1、工程材料的性能第一節(jié) 工程材料的力學性能幾個基本概念1.力學性能：材料在外力作用下顯示的性能。如：強度、硬度、塑性、韌性等。2.外力（載荷）：靜載荷、沖擊載荷、交變載荷。3.內(nèi)力和應力內(nèi)力：材料內(nèi)部產(chǎn)生的大小與載荷相等，方向相反的抗力。應力：單位面積上的內(nèi)力。P: 外力（N）A:受力面積（mm2）：應力（MPa）一、強度與塑性（一）強度：材料在靜載荷作用下抵抗變形和 斷裂的能力。強度抗拉強度抗壓強度抗剪強度抗彎強度抗扭強度一般以抗拉強度作為基本強度指標。1. 拉伸試樣: 根據(jù)GB6397-86制造。通常：l0=5d0 和 l0=10d0 ，D, h由夾頭尺寸定。l0LhD裝試樣 緩慢加載 試樣

2、伸長 頸縮斷裂試驗過程：實驗機記錄了拉斷時的最大載荷Fmax。曲線記錄儀上記錄了載荷和試樣相對伸長l的關(guān)系曲線。五個階段：oA段：彈性變形階段。最大載荷PA，去除載荷后變形完全消失。AB段：微量塑性變形階段。去除載荷后變形不能完全消失。BC段：屈服階段。最小載荷Ps，Ps不變，試樣變形繼續(xù)增加。CD段：(強化階段）均勻變形階段。最大載荷Pb，試樣產(chǎn)生大量塑性變形并沿標距均勻增加。DE段：頸縮階段。試樣局部變細（頸縮）載荷逐漸減小，最后在頸縮處被拉斷。OA段應力與應變呈正比關(guān)系，即符合虎克定律=E。E為材料的彈性模量，對特定的材料E為常數(shù)。該階段稱為比例變形階段。AA段曲線微彎表明應力與應變不呈

3、正比，但除去試驗力后試樣將恢復原長度，稱為彈性變形階段。由于A點與A點相距較近，通常不作區(qū)分，而把OA段稱為彈性變形階段。為使曲線能夠直接反映出材料的力學性能，可用應力（試樣單位截面上的力，）代替試驗力,以應變（試樣單位長度上的 伸長量，）取代伸長量l。由此繪成的曲線, 稱為應力應變曲線。曲線和 l曲線形狀相同，僅是坐標的含義不同。(b) 應力一應變曲線(-曲線) 2.強度指標（1）屈服點（屈服極限） 材料產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的最小應力 。（MPa）s 試樣屈服時所承受的最小試驗力，N； A0試樣原始截面積，mm2。 對無明顯屈服現(xiàn)象的（脆性材料）材料，規(guī)定殘余伸長應力r為相應的強度指標。 例如：0

4、.2為殘余伸長率為0.2%時的應力。通常0.2稱為條件屈服極限。OseA0.2%Ss0.2屈服強度s和規(guī)定殘余伸長應力0.2都是衡量材料塑性變形抗力的指標。機械零件在工作時如受力過大，則因過量的塑性變形而失效。當零件工作時所受的應力低于材料的屈服強度或規(guī)定的殘余伸長應力時，則不會產(chǎn)生過量的塑性變形。材料的屈服強度或規(guī)定的殘余伸長應力越高，允許的工作應力也越高，則零件的截面尺寸及自身質(zhì)量就可以減小。材料的屈服強度或規(guī)定的殘余伸長應力是機械零件設計的主要依據(jù)，是評定金屬材料性能的重要指標。屈服強度是對組織、成分敏感的性能，可通過熱處理、合金化以及塑性變形等方法在很大范圍內(nèi)變化。提高材料的屈服強度往

