第一節(jié)金屬材料的力學(xué)性能第一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四2、金屬材料按是否含F(xiàn)e元素分為：1）黑色金屬：鐵族材料，指Fe及以Fe為基的合金。①鋼：碳鋼，合金鋼，特殊性能鋼等。②鑄鐵：灰鑄鐵，球墨鑄鐵，可鍛鑄鐵，蠕墨鑄鐵等。

2）有色金屬：非鐵族材料，指黑色金屬以外的所有金屬及合金。①銅及銅合金。②鋁及鋁合金，等等。

3）粉末金材料在機(jī)械制造中應(yīng)用的金屬以黑色金屬為主，占90%以上。第二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四那么，為什么金屬材料或者黑色金屬材料是用來制造機(jī)器的最主要材料？這是因?yàn)椋?/p>

其具有優(yōu)良的機(jī)械性能（力學(xué)性能）、工藝性能，并具較好的物理性能及化學(xué)穩(wěn)定性。那么，什么是金屬材料的機(jī)械性能（力學(xué)性能）？什么是金屬材料的工藝性能？什么是金屬材料的物理性能及化學(xué)性能？第三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四第1節(jié)金屬材料的力學(xué)性能

力學(xué)性能：材料在外力（靜載荷、動(dòng)載荷、交變載荷）作用下，所表現(xiàn)出的性能。包括強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度等,是選擇、使用金屬材料的重要依據(jù)。一、靜載時(shí)材料的力學(xué)性能（一）靜載拉伸試驗(yàn)1.拉伸試樣（GB6397-86）長(zhǎng)試樣：L0=10d0,短試樣：L0=5d0第四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四拉伸過程2.拉伸過程：第五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四1）op/pe段：直線(彈性變性)2）es段：曲線(彈性變形+塑性變形)5）b點(diǎn)：出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，即試樣局部截面明顯縮小試樣承載能力降低，拉伸力達(dá)到最大值，試樣即將斷裂。3）ss’段：水平線（略有波動(dòng)），塑性變形,作用的力基本不變，試樣連續(xù)伸長(zhǎng)。4）s’b曲線：彈性變形+塑性變形

拉伸試驗(yàn)中得出的拉伸力與伸長(zhǎng)量的關(guān)系曲線：第六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四彈性變形階段塑性變形階段頸縮現(xiàn)象至斷裂拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象低碳鋼拉伸過程變化的三個(gè)階段：第七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四ΔLF0另，脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對(duì)比）脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象。

第八頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四（二）彈性與塑性彈性

金屬材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去掉后能回復(fù)其原來形狀的性能，叫做彈性。彈性變形

隨著外力消失而消失的變形，叫做彈性變形。塑性

金屬材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不致引起破壞的性能叫做塑性。塑性變形

在外力消失后留下來的這部分不可恢復(fù)的變形，叫做塑性變形。第九頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四（1）彈性變形：

材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后恢復(fù)其原來形狀，這種隨外力消失而消失的變形，稱為彈性變形。FFF第十頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四（2）塑性變形:

材料在外力作用下產(chǎn)生永久的不可恢復(fù)的變形，稱為塑性變形。FFF第十一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四很顯然，金屬材料具有不同的彈性和塑性，那么，金屬材料的彈性和塑性如何衡量？1、彈性的衡量：彈性模量E彈性:金屬材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去掉后能恢復(fù)其原來形狀的性能，也就是，力和變形同時(shí)存在、同時(shí)消失。

應(yīng)力σ:單位面積上的拉力4P/πd2應(yīng)變?chǔ)?單位長(zhǎng)度上的伸長(zhǎng)量ΔL/L0

σe——彈性極限

剛性:金屬材料在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。第十二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四1）伸長(zhǎng)率（δ）l1-l0l0×100%δ=l1——試樣拉斷后的標(biāo)距,mm;l0——試樣的原始標(biāo)距,mm。2、塑性的衡量（塑性指標(biāo)）：伸長(zhǎng)率δ和斷面收縮率Ψ

第十三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四2）斷面收縮率（Ψ）S0-S1S0Ψ=×100%S0——試樣原始橫截面積,mm2；S1——頸縮處的橫截面積,mm2。δ、ψ越大，材料塑性越好。第十四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四(三)強(qiáng)度金屬材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力——強(qiáng)度。按作用力性質(zhì)不同，可分為屈服強(qiáng)度（屈服點(diǎn)）及抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等。在工程上常用來表示金屬材料強(qiáng)度的指標(biāo)有屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。分類拉力——屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度壓力——抗壓強(qiáng)度彎曲力——抗彎強(qiáng)度剪切力——抗剪強(qiáng)度第十五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四作用在機(jī)件上的外力——載荷FFF=F’

