菏澤高級技工學?！?-2金屬的力學性能

想一想：1、金屬材料受力后會有什么反應(yīng)？2、金屬的力學性能的指標一般有哪些？怎樣獲得這些指標？3、金屬材料為什么會發(fā)生斷裂？§2-2金屬的力學性能金屬材料必須具有一種承受機械載荷而不超過許可變形或不破壞的能力，這種能力就是材料的力學性能。1.定義：

金屬材料在承受外力（靜、沖擊、交變）作用下，沒有超過許可變形或不破壞的能力——稱作金屬的力學性能。2.力學性能指標

主要包括：

強度、塑性、硬度、沖擊韌性、疲勞強度。力學性能指標是選擇、使用金屬材料的重要依據(jù)。

強度與塑性強度是指金屬材料在靜載荷作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。塑性是指金屬材料在靜載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不致引起破壞的能力。金屬材料的強度和塑性的判據(jù)可通過拉伸試驗測定。一、強度1）定義金屬在靜載荷作用下抵抗塑形變形和斷裂的能力。2）分類根據(jù)載荷作用方式不同：a）抗拉強度——主要的常用強度指標；b）抗壓強度；c）抗剪強度；d）抗扭強度；e）抗彎強度。材料強度的大小通常用單位面積上所承受的力來表示，其單位為N/m2(Pa)，但Pa這個單位太小，所以實際工程中常用MPa（MPa=106Pa）作為強度的單位。一般鋼材的屈服強度在200～2000MPa之間，如建造2008年北京奧運會主體育場“鳥巢”外部鋼結(jié)構(gòu)的Q460E鋼，其屈服強度為460MPa?？估瓘姸韧ㄟ^拉伸實驗測定

拉伸實驗1.拉伸試樣2.力—伸長曲線（以低碳鋼試樣為例）3.脆性材料的拉伸曲線1、拉伸試樣

圓形、矩形、六方形。L0=5d短試樣，L0=10d長試樣d0:原始直徑，L0:原始標距L=5d0L0

=kL=10d0S0=πd2/4k=5.65k=11.3所以長試樣：L=10d0短試樣：

L=5d0長試樣和短試樣2、力—伸長曲線2.力－伸長曲線彈性變形階段屈服階段頸縮現(xiàn)象拉伸試驗中得出的拉伸力與伸長量的關(guān)系曲線。強化階段返回上一頁下一頁回主頁

拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象ΔLF03.脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對比）注意：脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象。

3．強度指標

（1）屈服強度——當金屬材料出現(xiàn)屈服現(xiàn)象時，在實驗期間發(fā)生塑性變形而力不增加的應(yīng)力點。屈服強度分為上屈服強度ReH和下屈服強度ReL。ReL——試樣的下屈服強度，N/mm2；或MPa.FeL——試樣屈服時的最小載荷，N；So——試樣原始橫截面面積，mm2?；蚝苤匾蠖鄶?shù)零件不允許有塑性變形除低碳鋼、中碳鋼及少數(shù)合金鋼有屈服現(xiàn)象外，對于大多數(shù)沒有明顯的屈服現(xiàn)象的金屬材料。定義：條件屈服強度：Rp0.2（

σ0.2

）

規(guī)定：產(chǎn)生0.2%殘余伸長時的應(yīng)力作為條件屈服強度。指出：是工程技術(shù)中最重要的機械性能指標之一；是設(shè)計零件時作為選用金屬材料的重要依據(jù)。工程上各種構(gòu)件或機器零件工作時均不允許發(fā)生過量塑性變形，因此屈服強度ReL和規(guī)定殘余延伸強度Rp0.2是工程技術(shù)上重要的力學性能指標之一，也是大多數(shù)機械零件選材和設(shè)計的依據(jù)。ReL

和Rp0.2

常作為零件選材和設(shè)計的依據(jù)。傳統(tǒng)的強度設(shè)計方法，對韌性材料，以屈服強度為標準，規(guī)定許用應(yīng)力[σ]=ReL/n，安全系數(shù)n一般取2或更大。3）抗拉強度定義：指在外力作用下由產(chǎn)生大量塑性變形到斷裂前所承受的最大應(yīng)力，故又稱強度極限。公式：式中：

