第一章金属材料的力学性能

西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT

材料及热加工工艺—第一章金属材料的力学性能

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

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

一、拉伸试验与拉伸曲线刚度、强度和塑性是根据拉伸试验测定出来的。



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；



HT-2402-100KN 电脑伺服控制材料实验机

拉伸试样的颈缩现象



3 、拉伸曲线



弹性变形塑性变形



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。

(1) 应力 σ ：单位面积上试样承受的载荷。

——F σ= S 0

( M pa ) 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。

Δlε=

l 0

—— Δl：伸长量 (mm )

l 0 ：原始长度( mm)



5 、不同材料的拉伸曲线

45钢铝青铜

35钢硬铝

纯铜



二、通过拉伸试验测得的性能指标

刚度、强度屈服强度

抗拉强度塑性

伸长率

断面收缩率

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

e

σ

σ

ε



举例：通过改变横截面积来提高材料的刚度



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。

o

kb

Fs

s

Δl (ε)

F(σ) Fbe

Fep

Fp

低碳钢的力 -伸长曲线

屈服现象： S 点

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。

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。 σσb b = F= Fbb/S/S00

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 σσbb 来设计。

σs σbσe



(1) 断面收缩率 : 是指试样拉断处横截面积的收缩量 Δ S 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 Δ

L 与原始标距 L 0 之比。

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。



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



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。

第二节冲击韧性

冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图



冲击试验示意



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。

试样冲断时所消耗的冲击吸收功 A kU为 :

a k = AKS0

(J/cm²)———冲击韧性： U

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。



TITANIC

建造中的 Titanic 号

TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关



Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果

Titanic 近代船用钢板



第三节疲劳强度 fatigue strength1 、疲劳断裂原因：疲劳裂纹产生扩展瞬时断裂的。

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.



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。

疲劳试验原理示意图

钢铁材料： N=107次有色金属： N=108次

疲劳曲线循环次数 N



(1)布氏硬度 HB

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。

1.测量原理

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



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 。



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)

5.优缺点



(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。





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 :

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。

表示方法： 55HRC 表示 C 标度测定的洛氏硬度值为 55 ，无单位。

K

0.2

0.26

0.2



(3)维氏硬度 HV

HV=0.1891Fd2

FA = 0.1891

表示方法：640HV30/20, 表示在30kgf 作用下保持 20

s ，维氏硬度值为 640 。

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。

特点：可测较薄的硬化层以及很软、很硬的材料。



布氏硬度计洛氏硬度计维氏硬度计



硬度的测定

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第一章 金属材料的力学性能

第一章金属材料的力学性能