（MPa）外力——內(nèi)力——應(yīng)力（單位截面上的內(nèi)力）F’Fσ=F’/S材料受力第十六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四

低碳鋼拉伸時(shí)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線應(yīng)力σ:單位面積上的拉力4P/πd2應(yīng)變?chǔ)?單位長(zhǎng)度上的伸長(zhǎng)量ΔL/L0第十七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四1.屈服強(qiáng)度（屈服極限、屈服點(diǎn)）：

當(dāng)載荷增達(dá)到s點(diǎn)時(shí)，拉伸曲線出現(xiàn)了平臺(tái)，即試樣所承受的載荷幾乎不變，但塑性變形不斷增加，這種現(xiàn)象稱為屈服。

屈服點(diǎn)是指在外力作用下開始產(chǎn)生明顯塑性變形的最小應(yīng)力。用σs表示。

計(jì)算公式:σs=FsS0應(yīng)用：制作機(jī)械零件和工程構(gòu)件時(shí)的選材和設(shè)計(jì)的依據(jù)。第十八頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四條件屈服強(qiáng)度σ0.2有些材料在拉伸圖中沒有明顯的水平階段。為了衡量這些材料的屈服特性,規(guī)定產(chǎn)生永久殘余變形等于一定值(一般為原長(zhǎng)度的0.2%)時(shí)的應(yīng)力,稱為條件屈服強(qiáng)度或簡(jiǎn)稱屈服強(qiáng)度σ0.2。

脆性材料拉伸試驗(yàn)的屈服點(diǎn)：試樣卸除載荷后，其標(biāo)距部分的殘余伸長(zhǎng)率達(dá)到試樣標(biāo)距長(zhǎng)度的0.2%時(shí)的應(yīng)力，用符號(hào)σ0.2表示。第十九頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四FsS0σs=

應(yīng)用：σs和σ0.2常作為零件選材和設(shè)計(jì)的依據(jù)。脆性材料的屈服點(diǎn)ΔLF0F0.20.2%L0F0.2S0σ0.2=計(jì)算公式:第二十頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四

σb=FbS0應(yīng)用：制作機(jī)械零件和工程構(gòu)件時(shí)的選材和設(shè)計(jì)的依據(jù)。計(jì)算公式:2.抗拉強(qiáng)度（強(qiáng)度極限）:材料承受最大載荷時(shí)的應(yīng)力。用σb表示。第二十一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四

屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度在機(jī)械設(shè)計(jì)和選擇、評(píng)定金屬材料時(shí)有重要意義，材料不能在超過其σs的條件下工作，否則會(huì)引起機(jī)件的塑性變形；更不能超過其

σb的條件下工作，否則會(huì)導(dǎo)致機(jī)件的破壞。第二十二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四(四)、硬度:材料抵抗更硬的物體壓入其內(nèi)的能力,是材料性能的一個(gè)綜合物理量。表示材料在一個(gè)小的體積范圍內(nèi)抵抗彈性變形、塑性變形或破斷的能力。金屬材料的硬度可用硬度儀來測(cè)試，常用的硬指標(biāo)有布氏硬度、洛氏硬度等。

1.布氏硬度HB用直徑D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球,在一定壓力P下,將鋼球垂直地壓入金屬表面,并保持壓力到規(guī)定的時(shí)間后卸荷,測(cè)壓痕直徑d.

HB=F/S(N/mm2)單位一般不寫S-壓痕面積.

布氏硬度試驗(yàn)原理圖第二十三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四布氏硬度計(jì)

第二十四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四計(jì)算公式：

壓頭是直徑為D的鋼球或硬質(zhì)合金球。

HBS——壓頭為鋼球，用于測(cè)量<450HBSHBW——壓頭為硬質(zhì)合金,用于測(cè)量>450HBW（<650HBW）第二十五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四特點(diǎn)：

布氏硬度因壓痕面積較大，HB值的代表性較全面，而且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重復(fù)性也好。由于淬火鋼球本身的變形問題，不能試驗(yàn)太硬的材料，一般測(cè)HB450以下的材料；硬質(zhì)合金可測(cè)HB450以上的材料。