5、往是熱處理、合金化以及塑性變形的主要目的之一。（2）抗拉強度（強度極限）材料在拉伸過程中所能承受的最大載荷與原始截面積之比稱為抗拉強度。 （MPa）強度極限表征材料對最大均勻塑性變形的抗力，是材料的主要力學性能指標之一。零件在工作中所承受的應力，不允許超過抗拉強度，否則會產(chǎn)生斷裂。b也是機械零件設計和選材的重要依據(jù)。將試件拉伸到如圖1-2(b)的F點，逐漸撤力，卸載過程中試件的應力、應變沿著與OA平行的直線返回到O1點。表明材料在卸載中應力增量與應變增量成直線關(guān)系 即=E 卸載定律載荷全部卸掉后達到O1點，這表明OO1所代表的是不可消失的塑性應變p。對殘余應變試件再加載， 應力應變基本上沿著卸

6、載直線O1F上升，到F點后仍沿曲線FDE上升，直到斷裂。冷作硬化（加工硬化）當=s時并不發(fā)生屈服，而是達到F點的應力后才出現(xiàn)塑性變形，材料的比例極限提高了， 斷后的殘余應變比原來的少了OO1段。常溫下經(jīng)塑性變形使材料強度提高、 塑性降低的現(xiàn)象，叫做冷作硬化。當構(gòu)件對塑性的要求不高時，可用冷作硬化提高材料的比例極限與屈服極限，例如對起重機的鋼絲繩采用冷拔工藝，對某些型鋼采用冷軋工藝均可收到這種效果。建筑工程中的預應力鋼筋，是冷作硬化的一個應用。 1234102030e(%)0100200300400500600700800900s(MPa)1、錳鋼 2、硬鋁 3、退火球墨鑄鐵 4、低碳鋼特點：伸

7、長率較大，為塑性材料。 其它金屬材料拉伸時的力學性能測定灰鑄鐵拉伸機械性能 OPD L強度極限：Pb sb拉伸強度極限，脆性材料唯一拉伸力學性能指標。 應力應變不成比例，無屈服、頸縮現(xiàn)象，變形很小且sb很低。 金屬材料壓縮時的力學性能 比例極限spy，屈服極限ssy，彈性模量Ey基本與拉伸時相同。1.低碳鋼壓縮實驗：s(MPa)200400e0.10.2O低碳鋼壓縮應力應變曲線低碳鋼拉伸應力應變曲線應力集中的概念 應力集中程度與外形的驟變程度直接相關(guān)，驟變越劇烈，應力集中程度越劇烈。 靜載下，塑性材料可不考慮，脆性材料（除特殊的，如鑄鐵）應考慮。 動載下，塑性和脆性材料均需考慮。 應力集中現(xiàn)象

8、：由于截面驟變而引起的局部應力發(fā)生驟然變化的現(xiàn)象。 理想應力集中系數(shù):其中：-最大局部應力-名義應力（平均應力）（二）塑性1.塑性：材料在斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。斷裂前塑變大，稱為塑性好；反之塑性差。塑性差的材料稱為脆性材料。例如HT200。塑性好的材料便于鍛壓、冷沖壓、冷拔等加工工藝。2.塑性指標（1）伸長率：試樣拉斷后，標距的伸長 量與原始標距的百分比，稱為伸長率。l0試樣原始標距長度，mm。l1試樣拉斷后的標距長度，mm。伸長率的數(shù)值與試樣尺寸有關(guān)，試驗時應對所選定的試樣尺寸做出規(guī)定，以便比較。如l0=5d0時，用5表示；l0=10d0時，用10或表示。A0試樣的原始截面面積，mm2；

9、A1試樣拉斷后，斷口處截面積，mm2。和值愈大，材料的塑性愈好。 （2）斷面收縮率：試樣拉斷后，橫截面積 縮減量與原橫截面積之百分比。例1-1 有一低碳鋼拉伸試樣，原直徑為10mm、標距長為100mm，拉伸時在載荷為21000N時發(fā)生屈服，試樣斷裂前的最大載荷為30000N，斷裂后長度為133mm，斷裂處最小直徑為6mm, 試計算s、b、。解：計算試樣原始橫截面積A0 A0= (d0/2)2=(10/2)23.14=78.5（mm2）計算試樣斷口處截面積A1 A1= (d1/2)2=(6/2)23.14=28.3（mm2）s=Ps/A0= 21000/78.5 =267.5 MPab= Pb/

