段）段） 1.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验在在这这一一阶阶段段，变变形形将将全全部部局局限限于于试试样样的的缩缩颈颈处处使使缩缩颈颈部部位位的的横横截截面面积积急急剧剧减减小小。因因此此外外力力F不不断断降降低低，缩缩颈颈部部位位仍仍继继续续伸伸长长，最最后后就就在在缩缩颈颈处处产产生生断断裂裂。拉拉伸伸曲曲线线上上与与e点点相相对对应应的的外外力力Fb为试样为试样断裂前所能承受的最大拉力断裂前所能承受的最大拉力。1.2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验应力应力-应变曲线应变曲线低碳钢的应力低碳钢的应力- -应变曲线应变曲线1.

13、2.1 1.2.1 拉伸试验拉伸试验应力应力-应变曲线应变曲线将将拉拉伸伸力力伸伸长长曲曲线线的的纵纵、横横坐坐标标分分别别用用拉拉伸伸试试样样的的原原始始截截面面积积S0和和原原始始标标距距长长度度L0去去除除，则则得得到到应应力力-应应变变曲曲线线。因因均均系系以以一一常常数数相相除除，故故曲曲线线形形状状不不变变。这这样样的的曲曲线称为工程应力线称为工程应力-应变曲线。应变曲线。 应力应力F / S0 应变应变L/ L01. 弹性指标：弹性指标：弹性变形弹性变形: : 随完全卸载而消失的变形。随完全卸载而消失的变形。 弹性弹性: : 金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢金属材料

14、受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。复到原来形状及尺寸的性能。 刚性刚性: : 材料抵抗弹性变形的能力。材料抵抗弹性变形的能力。 比例极限比例极限p ： 金属拉伸曲线的初始阶段，力与变形成直线比例关系，而这个阶段金属拉伸曲线的初始阶段，力与变形成直线比例关系，而这个阶段的最大应力称为比例极限。的最大应力称为比例极限。弹性极限弹性极限e ： 完全卸载后不出现任何明显残余应变的最大应力完全卸载后不出现任何明显残余应变的最大应力, , 即即: :1. 弹性指标：弹性指标：弹性模量弹性模量E（在工程上也称材料的刚度在工程上也称材料的刚度） ： 应力应力- -应变曲线上完全弹

15、性变形阶段应变曲线上完全弹性变形阶段, ,应力与应变的比值应力与应变的比值, ,即即: : E主要取决于金属的本身性质，难以通过合金化、热处理和主要取决于金属的本身性质，难以通过合金化、热处理和加工的办法使之改变。加工的办法使之改变。1. 弹性指标：弹性指标：弹性模量弹性模量E （在工程上也称材料的刚度在工程上也称材料的刚度） ：1. 弹性指标：弹性指标：它它表表示示材材料料在在外外载载荷荷F作作用用下下抵抵抗抗弹弹性性变变形形的的能能力力。材材料料的的弹弹性性模模量量主主要要取取决决于于结结合合键键的的本本性性和和原原子子间间的的结结合合力力，而而材材料料的的成成分分和和组组织织对对它它的的

16、影影响响不不大大，所所以以说说它它是是一一个个对对组组织织不不敏敏感感的的性性能能指指标标，这这是是弹弹性性模模量量在在性性能能上上的的主主要要特特点点。改改变变材材料料的的成成分分和和组组织织会会对对材材料料的的强强度度（如屈服强度、抗拉强度）有显著影响，但对材料的刚度影响不大。（如屈服强度、抗拉强度）有显著影响，但对材料的刚度影响不大。 2. 强度指标：强度指标：强度：强度： 表征材料对变形和断裂的抗力的指标，单位为表征材料对变形和断裂的抗力的指标，单位为MPa或或N/mm2。屈服强度屈服强度 s： 试样屈服时承受的最小应力试样屈服时承受的最小应力 。表征材料对明显塑性变形的抗力。表征材料

17、对明显塑性变形的抗力。屈服是指拉伸过程中，应力不增加或有所下降而试样能继续变形的屈服是指拉伸过程中，应力不增加或有所下降而试样能继续变形的状态。状态。2. 强度指标：强度指标：条件屈服强度条件屈服强度0.2 ： 某某些些材材料料在在拉拉伸伸试试验验中中没没有有明明显显的的屈屈服服现现象象，规规定定产产生生0.2%的残余变形时材料所承受的应力。的残余变形时材料所承受的应力。 强度极限（抗拉强度）强度极限（抗拉强度）b ： 试样能承受的最大应力。表征材料对最大均匀变形的抗力。试样能承受的最大应力。表征材料对最大均匀变形的抗力。 2. 强度指标：强度指标：比强度比强度 ： 材料的强度值与密度值之比材

