第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 1
工程材料第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 2
金属材料的力学性能
静载时材料的力学性能
静拉伸试验（弹性和刚度、强度、塑性）
硬度（布氏硬度、洛氏硬度）
动载时材料的力学性能
冲击韧性（ αKU）
疲劳强度
高温力学性能（蠕变、其它力学性能）
断裂韧性第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 3
弹性和刚度标准拉伸试样
§ 1静载时材料的力学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 4
拉伸试验
§ 1静载时材料的力学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 5
弹性 E=?/?
强度?s,?b
塑性
=(L1-L0)/L0
=(F0-F1)/F0
§ 1静载时材料的力学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 6
冷作强化的应用
（加工硬化）
建筑钢筋冷扎钢板预应力钢丝
§ 1静载时材料的力学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 7
布氏硬度试验
§ 1静载时材料的力学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 8
)d-D-D ( D
P( k g f )2HB
22?
)d-D-D ( D
P( N )21 0 2.0HB
22?
§ 1静载时材料的力学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 9
§ 1静载时材料的力学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 10
洛氏硬度试验
§ 1静载时材料的力学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 11
其它硬度
① 维氏硬度 HV
主要用于薄工件或薄表面硬化层的硬度测试,参照 GB4340-84,金属维氏硬度试验方法,进行 。
§ 1静载时材料的力学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 12
② 显微硬度 HV
用于材料微区硬度 (如单个晶粒,
夹杂物,某种组成相等 )的测试,可参照 GB4342-84,金属显微维氏硬度试验方法,进行 。
其它硬度
§ 1静载时材料的力学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 13
③ 莫氏硬度一种刻划硬度,用于陶瓷和矿物的硬度测定,该硬度的标尺是选定十种不同的矿物,从软到硬将莫氏硬度分为十级,如金刚石硬度对应于莫氏硬度 10级 。
其它硬度
§ 1静载时材料的力学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 14
冲击韧度（ αKU） 试验
§ 2 动载时材料的力学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 15
αKU＝ A/F
A=(GH1-GH2)× 9.8
J/cm2
其中,αKU （ J/cm2）
H（ m）
A（ m2）
G（ kg）
§ 2 动载时材料的力学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 16
图 1-4 疲劳曲线
-1
N
n
2
1
N1 N2 Nn Nc
钢铁材料,107次非铁合金,108次
§ 2 动载时材料的力学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 17
部分工程材料的疲劳极限 σ-1（ MPa）
§ 2 动载时材料的力学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 18
高温下材料的力学性能
高温下：
b,?s,E,HRC 降低
,?,αKU 升高
发生蠕变现象
§ 3 高温下的力学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 19
K1=Yσ a1/2
式中,Y__裂纹的几何形状因子 ;
σ __外加应力（ N/mm2）；
a__裂纹的半长（ mm）；
K1__ 强度因子（ MPa· m1/2
或 MN· m-3/2） 当 K1达到临界值 K1C
时，零件内裂纹将发生 失稳扩展而出现 低应力脆性断裂,而 K1＜
K1C时，零件安全可靠。
K1C即为断裂韧度。