10、A0=30000/78.5 = 382.2 MPa二、硬度（一）硬度：材料表面抵抗局部變形特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力稱為硬度。它是衡量材料軟硬程度的指標。易壓入，材料軟，反之材料硬。通常硬度越高，材料的耐磨性越好，強度也越高。硬度是重要的力學性能指標。常用硬度指標有：布氏、洛氏和維氏三種。（二）硬度指標1.布氏硬度（1）試驗方法： 用一定大小的試驗力F,把 直徑為D金屬球壓入被測工件 的表面； 保持規(guī)定時間后卸除試驗力； 用讀數(shù)顯微鏡測出壓痕平均 直徑d, 求出或查出硬度值。1-5（2）試驗原理：用壓痕單位面積承受上的平均壓力表示硬度的大小。F為試驗載荷（N）；D為金屬球直徑（mm）;d

11、為壓痕直徑（mm）。當F、D一定時，d越小材料硬度越高。通常用專用放大鏡測d，查表得硬度值。（3）符號及表示方法符號：布氏硬度在450以下的材料，試驗壓頭為淬火鋼球，布氏硬度符號 HBS； 布氏硬度在 650以下的材料，試驗壓頭為硬質(zhì)合金球，布氏硬度符號HBW。表示方法：硬度值HBS(HBW)+壓頭直徑/試驗載荷/保荷時間例：170HBS10/1000/30表示用壓頭直徑為10mm的淬火鋼球，加載9807N ，保荷30秒，測得布氏硬度為170。當壓頭直徑為10mm，保荷時間為1015秒，載荷為29. 42kN（3000kgf）時，通常表示為：硬度值HBS（HBW）（4）試驗條件的選擇 0.25

12、Dd0.6D，否則測量無效，故需根據(jù)材料的種類、硬度范圍及厚度選擇試驗條件。試驗條件：壓頭常用直徑有10mm、5mm、2.5mm三種，試驗力有29420N、9807N、7355N、2452N、1839N、613N、153N等數(shù)種。 按表1-1選擇試驗條件。F/D2值相同時，才可比較硬度值大小。（5）布氏硬度試驗應用范圍主要用于鑄鐵、非鐵金屬以及經(jīng)退火、正火和調(diào)質(zhì)處理的鋼材的硬度測定。（低硬度材料）優(yōu)點：壓痕面積大，測量的硬度代表全面，與抗拉強度之間有一定換算關(guān)系。b=KHB（低碳鋼K3.6）。缺點:壓痕大，成品檢驗有困難，不易測薄板金屬材料的硬度，450(650)HB以上不能使用。（2）洛氏硬

13、度 洛氏硬度試驗原理 加初試驗力F0，壓入深度為h1。再加主試驗力F1，在總試驗力F的作用下，壓頭壓入深度為h2。卸除主試驗力，彈性變形恢復，壓頭回升到h3的位置，由主試驗力所引起的塑性變形的壓痕深度h=h3-h1。 測試原理：測量壓痕深度增量計算硬度值。金屬越硬，h值越小。 為適應習慣上數(shù)值越大硬度越高的觀念，規(guī)定常數(shù)K減去壓痕深度h的值為洛氏硬度指標， 且每0.002mm為一個洛氏硬度單位，用符號HR表示。洛氏硬度是一個無量綱材料性能指標，使用金剛石壓頭時，K=0.2；使用鋼球壓頭時，K=0.26。 洛氏硬度標尺：HRA、HRB、HRC三種。表1-2列出了各個硬度標尺的壓頭、總載荷及其適用