Rm—抗拉強度，MPa；Fm—指試樣被拉斷前所承受的最大外力，即拉伸曲線上b點所對應(yīng)的外力（N）;

S0

—試樣原始橫截面面積（mm2）或很重要，表示零件破壞前能抗的最大應(yīng)力值抗拉強度Rm的物理意義是塑性材料抵抗大量均勻塑性變形的能力。鑄鐵等脆性材料拉伸過程中一般不出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，抗拉強度就是材料的斷裂強度。斷裂是零件最嚴重的失效形式，所以，抗拉強度也是機械工程設(shè)計和選材的主要指標，特別是對脆性材料來講。若零件在使用時不允許產(chǎn)生過量塑性變形，應(yīng)以材料的σs或σ0.2進行設(shè)計計算。若零件在使用時只要求不發(fā)生破壞，則以材料的σb來設(shè)計計算。因此σs和σb是機械零件設(shè)計計算的主要依據(jù)。強度的意義強度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，一般鋼材的屈服強度在200～1000MPa之間。強度越高，表明材料在工作時越可以承受較高的載荷。當載荷一定時，選用高強度的材料，可以減小構(gòu)件或零件的尺寸，從而減小其自重。因此，提高材料的強度是材料科學中的重要課題，稱之為材料的強化。二、塑性

——在外力作用下金屬材料在斷裂前產(chǎn)生不可逆永久變形的能力常用的塑性判據(jù)：拉伸時的斷后伸長率和斷面收縮率1、斷后伸長率A

(δ)L0—試樣原始標距長度，mm。Lu—試樣拉斷后的標距長度，mm。同一材料的試樣長短不同，測得的斷后伸長率略有不同。由于大多數(shù)韌性金屬材料的集中塑性變形量大于均勻塑性變形量，因此，比例試樣的尺寸越短，其斷后伸長率越大，用短試樣（L0＝5d0）測得的斷后伸長率A略大于用長試樣（L0＝10d0）測得的斷后伸長率A11.3。2、斷面收縮率Z(Ψ

)S0—試樣原始橫截面面積，mm2

。Su—試樣拉斷后縮頸處的橫截面面積，mm2

。塑性的意義任何零件都要求材料具有一定的塑性。很顯然，斷后伸長率A和斷面收縮率Z越大，說明材料在斷裂前發(fā)生的塑性變形量越大，也就是材料的塑性越好。意義：

a）安全，防止產(chǎn)生突然破壞；

b）緩和應(yīng)力集中；

c）軋制、擠壓等冷熱加工變形。強度與塑性是一對相互矛盾的性能指標。在金屬材料的工程應(yīng)用中，要提高強度，就要犧牲一部分塑性。反之，要改善塑性，就必須犧牲一部分強度。正所謂“魚和熊掌二者不能兼得”。但通過細化金屬材料的顯微組織，可以同時提高材料的強度和塑性。通常情況下金屬的伸長率不超過90%，而有些金屬及其合金在某些特定的條件下，最大伸長率可高達1000%～2000%，個別的可達6000%，這種現(xiàn)象稱為超塑性。由于超塑性狀態(tài)具有異常高的塑性，極小的流動應(yīng)力，極大的活性及擴散能力，在壓力加工、熱處理、焊接、鑄造、甚至切削加工等很多領(lǐng)域被中應(yīng)用。超塑性GB/T228-2002新標準GB/T228-1987舊標準名稱符號名稱符號屈服強度①－屈服點σs上屈服強度ReH上屈服點σsU下屈服強度ReL下屈服點σsL規(guī)定殘余延伸強度Rp0.2規(guī)定殘余延伸應(yīng)力Σ0.2抗拉強度Rm抗拉強度σb斷后伸長率A或A11.3斷后伸長率δ5或δ10斷面收縮率Z斷面收縮率ψ【例】有一直徑d=10mm，Lo=100mm的低碳鋼試樣，拉身實驗時測得FeL=21kN，F(xiàn)m=29kN，du=5.65mm，Lu=138mm。求此試樣的ReL、Rm、A11.3、Z。

