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金属工艺学金属的力学性能本讲稿第一页，共三十五页材料的性能材料的性能使用性能工艺性能 物理性能 化学性能 力学性能 热处理性能铸造性能焊接性能锻造性能切削加工性能 本讲稿第二页，共三十五页材料分类材料分类复合材料复合材料金属材料金属材料陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料本讲稿第三页，共三十五页第一章第一章 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 本节重点：本节重点：金属材料的力学性能金属材料的力学性能主要内容：主要内容：金属材料的力学性能金属材料的力学性能,包括材料的强包括材料的强 度度 、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳 强度等。强度等。本节难点：本节难点：各性能指标的物理意义和测定方法各性能指标的物理意义和测定方法本讲稿第四页，共三十五页第一节第一节 拉伸试验及强度和塑性拉伸试验及强度和塑性一、拉伸试验及拉伸曲线一、拉伸试验及拉伸曲线拉伸试验机拉伸试验机本讲稿第五页，共三十五页本讲稿第六页，共三十五页本讲稿第七页，共三十五页拉拉伸伸试试样样的的颈颈缩缩现现象象本讲稿第八页，共三十五页2、应力与应变曲线、应力与应变曲线应力应力：单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积S 0表示:F 载荷载荷(N)=(M pa)S 0 原始横截面积原始横截面积(mm2)应变应变：单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原始标距表示:l伸长量(mm)=l 0原始长度原始长度(mm)应力应变曲线应力应变曲线（-曲线曲线）:形状和拉伸曲线相同，单位不同本讲稿第九页，共三十五页op段：比例弹性变形 阶段；pe段：非比例弹性变形阶段；平台或锯齿（s段）：屈服阶段；sb段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。b点：形成了“缩颈”。bk段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点断裂。本讲稿第十页，共三十五页二、常用强度判据 强度强度:材料在外力作用，抵抗塑性变形材料在外力作用，抵抗塑性变形 和断裂的能力。和断裂的能力。工程上工程上常用常用的金属材料的的金属材料的强度指标强度指标：规定非比例伸长应力（规定非比例伸长应力（p）屈服点（屈服点（s）或规定残余伸长应力（）或规定残余伸长应力（r）抗拉强度抗拉强度(b)本讲稿第十一页，共三十五页1、规定非比例伸长应力规定非比例伸长率为0.01%时的应力规定非比例伸长率为0.05%时的应力试验非比例伸长为规定量时的拉力（N）试验原始横截面积（mm2）是一些重要零件设计的力学依据本讲稿第十二页，共三十五页2、屈服点和规定残余伸长应力产生规定残余伸长时的拉力（N）规定残余伸长应力规定残余伸长率为0.2%时的应力材料屈服时的拉力（N）屈服点（屈服极限）原标准（GB228-76）：屈服强度本讲稿第十三页，共三十五页3、抗拉强度（曾称强度极限）拉伸过程中最大的拉力（N）抗拉强度：材料在拉伸条件下所能承受最大力的应力值是设计和选材的主要依据之一，是工程技术上的主要强度指标。本讲稿第十四页，共三十五页三、塑性判据三、塑性判据 塑性塑性:材料在外力作用，抵抗塑性变形材料在外力作用，抵抗塑性变形 和断裂的能力。和断裂的能力。常用的塑性判据常用的塑性判据：拉伸时的拉伸时的断后伸长率断后伸长率和和断面收缩率断面收缩率本讲稿第十五页，共三十五页1、断后伸长率由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率数数值不同，因此应注明试样尺寸比例。值不同，因此应注明试样尺寸比例。试样拉断后的标距（mm）试样原始标距（mm）本讲稿第十六页，共三十五页2、断面收缩率试样断裂后缩颈处的最小横截面积（mm2）试样原始截面积（mm2）强度是表征材料变形抗力指标，强度是表征材料变形抗力指标，塑性是描述变形能力的指标。塑性是描述变形能力的指标。注：注：本讲稿第十七页，共三十五页练习题一练习题一拉力试样的原标距长度为50mm，直径为10mm，经拉力试验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为71mm，颈缩区的最小直径为4.9mm，试求该材料的伸长率和断面收缩率的值？解：=（71-50）/50 x100%=42%S0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2)S1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2)=(S0-S1)/S0 x100%=24%本讲稿第十八页，共三十五页练习题二练习题二某工厂买回一批材料（要求：s230MPa；b410MPa；523%；50%）做短试样（0=50；0=10mm）拉伸试验，结果如下：Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;问买回的材料合格吗？解：根据试验结果计算如下：sFss(19x1000)/(3.14x52)=242 230MPa b Fb s(34.5x1000)/(3.14x52)=439.5 410MP5 l l 0 x100%(63.1-50)/50 x100%=26.2%23%S S 0 x100%60.31%50%材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格。