§ 4 断裂韧性第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 20
常见工程材料的断裂韧度 K1C值（ MN· m-3/2）
§ 4 断裂韧性第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 21
根据 K1=Yσ a1/2≥ K1C的临界判据知：
为使零件不发生脆断，设计者可以控制三个参数：材料的断裂韧度 K1C,名义工作应力 σ 和零件内的裂纹长度 a,它们之间的定量关系能直接用于设计计算，可以解决以下三方面的工程实际问题：
§ 4 断裂韧性第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 22
1） 根据零件的实际工作应力 σ和其内可能的裂纹尺寸 a,确定材料应有的断裂韧度 K1C,为正确选材提供依据；
2） 根据零件所使用的材料断裂韧度 K1C及已探伤出的零件内存在的裂纹尺寸 a,确定零件的临界断裂应力 σC,为零件最大承载能力设计提供依据；
3）根据已知材料的断裂韧度 K1C和零件的实际工作应力 σ,估算断裂时的临界裂纹长度 aC,为零件的裂纹探伤提供依据。
§ 4 断裂韧性第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 23
物理性能,
物理性能,不仅对工程材料的选用来说,有着重要的意义；而且也会对材料的加工工艺产生一定的影响 。
（ 一 ） 密度
（ 二 ） 热学性能
⒈ 熔点； ⒉ 热容； ⒊ 热膨胀； ⒋ 热传导
（ 三 ） 电学性能
⒈ 电阻率 ρ ； ⒉ 电阻温度系数； ⒊ 介电性
（ 四 ） 磁学性能
⒈ 磁导率 μ； ⒉ 饱和磁化强度 Ms和磁矫顽力 Ｈ c
§ 5 材料的物理化学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 24
化学性能：
材料在生产,加工和使用时,均会与环境介质发生化学反应,从而使其性能恶化或功能丧失 。
（ 一 ） 化学腐蚀
（ 二 ） 电化学腐蚀
(三 ） 提高零件耐蚀性的主要措施铝
§ 5 材料的物理化学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 25
材料的工艺性能,本课程则主要解决材料本身与其工艺性能的关系，主要加工工艺性能是：一．铸造性能二．锻造性能三．焊接性能四．切削加工性能五．热处理性能
§ 6 材料的工艺性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 26
课后作业：
1、解释概念：
b,?s,E,HRC,?,?,αKU
2、将钟表发条拉成一直线后，将力释放，
钟表发条可能发生什么变形？
第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 27
1.某室温下使用的一紧固螺栓在工作时发现紧固力下降，试分析材料的何种性能指标没有达到要求？提出主要的可能解决措施。
2.对自行车座位弹簧进行设计和选材，应涉及到材料的哪些主要性能指标？
3.实际生产中，为什么零件设计图上一般是提出硬度技术要求而不是强度或塑性值？
4.一般认为铝、铜合金的耐蚀性优于普通钢铁材料，试分析在潮湿性环境下铝与铜的接触面上发生腐蚀现象的原因。
习 题
2009年 7月 19日星期日 1
工程材料第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 2
金属材料的力学性能
静载时材料的力学性能
静拉伸试验（弹性和刚度、强度、塑性）
硬度（布氏硬度、洛氏硬度）
动载时材料的力学性能
冲击韧性（ αKU）
疲劳强度
高温力学性能（蠕变、其它力学性能）
断裂韧性第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 3
弹性和刚度标准拉伸试样
§ 1静载时材料的力学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 4
拉伸试验
§ 1静载时材料的力学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 5
弹性 E=?/?
强度?s,?b
塑性
=(L1-L0)/L0
=(F0-F1)/F0
§ 1静载时材料的力学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 6
冷作强化的应用
（加工硬化）
建筑钢筋冷扎钢板预应力钢丝
§ 1静载时材料的力学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 7
布氏硬度试验
§ 1静载时材料的力学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 8
)d-D-D ( D
P( k g f )2HB
22?
)d-D-D ( D
P( N )21 0 2.0HB
22?