18、料的强度值与密度值之比名称名称密度密度(g / cm(g / cm3 3) )强度强度( MPa )( MPa )比强度比强度纯铝纯铝2.72.7808010010030303737纯铁纯铁7.877.8718018028028023233636纯钛纯钛4.54.54054055005009090111111塑性变形：塑性变形： 不可恢复的永久变形。塑性是表征材料断裂前具有塑性变形不可恢复的永久变形。塑性是表征材料断裂前具有塑性变形的能力。的能力。 3. 塑性指标：塑性指标：断后伸长率断后伸长率（5、10）： 断后试样标距伸长量与原始标距之比的百分率，断后试样标距伸长量与原始标距之比的百分率，

19、即：即： 10% 属塑性材料属塑性材料3. 塑性指标：塑性指标： 断面收缩率断面收缩率： 断后试样横截面积的最大缩减量与原始横截面积之比的百分率，断后试样横截面积的最大缩减量与原始横截面积之比的百分率，即：即： 材料的塑性指标一般不直接用于机械设计计算。材料的塑性指标一般不直接用于机械设计计算。3. 塑性指标：塑性指标：零件遭受意外过载或冲击时，通过塑性变形可以避免突然断裂。零件遭受意外过载或冲击时，通过塑性变形可以避免突然断裂。材料具有一定塑性可保证某些成型工艺（如冷冲压、轧制、冷弯材料具有一定塑性可保证某些成型工艺（如冷冲压、轧制、冷弯等）顺利进行。等）顺利进行。对于金属材料，塑性指标还反

20、映了其冶金质量的好坏。对于金属材料，塑性指标还反映了其冶金质量的好坏。力学性能力学性能性能指标性能指标说说 明明符号符号名称名称强度强度b抗拉强度抗拉强度试样在拉断前承受的最大应力值试样在拉断前承受的最大应力值s 屈服强度屈服强度材料开始产生屈服现象时的应力材料开始产生屈服现象时的应力0.2 条件屈服强度条件屈服强度对于无明显屈服的材料，规定残余应变为对于无明显屈服的材料，规定残余应变为0.20.2时所对应的应力值时所对应的应力值塑性塑性（ 5、10）断后伸长率断后伸长率试样断后标距与原始标距之比的百分率，试样的长度试样断后标距与原始标距之比的百分率，试样的长度/ /直径比为直径比为5 5、1

21、010时记为时记为5 5、1010断面收缩率断面收缩率试样拉断处横截面积减缩量与原始横截面积的百分比试样拉断处横截面积减缩量与原始横截面积的百分比弹性弹性e弹性极限弹性极限产生完全弹性变形时所能承受的最大应力产生完全弹性变形时所能承受的最大应力p比例极限比例极限产生弹性变形并完全符合虎克定律时所能承受的最大应力产生弹性变形并完全符合虎克定律时所能承受的最大应力刚性刚性E弹性模量弹性模量完全弹性变形时应力与应变的比值，表征材料对弹性变形的抗力完全弹性变形时应力与应变的比值，表征材料对弹性变形的抗力拉伸试验的主要力学性能指标小结拉伸试验的主要力学性能指标小结1.2.2 1.2.2 硬度硬度n硬硬度

22、度是是材材料料表表面面抵抵抗抗局局部部压压入入变变形形或或刻刻划划破破裂裂等等的的能力。能力。n工程中常用的硬度指标有：工程中常用的硬度指标有： 布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度硬度的种类及测试方法硬度的种类及测试方法硬度试硬度试验方法验方法压入法压入法划痕法划痕法加载速加载速率率静载静载 试验法试验法动载动载 试验法试验法布氏硬度布氏硬度洛氏硬度洛氏硬度维氏硬度维氏硬度显微硬度显微硬度肖氏硬度肖氏硬度锤击布氏硬锤击布氏硬度度莫氏硬度莫氏硬度材料抵抗破断的能力材料抵抗破断的能力材料变形功的材料变形功的大小大小材料表明局部地区材料表明局部地区抵抗变形的能力抵抗变形的能力H

