机械工程材料及选用第一章力学性能资料.ppt

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1、3本课程教材本课程教材何庆复。机械工程材料及选用。中国铁道出版社，北京，何庆复。机械工程材料及选用。中国铁道出版社，北京，2008 4主要参考书主要参考书1.朱张校，姚可夫。工程材料（第五版）。清华朱张校，姚可夫。工程材料（第五版）。清华大学出版社，北京，大学出版社，北京，20112.庄哲峰。工程材料及其应用。华中科技大学出庄哲峰。工程材料及其应用。华中科技大学出版社，武汉，版社，武汉，20133.付广艳付广艳。机械工程材料。北京理工大学出版社，机械工程材料。北京理工大学出版社，北京，北京，20144.王正品，李炳。王正品，李炳。工程材料。机械工业出版社，工程材料。机械工业出版社，北京，北京，

2、20125主要参考书主要参考书5.戈晓岚。机械戈晓岚。机械工程材料（第二版）。北京大学工程材料（第二版）。北京大学出版社，北京，出版社，北京，20136.魏小胜魏小胜。工程材料（第二版）。武汉理工大学。工程材料（第二版）。武汉理工大学出版社，武汉，出版社，武汉，20137.韩永生韩永生。工程材料性能与选用工程材料性能与选用。机械工业出版。机械工业出版社，北京，社，北京，20138.崔占全，孙振国。工程材料（第二版）。机械崔占全，孙振国。工程材料（第二版）。机械工业出版社，北京，工业出版社，北京，20117工程材料工程材料o第一章第一章 金属材料力学性能金属材料力学性能 o第二章第二章 金属晶体

3、结构与塑性变形金属晶体结构与塑性变形o第三章第三章 金属结晶及合金相图金属结晶及合金相图o第四章第四章 钢的热处理钢的热处理o第五章第五章 钢铁材料及其应用钢铁材料及其应用o第六章第六章 有色金属及应用有色金属及应用o第七章第七章 非金属材料非金属材料o第八章第八章 材料选择基础材料选择基础8绪论绪论o材料的重要性材料的重要性o材料是社会发展的物质基础，材料的发展往往材料是社会发展的物质基础，材料的发展往往标志着时代的进步，如石器时代、铜器时代、标志着时代的进步，如石器时代、铜器时代、铁器时代等都是以材料来代表人类发展的不同铁器时代等都是以材料来代表人类发展的不同阶段。阶段。o人类人类冶金史至

4、今已有冶金史至今已有6000多年，多年，经历了三次大经历了三次大的发展，其中两次发生在中国。的发展，其中两次发生在中国。o第一次是我国商周时期青铜冶铸技术大发展。第一次是我国商周时期青铜冶铸技术大发展。9绪论绪论o第二次是我国战国秦汉时期冶铁与生铁炼钢技第二次是我国战国秦汉时期冶铁与生铁炼钢技术的大发展。术的大发展。o第三次是第三次是18世纪欧洲近代冶金技术的大发展世纪欧洲近代冶金技术的大发展。o材料技术与能源技术和信息技术一起构成了现材料技术与能源技术和信息技术一起构成了现代文明的三大支柱。代文明的三大支柱。o材料的分类材料的分类o两分法：将材料分为有机材料和无机材料两大两分法：将材料分为有

5、机材料和无机材料两大类。类。10绪论绪论o三分法：是最常用的材料分类方法，将材料分三分法：是最常用的材料分类方法，将材料分为金属材料、无机非金属材料和有机材料三大为金属材料、无机非金属材料和有机材料三大类。类。o四分法：将材料分为金属材料、无机非金属材四分法：将材料分为金属材料、无机非金属材料、有机材料和复合材料四大类。料、有机材料和复合材料四大类。o金属材料金属材料包括：包括：黑色金属黑色金属（钢和铁钢和铁）及）及有色金有色金属。属。11绪论绪论o无机非金属材料无机非金属材料主要包括：陶瓷、人工晶体、主要包括：陶瓷、人工晶体、玻璃、耐火材料、胶凝材料、碳素材料等。玻璃、耐火材料、胶凝材料、碳

6、素材料等。o有机材料有机材料主要包括：主要包括：塑料塑料、橡胶橡胶、胶粘剂等。胶粘剂等。o复复合合材材料料：由由两两种种或或两两种种以以上上不不同同组组元元构构成成的的多多相相材材料料。例例如如纤纤维维增增强强复复合合材材料料；颗颗粒粒增增强强复合材料；层状复合材料复合材料；层状复合材料等。等。o以上各种材料广泛用于工业生产的各个领域。以上各种材料广泛用于工业生产的各个领域。12绪论绪论o工程材料工程材料？o工程材料是工业生产中用作结构和机械零件的工程材料是工业生产中用作结构和机械零件的材料材料。o工程材料的应用：机床等各种机械、汽车等各工程材料的应用：机床等各种机械、汽车等各种交通工具、飞机

