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第一章 金属材料的力学性能. 第一节 刚度、强度、塑性. 第二节 冲击韧性. 第三节 疲劳强度. 第四节 硬度. 第一节 刚度、强度、塑性. 刚度、强度和塑性是根据 拉伸试验 测定出来的。. 一、拉伸试验与拉伸曲线. 1、拉伸试样 试验前在试棒上打出 标距 按国标规定标准拉伸试样可分为： １) 板形试样：原材料为板材或带材 ２) 圆形试样 ：长试样 L 0 ＝10d 0 ， 短试样 L 0 =5d 0 其中： L 0 为试样标距， d 0 为试样直径.
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第一章 金属材料的力学性能 第一节 刚度、强度、塑性 第二节 冲击韧性 第三节 疲劳强度 第四节 硬度
第一节 刚度、强度、塑性 刚度、强度和塑性是根据拉伸试验测定出来的。 一、拉伸试验与拉伸曲线 1、拉伸试样 试验前在试棒上打出标距 按国标规定标准拉伸试样可分为： １) 板形试样：原材料为板材或带材 ２) 圆形试样：长试样L0＝10d0， 短试样L0=5d0 其中：L0为试样标距，d0为试样直径
2、拉伸过程将试样装在拉力试验机夹头上，缓慢加载，通过自动记录装置得到试样所受载荷F和伸长量△L的关系曲线称为拉伸曲线；2、拉伸过程将试样装在拉力试验机夹头上，缓慢加载，通过自动记录装置得到试样所受载荷F和伸长量△L的关系曲线称为拉伸曲线；
拉伸试样的颈缩现象 HT-2402-100KN电脑伺服控制材料实验机
弹性变形 塑性变形
(1)应力σ ：单位面积上试样承受的载荷。 F:载荷( N ) —— S 0:原始横截面积( mm2) (2)应变ε：单位长度的伸长量。 F σ= ( M pa ) S 0 Δl：伸长量(mm ) —— ε= Δl l 0 l 0：原始长度( mm) 4、应力与应变曲线 (3)应力－应变曲线（ σ- ε曲线）： 形状和拉伸曲线相同，单位不同。
45钢 铝青铜 35钢 硬铝 纯铜 5、不同材料的拉伸曲线
屈服强度 e 抗拉强度 σ σ 伸长率 断面收缩率 ε 二、通过拉伸试验测得的性能指标 塑性 刚度、强度 1）刚度 表征金属材料抵抗弹性变形的能力。 弹性模量E：表示引起单位变形时所需要的应力。即材料的E越大，产生的弹性变形越小，刚度越大。 E值主要取决于材料的本性; 提高刚度的方法是增加横截面积或改变截面形状。 σ= E ε
F(σ) b s e p k Fs Fe Fb Fp o Δl (ε) 低碳钢的力-伸长曲线 2）强度 金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形和破坏的能力。 a.屈服点、屈服强度：表征金属材料对产生明 显塑性变形的抗力。 屈服现象：S点 屈服点是指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力，用σS表示。 σS =FS/S0 (N/mm2 =Mpa)
对于没有明显屈服现象发生的金属材料，产生规定残余伸长率为0.2%时的应力值作为该材料的屈服强度，以σ0.2表示。对于没有明显屈服现象发生的金属材料，产生规定残余伸长率为0.2%时的应力值作为该材料的屈服强度，以σ0.2表示。 σb σs σe σ0.2= F0.2 / S0 b.抗拉强度： 试样在断裂前所能承受的最大应力。 σb = Fb/S0 选用原则：若不允许发生过量的塑性变形，以屈服强度σS 、σ0.2为依据；若零件在使用时只要求不发生破坏，以抗拉强度σb来设计。
3）塑性: 是指材料在载荷作用下产生不可逆 永久变形而不被破坏的能力。 (1)断面收缩率: 是指试样拉断处横截面积的收缩 量ΔS与原始横截面积S0之比。 (2)断后伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量ΔL与原始标距L 0之比。
说明： • ①直径d0 相同时，l0，。只有当l0/d0 为常数时，塑性值才有可比性。 当l0=10d0 时，伸长率用表示； 当l0=5d0 时，伸长率用5 表示。显然5> • ②用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。 • ③> 时，无颈缩，为脆性材料表征 < 时，有颈缩，为塑性材料表征