23、B=F/SHB=F/S压痕深度压痕深度布氏硬度计布氏硬度计 1. 1. 布氏硬度布氏硬度( Brinell-hardness )( Brinell-hardness )n用于测定硬度不高的金属材料。用于测定硬度不高的金属材料。主要有铸铁、有色金属、低合主要有铸铁、有色金属、低合金结构钢、结构调质钢等。金结构钢、结构调质钢等。测定原理：测定原理： 用用一一定定大大小小的的载载荷荷P P，把把直直径径为为D D的的淬淬火火钢钢球球压压入入被被测测金金属属的的表表面面，保保持持一一定定的的时时间间后后卸卸除除载载荷荷，用用金金属属压压痕痕的的表表面面积积，除载荷所得的商值即为布氏硬度值。除载荷所得的

24、商值即为布氏硬度值。1. 1. 布氏硬度布氏硬度( Brinell-hardness )( Brinell-hardness )布氏硬度测量示意图布氏硬度测量示意图适用范围适用范围: :v 450HBS450HBSv 650HBW650HBW布氏硬度测试规范：布氏硬度测试规范： 根据材料的软硬和试样的不同选择合适的载荷根据材料的软硬和试样的不同选择合适的载荷P与钢球直径与钢球直径D。d/D应在应在0.240.6之间。之间。布氏硬度值的表示方法布氏硬度值的表示方法 符号符号HBS或或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序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分别表示

25、球体直径（mm）、载荷及、载荷及（N）载荷保持时间载荷保持时间（s） 。 如如:120HBS10/1000/30表示直径为表示直径为10mm的钢球在的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120。布氏硬度的特点布氏硬度的特点 为为了了使使同同一一材材料料用用不不同同的的P P和和D D值值测测得得的的HBHB值值相相同同，应使应使P/DP/D2 2= =常数。常数。 压坑面积大，误差小，压坑面积大，误差小， 但不宜检验成品、小件、薄件；但不宜检验成品、小件、薄件； HBHB 650 650 不适；不适； 多用于毛坯及原材料

26、。多用于毛坯及原材料。h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图2.2.洛氏硬度洛氏硬度 HR ( Rockwell hardness )HR ( Rockwell hardness ) n测试原理：测试原理：用一定规格的压头，在一定载荷作用下压入试样表面，用一定规格的压头，在一定载荷作用下压入试样表面，然后测定压痕的深度来计算并表示其硬度的大小，用符号然后测定压痕的深度来计算并表示其硬度的大小，用符号HRHR来表示。来表示。 2.2.洛氏硬度洛氏硬度 HR ( Rockwell hardness )HR ( Rockwell hardness ) n主要有主要有HRAHRA、HRBHRB

27、、HRCHRC、HRFHRF等。等。 洛氏硬度值的表示方法洛氏硬度值的表示方法 硬度值可从洛氏硬度计的百分度盘上直接读硬度值可从洛氏硬度计的百分度盘上直接读 出，标记时将硬度值置于出，标记时将硬度值置于HRHR前。前。 例：例：60HRC60HRC、75HRA75HRA洛氏硬度的特点洛氏硬度的特点迅速方便，可直接读数；迅速方便，可直接读数；压坑小，适于薄材或成品的检测；压坑小，适于薄材或成品的检测；误差稍大，宜不同部位多点测量取平均值。误差稍大，宜不同部位多点测量取平均值。2.2.洛氏硬度洛氏硬度 HR ( Rockwell hardness )HR ( Rockwell hardness )

28、3. 3. 维氏硬度维氏硬度 HV (VikerHV (Vikers hardness)s hardness) 测试原理：测试原理： 维氏硬度测试原理与布氏硬度相维氏硬度测试原理与布氏硬度相同，不同点是压头为金刚石四方角锥体，同，不同点是压头为金刚石四方角锥体，所加负荷较小。所测硬度值精确。改变负所加负荷较小。所测硬度值精确。改变负荷可测定从极软到极硬材料的硬度。荷可测定从极软到极硬材料的硬度。3. 3. 维氏硬度维氏硬度 HV (VikerHV (Vikers hardness)s hardness)维氏硬度值的表示方法维氏硬度值的表示方法适用范围适用范围: : 测量薄板类测量薄板类 HVH