7、、火箭等各种航空航天器、种交通工具、飞机、火箭等各种航空航天器、仪器仪表、热能设备、化工设备等各类设备。仪器仪表、热能设备、化工设备等各类设备。13绪论绪论1.1.机床机床o机床的零部件很多，机身和底座、齿轮、轴类、机床的零部件很多，机身和底座、齿轮、轴类、联接件、传动件、轴承等零件的常用材料有钢、联接件、传动件、轴承等零件的常用材料有钢、铸铁、铜合金、工程塑料等。铸铁、铜合金、工程塑料等。机床零件15绪论绪论2.2.汽车汽车 o汽车用材以金属材料为主，塑料、橡胶、陶瓷汽车用材以金属材料为主，塑料、橡胶、陶瓷等非金属材料也占一定的比例。等非金属材料也占一定的比例。o发动机缸体、缸盖、缸套、活塞

8、、连杆、气门、发动机缸体、缸盖、缸套、活塞、连杆、气门、半轴、齿轮等典型零件常用金属材料有调质钢、半轴、齿轮等典型零件常用金属材料有调质钢、渗碳钢、铸铁、铸铝、轴瓦合金等。渗碳钢、铸铁、铸铝、轴瓦合金等。汽车发动机和传动系示意图汽车发动机和传动系示意图18绪论绪论3.3.航空航天器航空航天器o航空航天器用材：高合金耐热钢、镍基航空航天器用材：高合金耐热钢、镍基高温合金、钛合金、铝合金、镁合金、高温合金、钛合金、铝合金、镁合金、树脂基复合材料、碳树脂基复合材料、碳/碳复合材料等。碳复合材料等。东东方方红红一一号号人人造造地地球球卫卫星星 航天飞机 22绪论绪论4.4.仪器仪表材料仪器仪表材料o仪

9、器仪表的壳体、轴类、凸轮、齿轮、蜗轮和仪器仪表的壳体、轴类、凸轮、齿轮、蜗轮和蜗杆等零件的常用材料为调质钢、铜合金、铝蜗杆等零件的常用材料为调质钢、铜合金、铝合金、工程塑料等。合金、工程塑料等。5.5.热能设备材料热能设备材料o锅炉和汽轮机的主要零件如锅炉管道、汽包、锅炉和汽轮机的主要零件如锅炉管道、汽包、汽轮机叶片、转子和静子等都采用高合金耐热汽轮机叶片、转子和静子等都采用高合金耐热钢、高温合金等制造。钢、高温合金等制造。23绪论绪论6.6.化工设备材料化工设备材料o化工设备中的常用材料包括：合金钢化工设备中的常用材料包括：合金钢（不锈钢、耐热钢），有色金属及其合（不锈钢、耐热钢），有色金属

10、及其合金（铜合金、铝合金），非金属材料金（铜合金、铝合金），非金属材料（陶瓷、工程塑料）等。（陶瓷、工程塑料）等。24绪论绪论o本门课程的重点：本门课程的重点：金属材料金属材料。o主要包括四方面内容主要包括四方面内容：金属学金属学；热处理热处理；金属材料学；金属材料学；金属力学性能金属力学性能o学习目标学习目标：1.1.了解和掌握金属材料成分组织和性能之间的关系。了解和掌握金属材料成分组织和性能之间的关系。2.2.会运用热处理工艺改变金属材料的组织和性能会运用热处理工艺改变金属材料的组织和性能,满足生满足生产需要。产需要。3.3.会合理选择和应用金属材料。会合理选择和应用金属材料。25绪论绪论

11、o非金属材料非金属材料1.1.熟悉特种陶瓷的性能特点、改善性能的途径和应用。熟悉特种陶瓷的性能特点、改善性能的途径和应用。2.2.熟悉常用高分子材料的特性、应用及制品。熟悉常用高分子材料的特性、应用及制品。了解合成纤了解合成纤维、橡胶和胶粘剂的性能特点和用途维、橡胶和胶粘剂的性能特点和用途.o复合材料复合材料1.1.了解复合材料复合机制和原则。了解复合材料复合机制和原则。2.2.熟悉常用复合材料的性能，了解应用。熟悉常用复合材料的性能，了解应用。26工程材料工程材料o第一章第一章 金属材料力学性能金属材料力学性能 o第二章第二章 金属晶体结构与塑性变形金属晶体结构与塑性变形o第三章第三章 金属

12、结晶及合金相图金属结晶及合金相图o第四章第四章 钢的热处理钢的热处理o第五章第五章 钢铁材料及其应用钢铁材料及其应用o第六章第六章 有色金属及应用有色金属及应用o第七章第七章 非金属材料非金属材料o第八章第八章 材料选择基础材料选择基础27第一章第一章 金属材料力学性能金属材料力学性能 o金属材料的使用性能包括物理、化学、工艺和力金属材料的使用性能包括物理、化学、工艺和力学性能，对于工程材料来说，最重要的是力学性学性能，对于工程材料来说，最重要的是力学性能和工艺性能。能和工艺性能。o金属材料的力学性能是指金属在外加载荷或环境金属材料的力学性能是指金属在外加载荷或环境因素作用下所表现的行为。因素