14、材料。其中，HRC在生產(chǎn)中應用最廣。硬度符號壓頭類型總試驗力F(kN)硬度值有效范圍應用舉例HRA120金剛石圓錐體0.58847085硬質(zhì)合金，表面淬硬層，滲碳層。HRB1.588mm鋼球0.980725100非鐵金屬，退火、正火鋼等。HRC120金剛石圓錐體1.47112067淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等?？傇囼灹?初始試驗力+主試驗力；初始試驗力全為98N。HR試驗的優(yōu)缺點優(yōu)點：操作迅速，可測極軟到極硬的材料，壓痕小可測成品或半成品硬度。（能直接讀出硬度值） 缺點：材料不均勻時測量不準確，不同標尺不能直接比較硬度大小。將被測工件的不同部位測量數(shù)次（至少三次），取其算術(shù)平均值，可解決重復性較差的缺點。

15、 例： 60HRC和80HRA不能直接比較大小。應用范圍：HRC標尺主用于測量淬火、調(diào)質(zhì)鋼的硬度。（HRA、HRB標尺的應用見表1-2)HRC與HB的近似關(guān)系：例：300HBS30HRC布氏硬度F/D2值相同時，才可比較大小且650HBW以上不能使用。洛氏硬度不同標尺不能直接比較硬度大小。維氏硬度（符號為HV） 可克服以上缺點其試驗方法和技術(shù)條件可參閱國家標準GB4340-84。維氏硬度適用范圍: 維氏硬度適用于測定微小、薄形、表面滲鍍層試件的顯微硬度 維氏硬度原理 采用正四棱錐體金剛石壓頭，在試驗力作用下壓入試樣表面，保持規(guī)定時間后，卸除試驗力，測量試樣表面壓痕對角線長度。 試驗力除以壓痕表

16、面積的商就是維氏硬度值。維氏硬度值按下式計算： HV = 常數(shù)試驗力/壓痕表面積 0.1891 Fd2式中：HV維氏硬度符號； F試驗力，N； d壓痕兩對角線d1、d2的算術(shù)平均值，mm 實用中是根據(jù)對角線長度d通過查表得到維氏硬度值。 國家標準規(guī)定維氏硬度壓痕對角線長度范圍為0.0201.400mm 維氏硬度維氏硬度的表示方法 維氏硬度計表示為HV，維氏硬度符號HV前面的數(shù)值為硬度值，后面為試驗力值。標準的試驗保持時間為1015S。如果選用的時間超出這一范圍，在力值后面還要注上保持時間。例如： 600HV30表示采用294.2N（30kg）的試驗力，保持時間1015S時得到的硬度值為600。

17、 600HV30/20表示采用294.2N（30kg）的試驗力，保持時間20S時得到的硬度值為600。 靜 載 荷包括不隨時間變化的恒載（如自重）和加載變化緩慢以至可以略去慣性力作用的準靜載（如鍋爐壓力）； 動 載 荷 動載荷包括短時間快速作用的沖擊載荷（如空氣錘）、隨時間作周期性變化的周期載荷（如空氣壓縮機曲軸）其對材料的作用效果或破壞效應大于靜載荷。三、韌性1. 沖擊韌性：材料抵抗沖擊載荷，而不致破壞的性能。強度：靜載荷指標。例：起重機用鋼絲繩，要考慮靜載荷指標。錘子、鍛模的工作條件就與靜載荷差距很大（沖擊載荷）要用韌性指標。2.沖擊試樣：方型截面，中間帶缺口。標準沖擊試樣試驗過程：（1）

18、將試樣放在試驗機支座上，缺口背向擺錘沖向；（2）將擺錘抬到一定高度H1;（3）使擺錘自由落下，將試樣擊斷并自由回升到高 度H2。H1-舉起高度（m）；H2-回升高度（m）；G-擺錘重量（N）。沖擊試驗示意圖試驗原理：（1）沖擊功的計算：E=GH1-GH2=G（H1-H2）（焦耳）（2）沖擊韌度： 沖擊試樣缺口處單位面積上的沖擊功。aku沖擊韌度（沖擊值）；Aku沖斷試樣所消耗的沖擊功，J；S0試樣缺口處的截面積，cm2。一般認為ak值越大，材料的韌性越好，即抗沖擊性能越好。對于承受大能量沖擊一次（或次數(shù)不多）而破壞的機件（如裝甲版等），ak值可作為沖擊抗力指標。生產(chǎn)中不少受沖擊負荷的機件如錘桿

