系部：机械工程学院教师：张玲

系部：机械工程学院

教师：张玲

《机械制造基础》

第一章金属材料的力学性能NingXia Institute of Scinece and Technology

教学目标 :

１、了解材料的主要力学性能指标：屈服强度、抗拉强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等力学性能及其测试原理；

２、强调各种力学性能指标的生产实际意义；

３、了解工程材料的物理性能、化学性能及工艺性能。　


机械设计中，材料的选择是按结构材料的力学性能－即机械性能来进行选择的。

材料的力学性能（机械性能）：即材料抵抗外力的能力。其主要表现为：在静载荷下，动载荷下，特殊状态载荷下的力学性能。


金属的力学性能：金属材料的力学性能是指金属材料在不同环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、

扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。

指标 : 弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧性、

疲劳强度等。


材料的其他性能物理性能：密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀

性、磁性等；

化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等；

工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性、热处理工艺性等。


第一节强度和塑性• 评价材料力学性能最简单和最有效的方法就是测定材料的拉

伸曲线，在 GB/T 6397—1986 《金属拉伸试验试样》中对试样的形状、尺寸及加工要求均有明确的规定。

• 一、拉伸实验与拉伸曲线1. 拉伸试样GB6397-86 规定《金属拉伸试

样》有：圆形、矩形、异型及全截面。

常用标准圆截面试样。长试样： L0=10d0;

短试样： L0=5d0


2. 拉伸过程


3 、拉伸曲线

图图 1.2 1.2 低碳钢力低碳钢力 -- 伸长曲线伸长曲线

△△ L/mmL/mm


二、强度 1 、定义：材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为强度。

2 、分类：根据加载方式不同，强度指标有许多种，如屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。

工程上常以拉伸试验测得的屈服强度和抗拉强度两个指标作为强度指标。


屈服强度

s 点对应的应力称为屈服强度，用 σs

表示，屈服强度反映材料抵抗永久变形的能力。

实际上，多数材料的屈服阶段不很明显或从拉伸曲线上看不出这一阶段，因此工程上规定用拉伸时产生 0.2 ％微量塑性变形所对应的应力为材料的屈服应力，称为条件

屈服强度或名义屈服强度，记为 σ0.2 ，如图

1-1 所示。

图 1-1 名义屈服强度的确定


材料在拉断前所承受的最大应力，单位 Mpa 。

一般机器构件都是在弹性状态下工作的，不允许微

小的塑性变形，所以在机械设计时应采用 σs 或者

σ0.2 强度指标，并加上适当的安全系数。由于抗拉强

度 σb 测定方便，因此设计零件时有时也可以直接采

用强度指标 σb 。强度是表征材料抵抗塑性变形或断

裂的物理性能。

抗拉强度


2 、塑性 :是指材料在载荷作用下产生塑性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 Δ S与原始横截面积 S0 之比。

(2) 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。

S0 - S 1

ψ = ——-—× 100% S0

l 1 - l0

δ = ——-—× 100% l0


三、硬度

布氏硬度 HB 洛氏硬度 HR 维氏硬度 HV

硬度 ( hardness ): 是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力。

常用测量硬度的方法

第二节硬度


(1)布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )

布氏硬度计


适用范围 :

淬火钢球：＜450 ， HBS; 硬质合金球：＜650 ， HBW;

压头：规定直径的淬火钢球或硬质合金球。

应用范围：测量灰铸铁、有色金属、经退火、正火和调质处理的钢材。不适宜检验薄件或成品。


h1-h0

洛氏硬度测试示意图

(2)洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness )


洛氏法根据测量时选用载荷与压头的不同，分为 9 个标尺，常用的有 A 、 B 、 C 三个，并将标尺代号标注在符号 HR 的右边。如 HRA 、 HRB 、 HRC 等，硬度值仍写在符号 HR 的前面，如 50HRC 表示用 C 标尺测定的洛氏硬度为 50 。应当注意：不同级别的硬度值不能直接相互比较。洛氏法的缺点是测量结果分散度大。


常用洛氏硬度标尺及适用范围

硬度符号所用压头总试验力 F/N

硬度值有效范围应用范围

HRA 金刚石圆锥 588.4 70~85HRA硬质合金、表面淬硬

层，渗碳钢

HRBφ1.588mm钢球 980.7

25~100HRB 软钢、铜合金、铝合金、可锻铸铁

HRC 金刚石圆锥 1471 20~67HRC

淬火钢、调质钢、深层表面硬化钢


(3) 维氏硬度 HV ( diamond penetrator hardness )

适用范围 : 测量热处理表面层（如渗碳、渗氮层）的硬度。


第三节、冲击韧性 1 、冲击韧性：材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。


a ）试样安放位置 b ）冲击示意图

图 1-2 冲击试验原理

a ） b ）


试样冲断时所消耗的冲击功 A k 为 :

A k = m g H – m g 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。

AK

a k = (J/cm²) S0


1 、疲劳断裂：在交变载荷作用下的破坏。据统计，零件疲劳断裂占失效事例的 70% 以上。首先发生在应力集中处，如拐角、孔、槽等位置 ----

裂纹扩展源。

第四节、疲劳强度 ( fatigue strength )


车架的弯曲疲劳断裂桥梁垮塌

辊轴的疲劳断裂离合器的疲劳断裂


2 、疲劳强度：工程上规定材料经无数次交变载荷

作用而不致引起断裂的最大应力值。用 σ-1 表示。

弯曲循环载荷下测得： σ-1

剪切循环载荷下测得： τ-1


疲劳强度与抗拉强度之间的关系 : σ-1 = (0.45 ～

0.55)σ b

钢材的循环次数一般取 N = 107

有色金属和合金的疲劳曲线不出现水平直线。因此工程上规定：有色金属的循环次数一般取 N = 108


提高零件疲劳寿命的方法是：提高零件疲劳寿命的方法是：

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