13、作用下所表现的行为。o金属材料常用的力学性能包括强度、硬度、塑性金属材料常用的力学性能包括强度、硬度、塑性和韧性等。和韧性等。28第一章第一章 金属材料力学性能金属材料力学性能 o本章将介绍金属材料力学性能的基础知识，本章将介绍金属材料力学性能的基础知识，并着重介绍表征金属材料力学行为的强度并着重介绍表征金属材料力学行为的强度硬度硬度塑性塑性韧性等性能指标的物理概韧性等性能指标的物理概念及实际意义。念及实际意义。29第一章第一章 金属材料力学性能金属材料力学性能o第一节第一节 金属的拉伸试验金属的拉伸试验o第二节第二节 金属的弹性与塑性金属的弹性与塑性o第三节第三节 金属的力学性能金属的力学性

14、能第一节第一节 金属的拉伸试验金属的拉伸试验q拉伸试验是工业上最广泛使用的力学性能试验方法拉伸试验是工业上最广泛使用的力学性能试验方法之一。通常在万能材料试验机上进行试验。之一。通常在万能材料试验机上进行试验。q通过传感器测量拉伸试验中的载荷通过传感器测量拉伸试验中的载荷P与伸长量与伸长量L后，后，由自动记录仪绘出由自动记录仪绘出P-L关系曲线，称为拉伸曲线或关系曲线，称为拉伸曲线或拉伸图。拉伸图。32拉伸过程中试样形状的变化拉伸过程中试样形状的变化33o金属在外加载荷作用下的变形过程一般可分为三金属在外加载荷作用下的变形过程一般可分为三个阶段，即弹性变形阶段、弹塑性变形阶段和断个阶段，即弹性

15、变形阶段、弹塑性变形阶段和断裂阶段。裂阶段。o由金属的拉伸曲线由金属的拉伸曲线(P-L)得到的应力得到的应力-应变曲线应变曲线（-曲线，曲线，=P/F0，=L/L0）具有相同形状。）具有相同形状。o金属材料的拉伸曲线除低碳钢这种类型外，还有金属材料的拉伸曲线除低碳钢这种类型外，还有其它不同的类型，如脆性材料铸铁的拉伸曲线。其它不同的类型，如脆性材料铸铁的拉伸曲线。第一节第一节 金属的拉伸试验金属的拉伸试验脆性材料拉伸曲线脆性材料拉伸曲线35第一章第一章 金属材料力学性能金属材料力学性能o第一节第一节 金属的拉伸试验金属的拉伸试验o第二节第二节 金属的弹性与塑性金属的弹性与塑性o第三节第三节 金

16、属的力学性能金属的力学性能36第二节第二节 金属的弹性与塑性金属的弹性与塑性1.2.1 金属的弹性变形金属的弹性变形 1.2.2 金属的塑性变形金属的塑性变形 371.2.1 金属的弹性变形金属的弹性变形q弹弹性性变变形形是是可可逆逆的的，加加载载或或卸卸载载时时，应应力力与与应应变变之之间间都都保保持持单单值值线线性性关关系系，变变形形量量小小，一一般般不超过不超过0.5%1%。q弹弹性性模模量量：是是表表征征材材料料抵抵抗抗弹弹性性变变形形能能力力的的性性能能指指标标，用用E表表示示。E值值的的大大小小反反映映了了金金属属弹弹性性变变形形的的难难易易程程度度，主主要要由由金金属属的的种种类

17、类和和晶晶体体结结构所决定。构所决定。q弹弹性性极极限限：是是材材料料发发生生弹弹性性变变形形的的最最大大应应力力值值。超超过弹性极限，材料便开始发生塑性变形。即：过弹性极限，材料便开始发生塑性变形。即：e=Pe/F0 q比例极限比例极限：是应力：是应力与应变成正比关系与应变成正比关系的最大应力值。即：的最大应力值。即：p=Pp/F0391.2.1 金属的弹性变形金属的弹性变形o p p的实际意义：服役时其应力应变关系严格维的实际意义：服役时其应力应变关系严格维持直线关系的构件，如测力计弹簧等，选择这持直线关系的构件，如测力计弹簧等，选择这类构件的材料应以比例极限为依据；类构件的材料应以比例极

18、限为依据；o e e的实际意义：服役条件要求构件不允许产生的实际意义：服役条件要求构件不允许产生微量塑性变形，设计时应按弹性极限来选材。微量塑性变形，设计时应按弹性极限来选材。401.2.1 金属的弹性变形金属的弹性变形o弹性不完整性：包括包申格效应、弹性后效和弹性滞后弹性不完整性：包括包申格效应、弹性后效和弹性滞后等现象。等现象。o包申格效应包申格效应：金属经预先加载产生微量塑性变形后，同：金属经预先加载产生微量塑性变形后，同向加载弹性极限升高，反向加载弹性极限降低的现象。向加载弹性极限升高，反向加载弹性极限降低的现象。o弹性后效弹性后效：加载或卸载时应变滞后于应力而和时间有关：加载或卸载时