29、BSHVHBS 硬度值硬度值+HV+HV+试验力（试验力（kgfkgf）数字）数字+ +载荷保持时间载荷保持时间例：例：640HV30/20640HV30/20维氏硬度的特点维氏硬度的特点 HV HV值不随载荷变化，即不同载荷下的值不随载荷变化，即不同载荷下的HVHV可相互比较；可相互比较；测量精度高，测量范围广；测量精度高，测量范围广； 特特别别适适用用于于测测定定工工件件表表面面硬硬化化层层、金金属属镀镀层层及及薄薄片片金金属属的硬度。的硬度。4. 4. 显微硬度显微硬度测试原理：测试原理： 与维氏硬度完全相同，与维氏硬度完全相同，只是所用载荷要小得多。只是所用载荷要小得多。常用于测定材料

30、中某个相常用于测定材料中某个相的硬度。的硬度。测试原理：测试原理： 里里氏氏硬硬度度试试验验也也是是动动载载荷荷试试验验法法，它它是是用用规规定定质质量量的的冲冲击击体体在在弹弹力力作作用用下下以以一一定定速速度度冲冲击击试试样样表表面面，用用冲冲头头(碳碳化化钨钨球球)的回弹速度表征金属的硬度值。里氏硬度的符号为的回弹速度表征金属的硬度值。里氏硬度的符号为HL。5. 5. 里氏硬度（里氏硬度（LeebLeebs hardnesss hardness）: : 里里氏氏硬硬度度计计均均为为手手提提式式，使使用用方方便便，可可在在现现场场测测量量大大型型工件的硬度。工件的硬度。5. 5. 里氏硬度

31、（里氏硬度（LeebLeebs hardnesss hardness）: :几种硬度指标小结几种硬度指标小结硬度种类硬度种类硬度符号硬度符号压头类型压头类型载荷载荷/kgf/kgf硬度值有效范硬度值有效范围围典型应用典型应用布氏布氏HBSHBS 10mm10mm淬火淬火钢球钢球10001000450450退火、正火或调质退火、正火或调质钢件钢件HBWHBW 10mm10mm硬质硬质合金球合金球10001000650650淬火钢等较硬材料淬火钢等较硬材料洛氏洛氏HRAHRA120120。金刚石金刚石圆锥圆锥606070-8570-85硬质合金、表面淬硬质合金、表面淬火钢火钢HRBHRB 1.58

32、8mm1.588mm淬淬火钢球火钢球10010025-10025-100退火钢、有色合金退火钢、有色合金HRCHRC120120。金刚石金刚石圆锥圆锥15015020-6720-67一般淬火钢件一般淬火钢件维氏维氏HVHV136136金刚石金刚石四棱锥四棱锥5 51201200-10000-1000经表面处理后的材经表面处理后的材料表面层料表面层13 动载力学性能动载力学性能n动载荷是指由于运动而产生的作用在构件上的力。动载荷是指由于运动而产生的作用在构件上的力。n根据作用的性质不同分为交变载荷与冲击载荷。根据作用的性质不同分为交变载荷与冲击载荷。n动载力学性能指标主要有冲击韧性和疲劳强度。动

33、载力学性能指标主要有冲击韧性和疲劳强度。1.3.1 1.3.1 冲击韧性冲击韧性韧性：韧性： 材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。 冲击韧性：冲击韧性： 是是材材料料在在冲冲击击载载荷荷作作用用下下抵抵抗抗变变形形和和断断裂裂的的能能力力。常常用用一一次次弯弯曲曲冲冲击击韧韧性性试试验验ak值值来来表表示示。 ak值值是是带带缺缺口口标标准准试试样样快快速速冲冲断断时时，单单位位横横截截面面积积吸吸收收的的功功。冲冲击击韧韧性性是是材材料料强强度度和和塑塑性性综综合作用的结果。合作用的结果。一次弯曲冲击韧性试验一次弯曲冲击韧性试验冲击韧性试样冲击

34、韧性试样冲击韧性试样冲击韧性试样试样：夏比试样：夏比U U型缺口试样（梅氏试样）型缺口试样（梅氏试样） 夏比夏比V V型缺口试样（夏氏试样）型缺口试样（夏氏试样）试样冲断时所消耗的冲击功试样冲断时所消耗的冲击功Ak为为: A k = m g H m g h (J)冲击韧性值冲击韧性值ak：（J/cm2）Hha ak k的意义：的意义：的意义：的意义： 材材料料的的韧韧性性，表表示示材材料料在在冲冲击击载载荷荷作作用用下下抵抵抗抗变变形形和和断断裂裂的的能力能力； 对对材材料料内内部部缺缺陷陷、显显微微组组织织变变化化敏敏感感，可可检检验验材材料料冶冶金金质质量量与热加工质量与热加工质量; 受受