本讲稿第十九页，共三十五页第二节第二节 硬硬 度度硬度：硬度：硬度试验方法硬度试验方法压入法压入法 划痕法划痕法回跳法回跳法指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力（金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划（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）痕的能力）布氏硬度（布氏硬度（HB）洛氏硬度（洛氏硬度（HR）维氏硬度（维氏硬度（HRC）显微硬度显微硬度 莫氏硬度莫氏硬度肖氏硬度肖氏硬度本讲稿第二十页，共三十五页一、布氏硬度1、测定原理布氏硬度计布氏硬度计 本讲稿第二十一页，共三十五页试验时，根据被测的材料不同，球直径、试验力及试验时，根据被测的材料不同，球直径、试验力及试验力保持时间按表试验力保持时间按表-1选择选择材料种类布氏硬度范围HBS（HBW）试样厚度/mm0.102球的直径/mm试验力F/KN（k g f)试验力保持时间/s钢、铸铁140-450634223010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)126631010.05.09.807(1000)2.452(250)12非铁金属130634262.510.02.452(250)60表表1-1 布氏硬度试验规范布氏硬度试验规范本讲稿第二十二页，共三十五页2、符号HBS：淬火钢球作压头HBW：硬质合金作压头本讲稿第二十三页，共三十五页3、表示方法XXX HBS(W)XX/XXX/XX硬度值压头直径（mm2）试验力保持 时间（s）试验力（0.102N）500HBW5/750例：表示用直径5mm硬质合金球在7355N试验力作用下保持1015s测得的布氏硬度值为500120HBS10/1000/30表示用直径10mm钢球压头在9807N试验力作用下保持30s测得的布氏硬度值为120本讲稿第二十四页，共三十五页布布氏氏硬硬度度试试验验法法一一般般用用于于试试验验各各种种硬硬度度不不高高的的钢钢材材、铸铸铁铁、有有色色金金属属等等，也也用用于于试试验经淬火、回火但硬度不高的钢件。验经淬火、回火但硬度不高的钢件。4、适用范围本讲稿第二十五页，共三十五页二、洛氏硬度测定原理本讲稿第二十六页，共三十五页硬度符号压头类型载荷F/k g 硬度有效范围使用范围HRA金刚石圆锥体607085适用于测量硬质合金、钢表、淬火层或渗碳层HRB直径为1.588mm钢球10025100（相当60230HB）适用于测量非铁金属退火、退火等HRC金刚石圆锥体1502067(相当HB230700)适用于调质钢、淬火钢等试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表-2选选择，对应的洛氏硬度标尺为择，对应的洛氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种三种表表1-2 常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围2、符号本讲稿第二十七页，共三十五页3、表示方法硬度值+HR52HRC70HRA例：洛洛氏氏硬硬度度HRC可可以以用用于于硬硬度度很很高高的的材材料料，在在钢钢件件热热处处理理质质量量检检查查中中应应用用最最多。多。4、适用范围本讲稿第二十八页，共三十五页第三节 冲击吸收功在设计和制造受冲击载荷的零件和工具（如锻锤、冲床、铆钉枪等）时，必须考虑所用材料的冲击吸收功或冲击韧度。一、摆锤式一次冲击试验原理摆锤试验机本讲稿第二十九页，共三十五页试验在专门的摆锤式冲击试验机上进行，把试样放在试验机的支承面上，试样的缺试验在专门的摆锤式冲击试验机上进行，把试样放在试验机的支承面上，试样的缺口背向摆锤冲击方向。将质量为口背向摆锤冲击方向。将质量为m的摆锤安放到规定的高度的摆锤安放到规定的高度H，然后下落，将试样然后下落，将试样打断，并摆过支点升到某一高度打断，并摆过支点升到某一高度h，试样在冲击试验力一次作用下，折断时所吸收的功为冲试样在冲击试验力一次作用下，折断时所吸收的功为冲击吸收功为击吸收功为Ak。本讲稿第三十页，共三十五页1、试样冲断时所消耗的、试样冲断时所消耗的冲击功冲击功A k为为:A k=m g H m g h(J)2、冲击韧度冲击韧度a k AK a k=(J/cm)Sk二、冲击吸收功和冲击韧度就是试样缺口处单位截面积上就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。所消耗的冲击功。冲击吸收功 Ak 作为材料韧性判据，与温度、试样形状、尺寸、表面粗糙度、内部组织和缺陷有关。本讲稿第三十一页，共三十五页第四节 疲劳极限交变应力：交变应力：是指大小和方向构随时间周期变化的应力。材料的疲劳：材料的疲劳：材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累计损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。在多次交变应力作用，金属会在远小于抗拉强度在多次交变应力作用，金属会在远小于抗拉强度b，甚至小于屈服甚至小于屈服点点s。的应力下失效（出现裂纹或完全断裂）的应力下失效（出现裂纹或完全断裂）疲劳破坏的原因：疲劳破坏的原因：应力集中微裂纹扩展断裂破坏。本讲稿第三十二页，共三十五页疲劳曲线：疲劳曲线：实验证明，一般钢铁材料所受交变应力最大值实验证明，一般钢铁材料所受交变应力最大值max与其失效与其失效前的应力循环次数（疲劳寿命）前的应力循环次数（疲劳寿命）N的曲线关系。的曲线关系。本讲稿第三十三页，共三十五页第五节 断 裂 韧 度断裂过程：断裂过程：材料中有微裂纹受外力出现应力场外加拉力增大应力强度因子KI增大到临界值（断裂韧度KIc）断裂裂纹扩展很慢或不扩展材料发生失稳脆断抵抗脆性断裂能力的性能指标实际解决问题：实际解决问题：已知材料的断裂韧度和裂纹尺寸，可计算机件的承载能力已知材料的断裂韧度和工作应力，能确定材料中允许存在的最大裂纹尺寸本讲稿第三十四页，共三十五页作业熟悉拉伸曲线掌握强度及塑性指标，了解这些指标在工程上的应用课后习题P12、6、7本讲稿第三十五页，共三十五页