19、应变滞后于应力而和时间有关的现象，又称滞弹性。的现象，又称滞弹性。o弹性滞后弹性滞后：金属在弹性区内加载：金属在弹性区内加载-卸载循环时，加载线和卸载循环时，加载线和卸载线不重合而形成封闭回线的现象。卸载线不重合而形成封闭回线的现象。41第二节第二节 金属的弹性与塑性金属的弹性与塑性1.2.1 金属的弹性变形金属的弹性变形 1.2.2 金属的塑性变形金属的塑性变形 421.2.2 金属的塑性变形金属的塑性变形o塑性塑性：金属断裂时发生塑性变形最大值的相对量。金属断裂时发生塑性变形最大值的相对量。o塑性变形是一种不可逆变形。随着外力增加其塑塑性变形是一种不可逆变形。随着外力增加其塑性变形量也增加

20、。断裂时塑性变形量达到最大值。性变形量也增加。断裂时塑性变形量达到最大值。塑性指标有两种：延伸率和断面收缩率。塑性指标有两种：延伸率和断面收缩率。o延伸率延伸率：金属断裂时的最大相对伸长量。用百金属断裂时的最大相对伸长量。用百分数表示：分数表示：=(Lk-L0)/L0100%431.2.2 金属的塑性变形金属的塑性变形o试样的原始截面积和原始标距长度影响其延伸率，试样的原始截面积和原始标距长度影响其延伸率，为了使数据统一、可比，规定使用国标试样，试样为了使数据统一、可比，规定使用国标试样，试样的尺寸有两种：的尺寸有两种：L0=5d0或或10d0。分别以。分别以 5 或或 10 表示，表示，且且

21、 5 10。代表用代表用10倍试样得到的延伸率。倍试样得到的延伸率。o断面收缩率断面收缩率：试样断裂处截面的相对收缩值，也试样断裂处截面的相对收缩值，也用百分数表示，用百分数表示，=(F0-Fk)/F0100%oF0试样原始截面积；试样原始截面积；Fk试样断裂后断裂处的最试样断裂后断裂处的最小截面积。小截面积。44第一章第一章 金属材料力学性能金属材料力学性能o第一节第一节 金属的拉伸试验金属的拉伸试验o第二节第二节 金属的弹性与塑性金属的弹性与塑性o第三节第三节 金属的力学性能金属的力学性能45第三节第三节 金属的力学性能金属的力学性能1.3.1 金属强度金属强度1.3.2 金属韧性金属韧性

22、1.3.3 金属的硬度金属的硬度1.3.4 金属的疲劳金属的疲劳461.3.1 金属强度金属强度o金属的强度是表征金属材料抵抗变形和断裂的金属的强度是表征金属材料抵抗变形和断裂的能力。能力。o屈服极限屈服极限：是金属产生塑性变形的最小应力值，：是金属产生塑性变形的最小应力值，也称为也称为屈服强度屈服强度。即：即：s=PS/F0q低低碳碳钢钢的的屈屈服服强强度度为为拉拉伸伸曲曲线线水水平平台台对对应应的应力值。的应力值。q对于没有明显屈服现对于没有明显屈服现象的金属，如高强钢、象的金属，如高强钢、铸铁等，人为规定拉铸铁等，人为规定拉伸试样标距部分产生伸试样标距部分产生0.2%塑性伸长率时的塑性伸

23、长率时的应力值作为材料的屈应力值作为材料的屈服强度，以服强度，以 0.2表示。表示。屈服强度的确定屈服强度的确定q抗拉强度抗拉强度：是金属：是金属拉伸试验中试样所拉伸试验中试样所能承受的最大拉应能承受的最大拉应力。力。q 即：即：b=Pb/F0q塑性金属在最大载荷出现前，变形基本均匀分布塑性金属在最大载荷出现前，变形基本均匀分布于试样标距部分；最大载荷出现后，发生集中变于试样标距部分；最大载荷出现后，发生集中变形，试样上出现颈缩。形，试样上出现颈缩。拉拉伸伸试试样样的的颈颈缩缩现现象象50第三节第三节 金属的力学性能金属的力学性能1.3.1 金属强度金属强度1.3.2 金属韧性金属韧性1.3.