35、大大能能量量冲冲击击的的机机件件，需需一一定定 k以以保保证证安安全全，但但 k值值无无法法用用于零件设计计算，只能根据经验提出于零件设计计算，只能根据经验提出 k值要求。值要求。n n评定材料低温变脆倾向，测定材料的冷脆转变温度评定材料低温变脆倾向，测定材料的冷脆转变温度评定材料低温变脆倾向，测定材料的冷脆转变温度评定材料低温变脆倾向，测定材料的冷脆转变温度T TK K ；1.3.2 1.3.2 疲劳强度疲劳强度交变载荷：交变载荷： 方向、大小随时间呈周期循环性变化的载荷。方向、大小随时间呈周期循环性变化的载荷。循环应力：循环应力：周期性变动载荷作用下产生周期性变动载荷作用下产生循环周次循环

36、周次循环应力特征参数：循环应力特征参数：最大应力最大应力 maxmax、最小应力、最小应力 minmin、 应力半幅应力半幅 a a、平、平均应力均应力 m m 应力循环对称应力循环对称系数系数r= r= minmin / / maxmax疲劳断裂：疲劳断裂：定定义义：机机件件在在交交变变载载荷荷作作用用下下，在在长长时时间间工工作作后后发发生生突突然然断断裂裂的的现现象。象。机机理理:在在交交变变载载荷荷作作用用下下，材材料料表表面面应应力力集集中中处处和和材材料料内内部部缺缺陷陷处处首首先先产产生生疲疲劳劳裂裂纹纹，并并随随应应力力循循环环周周次次的的增增加加，疲疲劳劳裂裂纹纹不不断断扩扩

37、展展，甚至零件的有效横截面面积不能承受外载荷时突然断裂。甚至零件的有效横截面面积不能承受外载荷时突然断裂。特特点点：断断裂裂时时的的应应力力远远低低于于静静载载下下的的抗抗拉拉强强度度甚甚至至屈屈服服强强度度；无明显塑性变形；无明显塑性变形；无预兆、突然发生。无预兆、突然发生。测定：测定： 旋转弯曲疲劳试验旋转弯曲疲劳试验疲劳强度疲劳强度 ： 材料经无限次循环而不发生断裂的最小应力。表征了材料材料经无限次循环而不发生断裂的最小应力。表征了材料抵抗疲劳断裂的能力。抵抗疲劳断裂的能力。疲劳曲线疲劳曲线疲劳曲线疲劳曲线-1-1 ：材料承受对称循环交变应力时的疲劳强度。有色金属的循环次数一般取有色金属

38、的循环次数一般取 N = 10N = 108 8钢材的循环次数一般取钢材的循环次数一般取 N = 10N = 10N = 10N = 107 7 7 7疲劳断裂的危害性：疲劳断裂的危害性： 机件断裂机件断裂80%80%是疲劳断裂；是疲劳断裂； 突发性，难以防范；突发性，难以防范； 低应力脆断。低应力脆断。影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素 常常用用的的工工程程材材料料中中，金金属属的的疲疲劳劳抗抗力力最最高高（钢钢的的-1/b约约为为4050%，有有色色金金属属约约为为2550%），所所以以抗抗疲疲劳劳机机件件几几乎乎都都选选用用金金属属材材料料；陶陶瓷瓷与与聚聚合合物物的的疲疲劳劳抗抗力力

39、很很低低，不不能能用用于于制制造造承承受受交交变变载载荷荷的的零零件件；纤纤维维增增强强复复合合材材料料也也有有比比较较好好的的抗抗疲疲劳劳性性能能，处处于交变载荷下工作的应用正逐渐增多。于交变载荷下工作的应用正逐渐增多。影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素提高零件的疲劳强度可通过如下途径：提高零件的疲劳强度可通过如下途径： 合理选材；合理选材； 改善零件的形状与结构；改善零件的形状与结构； 减少材料的缺陷；减少材料的缺陷； 降低零件表面的粗糙度；降低零件表面的粗糙度； 对零件表面进行强化等。对零件表面进行强化等。14 材料的断裂韧性材料的断裂韧性低应力脆断：低应力脆断： 一些大型零件在远低于