§ 1静载时材料的力学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 9
§ 1静载时材料的力学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 10
洛氏硬度试验
§ 1静载时材料的力学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 11
其它硬度
① 维氏硬度 HV
主要用于薄工件或薄表面硬化层的硬度测试,参照 GB4340-84,金属维氏硬度试验方法,进行 。
§ 1静载时材料的力学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 12
② 显微硬度 HV
用于材料微区硬度 (如单个晶粒,
夹杂物,某种组成相等 )的测试,可参照 GB4342-84,金属显微维氏硬度试验方法,进行 。
其它硬度
§ 1静载时材料的力学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 13
③ 莫氏硬度一种刻划硬度,用于陶瓷和矿物的硬度测定,该硬度的标尺是选定十种不同的矿物,从软到硬将莫氏硬度分为十级,如金刚石硬度对应于莫氏硬度 10级 。
其它硬度
§ 1静载时材料的力学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 14
冲击韧度（ αKU） 试验
§ 2 动载时材料的力学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 15
αKU＝ A/F
A=(GH1-GH2)× 9.8
J/cm2
其中,αKU （ J/cm2）
H（ m）
A（ m2）
G（ kg）
§ 2 动载时材料的力学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 16
图 1-4 疲劳曲线
-1
N
n
2
1
N1 N2 Nn Nc
钢铁材料,107次非铁合金,108次
§ 2 动载时材料的力学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 17
部分工程材料的疲劳极限 σ-1（ MPa）
§ 2 动载时材料的力学性能第一章 金属材料的力学性能
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高温下材料的力学性能
高温下：
b,?s,E,HRC 降低
,?,αKU 升高
发生蠕变现象
§ 3 高温下的力学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 19
K1=Yσ a1/2
式中,Y__裂纹的几何形状因子 ;
σ __外加应力（ N/mm2）；
a__裂纹的半长（ mm）；
K1__ 强度因子（ MPa· m1/2
或 MN· m-3/2） 当 K1达到临界值 K1C
时，零件内裂纹将发生 失稳扩展而出现 低应力脆性断裂,而 K1＜
K1C时，零件安全可靠。
K1C即为断裂韧度。
§ 4 断裂韧性第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 20
常见工程材料的断裂韧度 K1C值（ MN· m-3/2）
§ 4 断裂韧性第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 21
根据 K1=Yσ a1/2≥ K1C的临界判据知：
为使零件不发生脆断，设计者可以控制三个参数：材料的断裂韧度 K1C,名义工作应力 σ 和零件内的裂纹长度 a,它们之间的定量关系能直接用于设计计算，可以解决以下三方面的工程实际问题：
§ 4 断裂韧性第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 22
1） 根据零件的实际工作应力 σ和其内可能的裂纹尺寸 a,确定材料应有的断裂韧度 K1C,为正确选材提供依据；
2） 根据零件所使用的材料断裂韧度 K1C及已探伤出的零件内存在的裂纹尺寸 a,确定零件的临界断裂应力 σC,为零件最大承载能力设计提供依据；
3）根据已知材料的断裂韧度 K1C和零件的实际工作应力 σ,估算断裂时的临界裂纹长度 aC,为零件的裂纹探伤提供依据。
§ 4 断裂韧性第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 23
物理性能,
物理性能,不仅对工程材料的选用来说,有着重要的意义；而且也会对材料的加工工艺产生一定的影响 。
（ 一 ） 密度
（ 二 ） 热学性能
⒈ 熔点； ⒉ 热容； ⒊ 热膨胀； ⒋ 热传导
（ 三 ） 电学性能
⒈ 电阻率 ρ ； ⒉ 电阻温度系数； ⒊ 介电性
（ 四 ） 磁学性能
⒈ 磁导率 μ； ⒉ 饱和磁化强度 Ms和磁矫顽力 Ｈ c
§ 5 材料的物理化学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 24
化学性能：
材料在生产,加工和使用时,均会与环境介质发生化学反应,从而使其性能恶化或功能丧失 。
（ 一 ） 化学腐蚀
（ 二 ） 电化学腐蚀
(三 ） 提高零件耐蚀性的主要措施铝
§ 5 材料的物理化学性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 25
材料的工艺性能,本课程则主要解决材料本身与其工艺性能的关系，主要加工工艺性能是：一．铸造性能二．锻造性能三．焊接性能四．切削加工性能五．热处理性能
§ 6 材料的工艺性能第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 26
课后作业：
1、解释概念：
b,?s,E,HRC,?,?,αKU
2、将钟表发条拉成一直线后，将力释放，
钟表发条可能发生什么变形？
第一章 金属材料的力学性能
2009年 7月 19日星期日 27
1.某室温下使用的一紧固螺栓在工作时发现紧固力下降，试分析材料的何种性能指标没有达到要求？提出主要的可能解决措施。
2.对自行车座位弹簧进行设计和选材，应涉及到材料的哪些主要性能指标？
3.实际生产中，为什么零件设计图上一般是提出硬度技术要求而不是强度或塑性值？
4.一般认为铝、铜合金的耐蚀性优于普通钢铁材料，试分析在潮湿性环境下铝与铜的接触面上发生腐蚀现象的原因。
习 题