24、3 金属的硬度金属的硬度1.3.4 金属的疲劳金属的疲劳511.3.2 金属韧性金属韧性o金金属属的的韧韧性性：指指金金属属断断裂裂前前吸吸收收变变形形功功和和断断裂裂功功的的能能力力，或或材材料料抵抵抗抗裂裂纹纹扩扩展展的的能能力力。常常用用的韧性指标有的韧性指标有冲击韧性冲击韧性与与断裂韧性断裂韧性。521.3.2.1 金属的冲击韧性金属的冲击韧性o冲冲击击韧韧性性：表表征征材材料料抵抵抗抗冲冲击击载载荷荷作作用用不不发发生断裂的能力。生断裂的能力。o冲冲击击韧韧性性试试验验在在摆摆锤锤式式冲冲击击试试验验机机上上进进行行。使用国标规定的使用国标规定的U型或型或V型缺口试样。型缺口试样。冲

25、击试样冲击试样冲冲击击试试验验原原理理(Charpy)final heightinitial height541.3.2.1 金属的冲击韧性金属的冲击韧性o冲断试样所消耗的冲击功为：冲断试样所消耗的冲击功为：Ak=mg(H1-H2)o冲击功冲击功Ak的数值可直接从冲击试验机的表盘上读出，的数值可直接从冲击试验机的表盘上读出，单位为单位为J（焦耳）。（焦耳）。Ak除以试样缺口处的截面积除以试样缺口处的截面积 FN 即得材料的冲击韧性即得材料的冲击韧性ak：ak=Ak/FN(J/cm2)oU型或型或V型缺口试样的冲击功分别用型缺口试样的冲击功分别用Aku和和Akv表示，表示，它们的冲击韧性则分别用

26、它们的冲击韧性则分别用aku和和akv表示。表示。55q冲击韧性对材料微观组织变化极为敏感，生产上冲击韧性对材料微观组织变化极为敏感，生产上经常用来检验冶炼、热加工和热处理质量。经常用来检验冶炼、热加工和热处理质量。q随温度的降低，冲击韧性值减小，当降至某一温随温度的降低，冲击韧性值减小，当降至某一温度时，冲击韧性值发生急剧降低，这种现象称为度时，冲击韧性值发生急剧降低，这种现象称为低温脆性，或冷脆。冲击韧性值明显下降的温度低温脆性，或冷脆。冲击韧性值明显下降的温度称为称为冷脆转变温度冷脆转变温度，以以Tk表示。表示。1.3.2.1 金属的冲击韧性金属的冲击韧性561.3.2.2 金属的断裂韧

27、性金属的断裂韧性o为防止构件断裂，传统设计是使为防止构件断裂，传统设计是使 工作工作 许用许用，而而 许用许用=0.2/n ，n为安全系数，一般取为安全系数，一般取1.52。再对材料的塑性（再对材料的塑性（、）、韧性（）、韧性（ak、Tk）等）等指标提出一定的要求。指标提出一定的要求。o但却经常有工作应力低于屈服强度发生脆性断裂但却经常有工作应力低于屈服强度发生脆性断裂的现象发生。在屈服强度以下产生的脆性断裂的现象发生。在屈服强度以下产生的脆性断裂称为低应力脆性断裂。称为低应力脆性断裂。571.3.2.2 金属的断裂韧性金属的断裂韧性o低应力脆断实际金属构件中的微裂纹失稳扩展低应力脆断实际金属

28、构件中的微裂纹失稳扩展引起的。裂纹可以是冶金缺陷，加工裂纹或使引起的。裂纹可以是冶金缺陷，加工裂纹或使用中生产的裂纹。用中生产的裂纹。2.断裂韧性断裂韧性KIC：表征材料抵抗裂纹失稳扩展的能：表征材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。力。o裂纹尖端存在一个特殊分布的应力场。应力场裂纹尖端存在一个特殊分布的应力场。应力场的强弱可用应力场强度因子的强弱可用应力场强度因子KI 描述。描述。qK=Y a（MN/m3/2）2a裂纹尺寸裂纹尺寸;外加应力外加应力;Y与与裂裂纹纹形形状状、加加载载方方式式和和试试样样几几何何形形状状有有关关的的无量纲的常数。无量纲的常数。型裂纹示意图型裂纹示意图591.3.2.2 金

29、属的断裂韧性金属的断裂韧性qK=KC是构件发生低应力脆断的临界条件，是构件发生低应力脆断的临界条件，qKKC时构件发生低应力脆性断裂；时构件发生低应力脆性断裂；qKKC时构件可安全可靠运行。时构件可安全可靠运行。q公式公式 K=Y a=KIC 可以解决的问题：可以解决的问题：1.由由材材料料的的KIC和和工工作作应应力力，可可估估算算出出构构件件所所能能允许的最大裂纹尺寸允许的最大裂纹尺寸 2a；601.3.2.2 金属的断裂韧性金属的断裂韧性2.由材料的由材料的KIC 和裂纹尺寸和裂纹尺寸2a，估算出构件的最，估算出构件的最大承载能力大承载能力；3.由构件的工作应力由构件的工作应力和裂纹尺寸

30、和裂纹尺寸2a，估算出构件，估算出构件选材所要求的最小选材所要求的最小KIC值。值。q按断裂韧性设计的构件，既可以充分发挥材料按断裂韧性设计的构件，既可以充分发挥材料强度潜力，又可以有效地防止构件发生脆性断强度潜力，又可以有效地防止构件发生脆性断裂。裂。611.3.2.2 金属的断裂韧性金属的断裂韧性q断裂韧性已成为设计高强度材料构件和用中、断裂韧性已成为设计高强度材料构件和用中、低强度材料制造的大型构件的重要性能指标。低强度材料制造的大型构件的重要性能指标。q断裂韧性是对材料成分、组织敏感的力学性能断裂韧性是对材料成分、组织敏感的力学性能指标，可以通过合金化、热处理等方法改变。指标，可以通过