解：（1）計算SO，S1SO=πd2/4=3.14×102/4=78.5mm2S1=πdu2/4=3.14×（5.65）2/4=25mm2（2）計算ReL、Rm

ReL=FeL/SO=21×103/78.5=267.5MPa

Rm=Fb/SO=29×103/78.5=369.4MPa（3）計算A11.3、Z。

A11.3=(Lu-Lo)/Lo×100%=(138-100)/100×100%=38%

Z=(SO-S1)/SO×100%=(78.5-25)/78.5×100%=68%習題：某廠購進一批40鋼材，按國家標準規(guī)定，其力學性能的指標不低于下列數(shù)值：Rel=340MPa,Rm=540MPa,A=19％Z=45％.驗收時，用該材料制成d0=10mm的短試樣（原始標距為50mm）做拉伸試驗：當載荷達到28260N時，試樣產(chǎn)生屈服現(xiàn)象；載荷加至45530N時，試樣發(fā)生縮頸現(xiàn)象，然后被拉斷。拉斷后標距長為60.5mm，斷裂處直徑d1為7.3mm.試檢驗這批鋼材是否合格。三、硬度

材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力稱為硬度。常用的硬度實驗法有布氏硬度實驗法、洛氏硬度實驗法、維氏硬度實驗法。三、硬度硬度：硬度試驗方法:壓入法

它是材料性能的一個綜合的物理量。(表示金屬材料在一個小的體積范圍內(nèi)金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力）硬度是各種零件和工具必須具備的力學性能指標。布氏硬度（HB）洛氏硬度（HR）維氏硬度（HV）材料抵抗表面局部塑性變形的能力。一、布氏硬度1、測定原理布氏硬度計

2、計算公式HBS：淬火鋼球作壓頭；適用于＜450HBSHBW：硬質(zhì)合金作壓頭；適用于＜650HBW試驗時，根據(jù)被測的材料不同，球直徑、試驗力及試驗力保持時間按表1-1選擇材料種類布氏硬度范圍HBS（HBW）試樣厚度/mm0.102球的直徑/mm試驗力F/KN（kgf)試驗力保持時間/s鋼、鑄鐵140-4506～34～2<23010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)12<140>66～31010.05.09.807(1000)2.452(250)12非鐵金屬>1306～34～2<23010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)3036～1309～36～31010.05.09.807(1000)2.452(250)308～35>62.510.02.452(250)60表1-1布氏硬度試驗規(guī)范3、表示方法XXXHBS(W)XX/XXX/XX硬度值實驗力（N）G=mg(g=9.807)試驗力保持時間（s）500HBW5/750例：表示用直徑5mm硬質(zhì)合金球在7355N試驗力作用下保持10~15s測得的布氏硬度值為500120HBS10/1000/30表示用直徑10mm鋼球壓頭在9807N試驗力作用下保持30s測得的布氏硬度值為120習慣上布氏硬度值不標出試驗規(guī)范，如170HBS。壓頭直徑（mm）4、適用范圍

常用于測小于450HBS的原材料或零件毛坯的硬度，不能測淬火鋼件的硬度。優(yōu)點：測值重復(fù)性強、測量結(jié)果準確缺點：壓痕大，不適合成品檢驗二、洛氏硬度洛氏硬度的定義洛氏硬度實驗是目前應(yīng)用范圍最廣的硬度實驗方法。它是采用直接測量壓痕深度來確定硬度值的。采用金剛石圓錐體或淬火鋼球壓頭，壓入金屬表面后，經(jīng)規(guī)定保持時間后卸除主試驗力，以測量的壓痕深度來計算洛氏硬度值。測定原理1.原理（二）洛氏硬度返回上一頁下一頁回主頁加初載荷加主載荷卸除主載荷讀硬度值硬度符號壓頭類型總實驗力F/N硬度值有效范圍應(yīng)用范圍HRA金剛石圓錐體58870～85適用于測量硬質(zhì)合金、表面淬硬層或滲碳層HRB直徑為1.588mm鋼球98025～100適用于測量非鐵金屬,退火、正火鋼等HRC金剛石圓錐體147020～67適用于調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等試驗時，根據(jù)被測的材料不同，壓頭的類型、試驗力及按表1-2選擇，對應(yīng)的洛氏硬度標尺為HRA、HRB、HRC三種表1-2常用的三種洛氏硬度的試驗條件及應(yīng)用范圍2、符號HR=100—3、表示方法