40、材料的屈服强度的应力值作用下一些大型零件在远低于材料的屈服强度的应力值作用下发生的脆性断裂。发生的脆性断裂。 低应力脆断是由于材料本身固有微裂纹，在应力的作低应力脆断是由于材料本身固有微裂纹，在应力的作用下失稳扩展的结果用下失稳扩展的结果。断裂韧性断裂韧性： 材料抵抗裂纹失稳扩展能力的性能指标。材料抵抗裂纹失稳扩展能力的性能指标。裂纹尖端的应力集中现象和应力场强度因子：裂纹尖端的应力集中现象和应力场强度因子：应应力力强强度度因因子子K是是表表达达裂裂纹纹运运动动规规律律的的函函数数，是是裂裂纹纹体体所所受受各各种种外外力力在在裂裂纹纹顶顶端端产产生生效效果果的的综综合合体体现现，这这种种效效果

41、果通通过过 f (Y，a) 表表现现出出来来。因因此此，对对于于一一定定形形状状和和尺尺寸寸的的裂裂纹纹，在在一一定定的的应应力力环环境境中中，其其应应力强度因子是惟一确定的，也因此而有确定的运动规律。力强度因子是惟一确定的，也因此而有确定的运动规律。断裂韧性（断裂韧性（KI c) )： 一个有裂纹的试样，在所加拉力逐渐增加，或裂纹逐渐扩展时，裂纹一个有裂纹的试样，在所加拉力逐渐增加，或裂纹逐渐扩展时，裂纹尖端的应力场强度因子尖端的应力场强度因子K KI I也随之逐渐增大，当也随之逐渐增大，当K KI I达到临界值时，裂纹达到临界值时，裂纹将产生突然的失稳扩展，这个应力场强度因子的临界值，称为

42、材料的将产生突然的失稳扩展，这个应力场强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性。如果裂纹尖端处于平面应变状态，则断裂韧性的值最低，断裂韧性。如果裂纹尖端处于平面应变状态，则断裂韧性的值最低，称为平面应变断裂韧性，用称为平面应变断裂韧性，用KI c表示。表示。 KI 和和 KIC是两个不同的概念。两者的区别是两个不同的概念。两者的区别类似于类似于与与s 的区别。的区别。 KI 和和对应，都对应，都是是力学参量，只和载荷及力学参量，只和载荷及试样尺寸有关，而和材料无关；试样尺寸有关，而和材料无关； KIC和和s对应，都是力学性能指标，只和对应，都是力学性能指标，只和材料成分、组织结构有关，而和载荷及试

43、样材料成分、组织结构有关，而和载荷及试样尺寸无关。尺寸无关。 金属材料的金属材料的KI c值最高，复合材料次之，高分子材料和陶值最高，复合材料次之，高分子材料和陶瓷最低。瓷最低。 断裂韧性（断裂韧性（ K KI cI c) ) 反映了材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。反映了材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。它与裂纹本身的大小、形状以及外加应力的大小均无关。只与材它与裂纹本身的大小、形状以及外加应力的大小均无关。只与材料的成分、热处理及加工工艺有关料的成分、热处理及加工工艺有关。 断裂断裂K K判据判据 当当K KI I I I K KIC IC IC IC 裂纹失稳扩展而断裂裂纹失稳扩展而断裂15 其他力

44、学性能其他力学性能磨损磨损 黏着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、接触疲劳黏着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、接触疲劳材料的高温性能材料的高温性能 1.1.蠕变蠕变 材材料料在在长长时时间间的的恒恒温温、恒恒应应力力作作用用下下，即即使使应应力力小小于于屈屈服强度，也会发生缓慢塑性变形的现象。服强度，也会发生缓慢塑性变形的现象。2.2.应力松弛应力松弛 承受弹性变形的零件在工作中总变形量保持不变，承受弹性变形的零件在工作中总变形量保持不变，但随时间的延长工作应力自行衰减的现象。但随时间的延长工作应力自行衰减的现象。3.3.蠕变强度蠕变强度 材料在一定温度下、一定时间内产生一定永久变形材料在一定温度下、一定时间内产生一定永久变形量所能承受的最大应力。量所能承受的最大应力。4.4.持久强度持久强度 材料在一定温度下、一定时间内所能承受的最大应力。材料在一定温度下、一定时间内所能承受的最大应力。