31、合金化、热处理等方法改变。62第三节第三节 金属的力学性能金属的力学性能1.3.1 金属强度金属强度1.3.2 金属韧性金属韧性1.3.3 金属的硬度金属的硬度1.3.4 金属的疲劳金属的疲劳631.3.3 金属的硬度金属的硬度q硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。q测定硬度的方法可分为压入法和刻划法两大类。测定硬度的方法可分为压入法和刻划法两大类。q常用的布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬常用的布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度均为压入法，其硬度值则表示金属抵抗局部塑度均为压入法，其硬度值则表示金属抵抗局部塑性变形的能力。性变形的能力。q

32、里氏硬度则属于动载试验法，其硬度值表征金属里氏硬度则属于动载试验法，其硬度值表征金属弹性变形功的大小。弹性变形功的大小。641.3.3 金属的硬度金属的硬度o硬度值实际上不是一个单纯的物理量，它是表硬度值实际上不是一个单纯的物理量，它是表征着材料的弹性、塑性、形变强化、强度和韧征着材料的弹性、塑性、形变强化、强度和韧性等一系列不同物理量组合的一种综合性能指性等一系列不同物理量组合的一种综合性能指标。标。651.3.3.1 布氏硬度布氏硬度o以一定直径以一定直径D(2.510mm)的淬火钢球或硬质合金球为压的淬火钢球或硬质合金球为压头，施以一定的载荷头，施以一定的载荷P(62.53000kg)，

33、压入试样表面，压入试样表面，保持规定时间后卸载，试样表面将残留一个压痕。测量保持规定时间后卸载，试样表面将残留一个压痕。测量压痕直径压痕直径d（mm）并计算球冠形压痕表面积）并计算球冠形压痕表面积F(mm2)。661.3.3.1 布氏硬度布氏硬度q用用载载荷荷P 除除以以压压痕痕表表面面积积F，就就得得到到材材料料的的布布氏氏硬度值硬度值HB。q压压头头为为淬淬火火钢钢球球时时，布布氏氏硬硬度度用用符符号号HBS表表示示，适用于布氏硬度值在适用于布氏硬度值在450以下的材料；以下的材料；q压压头头为为硬硬质质合合金金球球时时，布布氏氏硬硬度度用用符符号号HBW表表示，适用于布氏硬度值为示，适用

34、于布氏硬度值为450650的材料。的材料。HB=P/F=2P/D(D-D2-d2)671.3.3.1 布氏硬度布氏硬度q优优点点：布布氏氏硬硬度度试试验验压压痕痕面面积积较较大大，硬硬度度值值能能反反映映金金属属大大范范围围内内各各组组成成相相的的平平均均性性能能，不不受受组组成成相相微微观观不不均均匀匀性性的的影影响响。试试验验数数据据稳稳定定，重复性强。重复性强。q缺缺点点：不不同同材材料料需需要要更更换换不不同同直直径径的的压压头头和和改改变变载载荷荷；测测量量压压痕痕直直径径较较麻麻烦烦，自自动动检检测测时时受受到限制；压痕较大不宜在成品上进行试验。到限制；压痕较大不宜在成品上进行试验

35、。681.3.3.2 洛氏硬度洛氏硬度q洛氏硬度也是一种压入硬度试验，它以洛氏硬度也是一种压入硬度试验，它以压痕深度压痕深度的大小表示材料的硬度值，是工业生产中应用最的大小表示材料的硬度值，是工业生产中应用最广泛的试验方法。广泛的试验方法。691.3.3.2 洛氏硬度洛氏硬度q为适应人们习惯上数值越大硬度越高的概念，规定为适应人们习惯上数值越大硬度越高的概念，规定用一常数用一常数K减去压痕深度减去压痕深度 h作为硬度值，并规定每作为硬度值，并规定每0.002mm为一个洛氏硬度单位，因此洛氏硬度为一个洛氏硬度单位，因此洛氏硬度HR的的计算式为：计算式为：q HR=(k-h)/0.002q常用的洛

36、氏硬度有常用的洛氏硬度有HRA、HRB、HRC三种标尺。不三种标尺。不同标尺针对不同硬度的材料，采用不同的压头类型同标尺针对不同硬度的材料，采用不同的压头类型和载荷大小。和载荷大小。70钢球压头与金钢球压头与金刚石压头刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕qHRA用于测量高硬度材料，用于测量高硬度材料，如硬质合金、表面淬火层和如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。渗碳层。压头为锥角压头为锥角120的金的金刚石圆锥体，载荷刚石圆锥体，载荷60kg。qHRB用于测量低硬度材料，用于测量低硬度材料，如有色金属和退火、正火钢如有色金属和退火、正火钢等。等。压头为压头为1.588mm的淬火钢的淬火钢球，载荷为球，载