冲击试验机 冲击试样和冲击试验示意图 第二节 冲击韧性 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。 通常用冲击韧性指标aK来度量。
U 冲击韧性： AK a k = ——— (J/cm²) S0 试样冲断时所消耗的冲击吸收功A kU为: A kU= m g（H –h） (J) • 冲击韧性值a k就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。 • 冲击吸收功的大小与试验的温度有关。材料的韧脆转变温度越低，说明低温冲击性能越好。 • 冲击吸收功的大小并不能真正反映材料的韧脆程度，因为其中有一部分功损失。
建造中的Titanic 号 TITANIC TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关
Titanic 近代船用钢板 Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果
第三节 疲劳强度 fatigue strength 原因：疲劳裂纹产生 扩展 瞬时断裂的。 1、疲劳断裂 特点： ①断裂前无明显的塑性变形，断裂突然发生； ②断裂时应力很低，大多低于σs 2、疲劳强度:材料经无数次交变载荷作用而不断裂的最大应力值，用σ-1表示，单位为MPa.
疲劳试验原理示意图 循环次数N 疲劳曲线 钢铁材料：N=107次 有色金属：N=108次 3、提高疲劳极限的途径: 1）在零件结构设计中尽量避免尖角，缺口和截面 突变，以免产生应力集中而由此产生疲劳裂纹； 2) 提高零件表面加工质量，减少疲劳源； 3) 采用各种表面强化处理，如表面淬火、喷丸等。
用一定载荷P，将直径为D的球体压入被测材料的表面，保持一定时间后卸去载荷，根据压痕面积S确定硬度大小。用一定载荷P，将直径为D的球体压入被测材料的表面，保持一定时间后卸去载荷，根据压痕面积S确定硬度大小。 第四节 硬 度 硬度:是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力。 常用压入法； 三种：布氏、洛氏、维氏硬度 (1)布氏硬度HB 1.测量原理
2.测量过程 注意：d必须在0.24~0.6D之间。
3.测定条件 • 压头为淬火钢球时, 以HBS表示,可测< 450的材料； • 压头为硬质合金时, 以HBW表示,可测<650的材料。 • 压头直径有10、5、2.5、2、1mm五种。 4.表示方法 符号HBS或HBW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mm、载荷Kgf（ N ）及载荷保持时间S。 如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。
5.优缺点 • 布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。 • 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压 头还硬的材料。 • 适于测量灰铸铁、非铁合金及较软钢材的硬度。 • 另外：材料的b与HB之间的经验关系： 对于低碳钢:b(MPa)≈3.6HB 对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB 对于灰铸铁：b(MPa)≈1HB 或 b(MPa)≈0.6(HB-40)
(2)洛氏硬度 HR 测量步骤：洛氏硬度HR是将标准压头用规定压力压入被测材料表面，根据压痕深度h来确定硬度值。值越小，材料越硬。
K 0.2 0.26 0.2 分类：根据压头的材料及压头所加的负荷不同又可分为HRA、HRB、HRC三种: 表示方法：55HRC表示C标度测定的洛氏硬度值为55，无单位。 特点：操作简便，可直接读出硬度值，压痕小， 可用于成品件的测量，但测值重复性差。 HRC测定淬火钢的硬度,应用最广。
F HV=0.1891 = 0.1891 F d2 A (3)维氏硬度 HV 测量步骤： 用一定载荷F(N)，将顶角为136o的金刚石四棱锥压入被测材料的表面，保持一定时间后卸去载荷，求出平均压痕对角线的长度，确定硬度大小。 表示方法：640HV30/20,表示在30kgf作用下保持20 s，维氏硬度值为640。 特点：可测较薄的硬化层以及很软、很硬的材料。