由于壓痕較大，不能進(jìn)行成品檢驗(yàn)。

通常用于測(cè)定鑄鐵、有色金屬、低合金結(jié)構(gòu)鋼等材料的硬度。2.洛氏硬度HR用金剛石圓錐或鋼球作壓頭，在規(guī)定的預(yù)載荷和總載荷下，壓入材料，卸載后，測(cè)其深度ｈ，由公式求出，可在洛氏硬度計(jì)上直接讀出，無單位．

第二十六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四洛氏硬度計(jì)用金剛石圓錐或鋼球?yàn)閴侯^，實(shí)驗(yàn)時(shí)是根據(jù)測(cè)量到的壓入深度，轉(zhuǎn)變成刻度盤上的數(shù)據(jù)。第二十七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四洛氏硬度一般用于HB>450洛氏硬度試驗(yàn)1－試樣表面2－基準(zhǔn)線F0－初始試驗(yàn)力F1－主試驗(yàn)力F－總試驗(yàn)力A、C標(biāo)尺－金剛石圓錐壓頭B標(biāo)尺－鋼球壓頭

e－殘余壓痕深度增量，0.002mm為單位第二十八頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四洛氏硬度計(jì)第二十九頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四洛氏硬度的分類及應(yīng)用標(biāo)度壓頭總載荷（kg）應(yīng)用范圍適用材料HRA120o金剛石圓錐6070~85硬質(zhì)合金、表面淬火的鋼HRBΦ1.588mm鋼球10025~100軟鋼、退火鋼、銅合金HRC120o金剛石圓錐15020~67淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等第三十頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四特點(diǎn)：洛氏硬度HR可以用于硬度很高的材料，而且壓痕很小，幾乎不損傷工件表面，故在鋼件熱處理質(zhì)量檢查中應(yīng)用最多。但洛氏硬度由于壓痕較小，硬度代表性就差些，如果材料中有偏析或組織不均勻的情況，則所測(cè)硬度值的重復(fù)性也差。

第三十一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四

數(shù)顯維氏硬度計(jì)第三十二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四

數(shù)顯顯微硬度計(jì)第三十三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四二、動(dòng)載時(shí)材料的力學(xué)性能1、沖擊韌性:金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力叫做沖擊韌度。常用一次擺錘沖擊試驗(yàn)來測(cè)定金屬材料的沖擊韌度。第三十四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四擺錘式?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)機(jī)第三十五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四計(jì)算公式Ak=GH1

-GH2

=G（H1

-H2）試驗(yàn)原理：試樣被沖斷過程中吸收的能量即沖擊吸收功（Ak）等于擺錘沖擊試樣前后的勢(shì)能差。試驗(yàn)過程如圖所示。沖擊韌度（ak）：沖擊吸收功除以試樣缺口處截面積。第三十六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四ak=AK/S（J·cm-2）Ak—沖斷試樣所消耗的沖擊功（J）S—試樣斷口處的原始截面積（cm2）第三十七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四在沖擊載荷下工作的零件，很少是受大能量一次沖擊而破壞的；往往是受小能量多次重復(fù)沖擊而破壞的。試驗(yàn)表明：在沖擊能量不太大的情況下，其承受反復(fù)沖擊的能力主要取決于強(qiáng)度，而不是很高的沖擊韌性ak。材料韌性判據(jù)為沖擊韌性ak

，低值為脆性材料，高值為韌性材料。第三十八頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四2疲勞強(qiáng)度許多零件如曲軸、齒輪、連桿、彈簧等在交變載荷作用下工作，發(fā)生斷裂時(shí)的應(yīng)力遠(yuǎn)低于該材料的屈服強(qiáng)度，這種現(xiàn)象叫疲勞破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，80%機(jī)件失效是由于疲勞破壞。疲勞強(qiáng)度——金屬材料在無數(shù)次交變載荷作用下而不致于引起斷裂的最大應(yīng)力。第三十九頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四材料的疲勞強(qiáng)度通常在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定疲勞曲線,即交變應(yīng)力與斷裂前的循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系。有色金屬N》108，鋼材N>107不疲勞破壞

疲勞曲線疲勞破壞原因:

材料有雜質(zhì),表面劃痕,能引起應(yīng)力集中（指受力構(gòu)件由于幾何形狀、外形尺寸發(fā)生突變而引起局部范圍內(nèi)應(yīng)力顯著增大的現(xiàn)象）,導(dǎo)致微裂紋,裂紋擴(kuò)展致使零件不能承受所加載荷突然破壞.不斷裂