37、荷为100kg。qHRC用于测量中等硬度材料，用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。如调质钢、淬火钢等。压头压头与与HRA相同，载荷为相同，载荷为150kg。711.3.3.2 洛氏硬度洛氏硬度q优点优点:1)操作简便，硬度值可直接读出操作简便，硬度值可直接读出;2)压痕小，可在工件上进行试验压痕小，可在工件上进行试验;3)可测软硬不同和厚薄不一的金属试样的硬度。可测软硬不同和厚薄不一的金属试样的硬度。o缺点缺点:1)压痕小，材料有偏析及组织不均匀等缺陷，所测硬压痕小，材料有偏析及组织不均匀等缺陷，所测硬度值重复性差，分散度大度值重复性差，分散度大;2)不同标尺的硬度值彼此不能直接比较。不

38、同标尺的硬度值彼此不能直接比较。721.3.3.3 维氏硬度维氏硬度q维维氏氏硬硬度度与与布布氏氏硬硬度度一一样样，是是以以单单位位面面积积压压痕痕所所承承受受的的载载荷来表示硬度值的大小。荷来表示硬度值的大小。维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕731.3.3.3 维氏硬度维氏硬度q维氏硬度压头是相对面夹角维氏硬度压头是相对面夹角136 的金刚石正四棱锥体。的金刚石正四棱锥体。q根根据据压压痕痕对对角角线线长长度度 d 计计算算压压痕痕的的表表面面积积F（mm2），则维氏硬度则维氏硬度HV的计算式为：的计算式为：HV=P/F=2Psin(136/2)/

39、d2=1.8544P/d2o优点优点：可测量从软到硬的所有材料，可任意选取载荷，可测量从软到硬的所有材料，可任意选取载荷，压痕测量精度高，硬度值较为精确。压痕测量精度高，硬度值较为精确。o缺点缺点：硬度值需通过测量压痕对角线长度进行计算或查硬度值需通过测量压痕对角线长度进行计算或查表得出。表得出。741.3.3.4 显微硬度显微硬度q就就是是小小载载荷荷的的维维氏氏硬硬度度试试验验，其其原原理理和和维维氏氏硬硬度度试试验验一一样样，所所不不同同的的是是载载荷荷P以以克克计计量量，压压痕痕对角线对角线 d 以微米计量。以微米计量。q显显微微硬硬度度主主要要用用来来测测定定各各种种组组成成相相的的

40、硬硬度度和和表表面硬化层的硬度分布。用符号面硬化层的硬度分布。用符号HM表示。表示。HM=1854.4P/d2751.3.3.5 里氏硬度里氏硬度q里氏硬度是一种动载荷试验方法。里氏硬度是一种动载荷试验方法。q基基本本原原理理：用用规规定定质质量量的的碳碳化化钨钨球球冲冲头头，在在弹弹力力作作用用下下以以一一定定速速度度冲冲击击试试样样表表面面，用用冲冲头头在在距距试试样样表表面面1mm处处的的回回弹弹速速度度VR与与冲冲击击速速度度VA的比值计算硬度值。的比值计算硬度值。q里氏硬度用符号里氏硬度用符号HL表示：表示：HL=1000VR/VA761.3.3.5 里氏硬度里氏硬度q里里氏氏硬硬度

41、度值值可可直直接接由由显显示示装装置置显显示示出出来来。是是一一种种轻轻便便的的便便携携式式硬硬度度计计，主主要要用用于于大大型型金金属属产产品品及及部部件件的的硬硬度度检检验验，特特别别适适用用于于不不易易移移动动的的大大型型工工件件和和不不易易拆拆卸卸的的大大型型部部件件及及构构件件的的现现场场硬度检验硬度检验。q缺缺点点：试试验验结结果果的的准准确确性性受受人人为为因因素素影影响响较较大大，硬度测量精度较低。硬度测量精度较低。77第三节第三节 金属的力学性能金属的力学性能1.3.1 金属强度金属强度1.3.2 金属韧性金属韧性1.3.3 金属的硬度金属的硬度1.3.4 金属的疲劳金属的疲

42、劳781.3.4 金属的疲劳金属的疲劳o轴、齿轮、弹簧都是在变动载荷（也称交变应力）轴、齿轮、弹簧都是在变动载荷（也称交变应力）下工作，工作应力通常低于材料的屈服强度下工作，工作应力通常低于材料的屈服强度,但但长时间工作仍会发生断裂，这种现象叫长时间工作仍会发生断裂，这种现象叫金属的疲金属的疲劳劳。o疲劳断裂不产生明显的塑性变形疲劳断裂不产生明显的塑性变形，断裂突然发生，断裂突然发生，具有很大的危险性，易造成严重事故。据统计，具有很大的危险性，易造成严重事故。据统计，在损伤的机器零件中，有在损伤的机器零件中，有80%以上属于疲劳断裂。以上属于疲劳断裂。791.3.4 金属的疲劳金属的疲劳o变变