符號HR前面的數(shù)字表示硬度值。HR后面的字母表示不同的洛氏硬度標尺。例：45HRC表示用C標尺測定的洛氏硬度值為45。洛氏硬度HRC可以用于硬度很高的材料，在鋼件熱處理質(zhì)量檢查中應(yīng)用最多。4、適用范圍優(yōu)點：操作簡便、迅速，效率高，可直接測量成品件及高硬度的材料。5.優(yōu)缺點缺點：壓痕小，測量不準確,需多次測量。三、維氏硬度1、測定原理用一定的試驗力F，將頂角為1360的金剛石四棱錐壓入金屬表面，保持一定時間后卸去試驗力，然后測出壓痕對角線長度d1、d2（mm），并求出壓痕對角線的平均值d。

2、計算公式3.表示方法：

與布氏硬度基本相同，在后面要標注試驗條件—試驗力和保持時間（10~15S不標）。

例：580HV30表示用

294.2N試驗力保持10~15S測定的維氏硬度值580。4.特點：優(yōu)點：適用范圍廣，從極軟到極硬材料都可測量;測量精度高，可比性強；能測較薄工件。缺點：測量操作較麻煩，測量效率低。應(yīng)用：廣泛用于科研單位和高校，以及薄件表面硬度檢驗。不適于大批生產(chǎn)和測量組織不均勻材料。

實踐證明，金屬材料的各種硬度值之間，硬度值與強度值之間具有近似的相應(yīng)關(guān)系。因為硬度值是由起始塑性變形抗力和繼續(xù)塑性變形抗力決定的，材料的強度越高，塑性變形抗力越高，硬度值也就越高。小結(jié)：四、沖擊韌性

強度、硬度、塑性等力學性能指標都是材料在靜載荷作用下的表現(xiàn)。

材料在工作時還經(jīng)常受到動載荷的作用，沖擊載荷就是常見的一種。在設(shè)計和制造受沖擊載荷的零件和工具（如鍛錘、沖床、鉚釘槍等）時，必須考慮所用材料除具有足夠的靜載荷作用下得力學性能指標外，還必須具有足夠的抵抗沖擊載荷的能力。沖擊載荷與靜載荷的主要區(qū)別在于加載時間短、加載速率高、應(yīng)力集中。由于加載速率提高，金屬形變速率也隨之增加。沖擊載荷對材料的作用效果或破壞效應(yīng)大于靜載荷。

材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力，稱為沖擊韌性。示例：玻璃在沖擊載荷作用下非常容易破裂，說明其沖擊韌性很低。1、沖擊試驗沖擊試樣沖擊試驗原理一次擺錘沖擊試驗沖擊韌性的表示方法如不能制備標準試佯，可采用寬度7.5mm或5mm等小尺寸試祥,試樣的其他尺寸及公差與相應(yīng)缺口的標準試樣相同，缺口應(yīng)開在試樣的窄面上。其中5mm×10mm×55mm試樣常用于薄板材料的檢驗。焊接接頭沖擊試樣的形狀和尺寸與相應(yīng)的標準試樣相同，但其缺口軸線應(yīng)當垂直焊縫表面。原理沖擊韌性可以通過一次擺錘沖擊試驗來測定，試驗時將帶有U型或V型缺口的沖擊試樣放在試驗機架的支座上，將擺錘升至高度H1，使其具有勢能mgH1；然后使擺錘由此高度自由下落將試樣沖斷，并向另一方向升高至H2，這時擺錘的勢能為mgH2。所以，擺錘用于沖斷試樣的能量