19、、釬尾等用ak值作為抗力指標并未收到預期的效果。試驗分析認為這類機件是受多次沖擊才發(fā)生斷裂的，在沖擊能量低的多沖條件下，抗力主要取決于材料的強度。通常脆性材料的沖擊韌性值遠比塑性材料為低，承受沖擊載荷的構(gòu)件多采用塑性材料。沖擊值的大小與很多因素有關(guān)。受試樣形狀、表面粗糙度、內(nèi)部組織的影響，還與試驗時的環(huán)境溫度有關(guān)。因此，沖擊值一般作為選擇材料的參考，不直接用作強度計算。沖擊值對組織缺陷很敏感，它能反映出材料品質(zhì)、宏觀缺陷和顯微組織等方面的變化，因此，沖擊試驗是生產(chǎn)上用來檢驗冶煉、熱加工、熱處理等工藝質(zhì)量的有效方法。四、疲勞極限（疲勞強度）1. 疲勞（斷裂）：在變載荷低應力（小于ReH）條件下，

20、材料產(chǎn)生局部累計損傷，經(jīng)一定的應力循環(huán)次數(shù)而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。雜質(zhì)、表面劃痕等處 微裂紋 應力循環(huán)次數(shù)增加裂紋擴展 有效截面 突然斷裂2. 疲勞曲線交變應力與應力循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。材料在無數(shù)次循環(huán)載荷作用下不致引起斷裂的最大應力為疲勞極限。對稱應力循環(huán)時，疲勞強度以符號-1表示。水平線處表示該材料可經(jīng)受無數(shù)次應力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂，這個應力值稱為疲勞極限或疲勞強度。圖1-8 疲勞曲線3. 疲勞極限-1:鋼經(jīng)受107次、有色金屬經(jīng)受108次應力循環(huán)，不產(chǎn)生破裂的最大應力。例：一種鋼材-1= 60MPa，意指在最大值60MPa變載荷作用下，可承受107以上的應力循環(huán)。60MPa即該材料疲勞曲線平

21、臺處的應力值。4.提高疲勞強度的措施合理設計工件結(jié)構(gòu)、減少應力集中，采取表面強化的方法，提高工件的表面質(zhì)量等。 第二節(jié) 工程材料工藝性能工藝性能材料是否易加工成型的性能。包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能等。1.鑄造性能：能否用鑄造的方法獲得優(yōu)良鑄件的性能。包括流動性、收縮率和偏析傾向等。例：鑄鐵比鑄鋼的鑄造性能好，灰鑄鐵比球墨鑄鐵的鑄造性能好。2. 鍛造性能材料能否用鍛壓的方法獲得優(yōu)良鍛件的性能。一般與塑性與塑變抗力有關(guān)。塑性好易鍛，塑變抗力小易鍛。例：低碳鋼比高碳鋼鍛造性能好，鑄鐵不可鍛。3. 焊接性能 ：是否易用一定的焊接方法獲得優(yōu)良的焊接接頭的性能?？珊感院?，接頭不易開裂，

22、無氣孔，力學性能好。例：低碳鋼比高碳鋼焊接性能好，鑄鐵不可焊。4. 切削加工性能 材料是否易被刀具切削的性能。切削加工性能好，刀具磨損小，切削用量大，加工表面光潔。例：45鋼的切削加工性能比T10鋼好。Mn13鋼很難切削加工。（1）屈服點（屈服極限） 材料產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的最小應力 。小結(jié)強度指標1.強度材料在靜載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。（2）抗拉強度（強度極限） 材料拉斷前的最大應力。2. 塑性：材料在斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。塑性指標（1）伸長率：試樣拉斷后，標距的伸長量與原 始標距的百分比。（2）斷面收縮率：試樣拉斷后，橫截面積縮減 量與原橫截面積的百分比。3. 硬度材料抵抗局部變形、壓痕或刻劃的能力。（1）布氏硬度：用