43、动动载载荷荷是是指指载载荷荷的的大大小小、方方向向随随时时间间变变化化的的载荷。载荷。o变变动动载载荷荷分分为为周周期期性性变变动动载载荷荷（也也称称循循环环应应力力）和随机变动载荷。和随机变动载荷。o实验室研究多采用循环应力。实验室研究多采用循环应力。o最最常常见见的的循循环环应应力力为为载载荷荷与与时时间间呈呈正正弦弦曲曲线线的的对称应力循环。对称应力循环。循环应力特性循环应力特性q循环应力的三个循环应力的三个参量表示参量表示:1)应力幅应力幅 a=(max-min)/2;2)平均应力平均应力 m=(max+min)/2;3)应力循环对称系数应力循环对称系数 r=min/max811.3.

44、4 金属的疲劳金属的疲劳o疲劳曲线：疲劳曲线：材料承受的交变载荷材料承受的交变载荷 S 与材料断裂与材料断裂前承受交变应力的循环次数前承受交变应力的循环次数 N之间的关系可用之间的关系可用S-N曲线来表示，也称曲线来表示，也称疲劳曲线疲劳曲线。疲疲劳劳曲曲线线示示意意图图 q金属承受的交变载越荷越大金属承受的交变载越荷越大,则断裂时应力循环次数则断裂时应力循环次数N越少。越少。q当当应应力力低低于于一一定定值值时时,试试样样可可以以经经受受无无限限周周期期循循环环而而不不破破坏坏,此此应应力力值值称称为为材材料料的的疲疲劳劳极极限限 r，对对称称循循环环载载荷荷的的疲疲劳劳极极限用限用-1 表

45、示。表示。疲疲劳劳曲曲线线示示意意图图 q疲疲劳劳曲曲线线水水平平部部分分所所对对应应的的应应力力就就是是疲疲劳劳极极限限，也也称称为为疲疲劳劳强强度度，它它表表示示材材料料经经受受无无限限次次(大大于于106-7)应力循环而不断裂的最大应力。应力循环而不断裂的最大应力。841.3.4 金属的疲劳金属的疲劳o材料的疲劳曲线有两种类型：材料的疲劳曲线有两种类型：1.疲劳曲线上有明显的水平部分，如钢铁材料的疲劳曲线上有明显的水平部分，如钢铁材料的疲劳曲线，疲劳极限有明确的物理意义；疲劳曲线，疲劳极限有明确的物理意义；2.疲劳曲线上没有水平部分，如部分有色金属，疲劳曲线上没有水平部分，如部分有色金属

46、，这时就规定在某一循环基数这时就规定在某一循环基数N0发生断裂时的应发生断裂时的应力作为力作为“条件疲劳极限条件疲劳极限”或或“有限疲劳极限有限疲劳极限”，N0称为循环基数。实际构件的称为循环基数。实际构件的N0是根据工作是根据工作条件和使用的寿命来确定的。条件和使用的寿命来确定的。钢铁材料钢铁材料 部分有色金属部分有色金属 两种类型疲劳曲线两种类型疲劳曲线 861.3.4 金属的疲劳金属的疲劳o机械设计通常以疲劳极限作为判据。机械设计通常以疲劳极限作为判据。o但象飞机起落架这样的构件，承受的交变应力远高但象飞机起落架这样的构件，承受的交变应力远高于疲劳极限，这就要按照有限周次确定其疲劳寿命。

47、于疲劳极限，这就要按照有限周次确定其疲劳寿命。o材料的疲劳极限主要取决于抗拉强度，而在过载范材料的疲劳极限主要取决于抗拉强度，而在过载范围内，围内，材料的疲劳强度不仅与材料的抗拉强度有关，材料的疲劳强度不仅与材料的抗拉强度有关，还与的塑性、韧性有关还与的塑性、韧性有关。o材料抗拉强度相近时，塑性好的材料疲劳强度高。材料抗拉强度相近时，塑性好的材料疲劳强度高。金属的拉伸试验金属的拉伸试验脆性材料拉伸曲线脆性材料拉伸曲线本节要点本节要点88金属的弹性与塑性：金属的弹性与塑性：q弹性指标：弹性指标：弹性模量弹性模量E、比例极限、比例极限 p、弹性极限弹性极限 eq塑性指标：塑性指标：延伸率延伸率 、断面收缩率、断面收缩率 本节要点本节要点89金属的力学性能：金属的力学性能：q强度：强度：屈服强度屈服强度 s、0.2 抗拉强度抗拉强度 b、疲劳强度、疲劳强度-1 q韧性：韧性：冲击韧性冲击韧性ak、断裂韧性、断裂韧性KICq硬度：硬度：布氏硬度布氏硬度HB、洛氏硬度、洛氏硬度HRC、维氏硬度维氏硬度HV、显微硬度、显微硬度HM本节要点本节要点