AK=mg（H1-H2），即為沖擊功（焦耳/J）。

2.材料沖擊韌性的表示方法國標GB/T229－1994沖擊功吸收功：表征金屬材料沖擊韌性高低的指標是沖擊功吸收功，也就是材料在斷裂前所吸收的能量。根據(jù)試樣缺口的不同，沖擊吸收功用AKV和AKU表示，單位為焦耳，數(shù)值可從試驗機的刻度盤上讀出。

2.材料沖擊韌性的表示方法國標GB/T229－2007沖擊吸收能量：表征金屬材料沖擊韌性高低的指標是沖擊吸收能量;

K＝mg（H1-H2）2.材料沖擊韌性的表示方法按照國標GB/T229－2007，U型缺口試樣和V型缺口試樣的沖擊能量分別表示為KU和KV，并用下標數(shù)字2或8表示擺錘刀刃半徑，如KU2

，其單位是焦耳（J）。沖擊吸收能量的大小直接由試驗機的刻度盤上直接讀出。沖擊吸收能量的值越大，材料的韌性越大，越可以承受較大的沖擊載荷。沖擊吸收能量K或沖擊韌性值K越大，材料的韌性越大，越可以承受較大的沖擊載荷。一般把沖擊吸收能量低的材料稱為脆性材料，沖擊吸收能量高的材料稱為韌性材料?！拘≠Y料】GB/T229－2007與GB/T229－1994相比，在金屬沖擊韌性的名稱和符號等方面有較大變化，為方便讀者學習，將關(guān)于金屬材料沖擊韌性的新、舊標準名稱和符號對照列于下表中。新標準GB/T229－2007舊標準GB/T229－1994名稱符號名稱符號沖擊吸收能量K沖擊吸收功AKU型缺口試樣在2mm錘刃下的沖擊吸收能量KU2U型缺口沖擊吸收功(2mm錘刃)AKUU型缺口試樣在8mm錘刃下的沖擊吸收能量KU8V型缺口試樣在2mm錘刃下的沖擊吸收能量KV2V型缺口沖擊吸收功(2mm錘刃)AKVV型缺口試樣在2mm錘刃下的沖擊吸收能量KV8轉(zhuǎn)變溫度Tt韌脆轉(zhuǎn)變溫度TC缺口沖擊試驗最大的優(yōu)點就是測量迅速簡便用于控制材料的冶金質(zhì)量和鑄造、鍛造、焊接及熱處理等熱加工工藝的質(zhì)量。用來評定材料的冷脆傾向（測定韌脆轉(zhuǎn)變溫度）。設(shè)計時要求機件的服役溫度高于材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。3.沖擊試驗的應(yīng)用3.沖擊試驗的應(yīng)用缺口沖擊試驗由于其本身反映一次或少數(shù)次大能量沖擊破斷抗力，因此對某些特殊服役條件下的零件，如彈殼、裝甲板、石油射孔槍等，有一定的參考價值。通過一次擺錘沖擊試驗測定的沖擊吸收吸收能量K是一個由強度和塑性共同決定的綜合性力學性能指標，不能直接用于零件和構(gòu)件的設(shè)計計算，但它是一個重要參考，所以將材料的沖擊韌性列為金屬材料的常規(guī)力學性能，ReL(Rr0.2)、Rm、A、Z和K被稱為金屬材料常規(guī)力學性能的五大指標。4.提高沖擊韌性的途徑?jīng)_擊韌性是一個對材料組織結(jié)構(gòu)相當敏感的量，所以提高材料的沖擊韌性的途徑有：

改變材料的成分，如加入釩、鈦、鋁、氮等元素，通過細化晶粒來提高其韌性，尤其是低溫韌性；

提高材料的冶金質(zhì)量，減少偏析、夾渣、氣泡等缺陷；

人工作久了就會感到疲勞，難道金屬工作久了也會疲勞嗎？金屬的疲勞能得到恢復(fù)嗎？金屬材料在受到交變應(yīng)力或重復(fù)循環(huán)應(yīng)力時，往往在工作應(yīng)力小于屈服強度的情況下突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。1998年6月3日，德國發(fā)生了戰(zhàn)后最慘重的一起鐵路交通事故。一列高速列車脫軌，造成100多人遇難。事故的原因已經(jīng)查清，是