第一讲 : 工程材料的力学性能

1. 第一讲:工程材料的力学性能 主讲：曹光明

2. 工程材料的力学性能 一、σ-ε曲线及相应的力性指标 1、弹性强度σe 2、屈服强度σs 3、抗拉强度σb 4、弹性模量E 5、延伸率δ 6、断面收缩率ψ 二、 疲劳强度 三、硬度 1、布氏硬度HB 2、洛氏硬度HR 3、维氏硬度 HV 四、韧性 1、冲击韧性 2、断裂韧性

3. 工程材料的力学性能 一、σ-ε曲线及相应的力性指标 低碳钢拉伸曲线为F-△L曲线或σ-ε曲线如图1 均匀塑变 阶段 b F（σ） 颈缩阶段 k e s 屈服阶段 弹性阶段 △L（ε）

4. 工程材料的力学性能 设备：拉伸试验机。 试样：标准试样，按照《金属材料室温拉伸试验方法》GB/T228-2002。标准拉伸试样如图2所示。有圆形截面和方形截面两种，长度有l0=10d0和l0=5d0两种。 图2

5. 工程材料的力学性能 几个力性指标： F（σ） b 1、σe：材料不产生永久变形的最大应力。 e k σe= Fe/A0 N/mm2(Mpa) s 规定弹性极限：σ0.01或σ0.05—微塑变抗力指标。 △L（ε） 2 、σs：具有上下屈服点时以下屈服点为σs σs= Fs/A0 N/mm2(Mpa) 名义屈服极限：σ0.2，即产生0.2%的残余变形时的应力值作为σs。 3、σb：强度极限或抗拉强度。 表征材料产生最大均匀变形的抗力， 或 材料断裂前能承受的最大应力值。 σb=Fb/A0 N/mm2(Mpa)

6. 工程材料的力学性能 b F（σ） e 4、E：弹性模量，又称材料刚度。 k s E = σ/ε Mpa——材料产生单位弹性变形所需的应力 △L（ε） 表明弹性变形的难易程度，它只与材料本性有关，与合金化、热处理、冷变形等无关。 5、塑性：表征材料断裂前发生塑性变形的能力。用δ、ψ表示。 δ=(L1-L0)/L0×100%，同一材料的δ5、δ10不同，须标明。 ψ=(A0-A1)/A0×100%，与试样长度无关，表征更准确。 δ、ψ↑ ，材料塑性 ↑ 。

7. 工程材料的力学性能 二、疲劳强度 1、什么是疲劳强度？ 材料在交变载荷作用下的破坏称为疲劳破坏，其衡量指标即为疲劳强度。 材料的疲劳破坏抗力与应力循环次数和循环特性有关。一般情况下用对称交变循环特性下的破坏抗力表示。 即 ：材料在对称交变载荷作用下不发生破坏时所能承受的最大应力。一般用σ-1表示。 3、产生疲劳的原因：①材料内部微裂纹；②表面缺陷 。 4、提高措施： 精炼，减少材料内部夹杂物； 减少材料表面尺寸的急剧变化； 提高表面质量，在材料表面造成一层残余压应力。

8. 工程材料的力学性能 三、硬度 表明材料表面抗其它物体压入的能力。是局部塑变抗力指标。 布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度 HV。 1、布氏硬度HB 测定：布氏硬度计。 原理：一定载荷F作用于淬火钢球（硬质合金圆球）压入材料表面一定 时间，卸载后测出压痕直径，计算出压痕面积A，则HB=F/A，单位： kg/mm2，但一般不注出单位。 国标规定：HB在450以下用HBS表示；在450以上用HBW表示。 测量对象：软材料，不能测量薄试样。

9. 工程材料的力学性能 2、洛氏硬度HR 原理：用锥顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的钢球压头在规定载荷作用下压入试样表面，用压痕深度表示。如图3 载荷= 初载荷 + 主载荷 初载荷——10kg h1 主载荷——60kg（HRA）、100kg（HRB）、150kg（HRC） h3 h2 图3 洛氏硬度测试图

10. 工程材料的力学性能 由主载荷的压入深度h=h3-h1作为硬度值。显然，h↑，HR↓ 为习惯方便起见，HR=（k-h）/0.002，金刚石压头，k=0.2mm；钢球压头，k=0.26mm。 注意：①HRA、HRB、HRC的测量范围；②优点是操作简便，压痕小，可用于成品检验；③表示方法。 3、维氏硬度HV 原理：和HB相同，只是压头不同。 HV=F/A=1.8544F/d2，kg/mm2 压头：锥面夹角为136°的金刚石四棱锥体压头。

11. 工程材料的力学性能 表示：640HV、800HV。 适用范围：表面硬度（硬化层）。 优点：载荷小，压痕浅，但测定麻烦。 四、韧性 1、冲击韧性αk 表征抗冲击载荷的能力。αk=Ak/S，单位：J/cm2 通过冲击试验测定。试样有U、V型缺口试样。冲击韧性的测试按照 《夏比缺口冲击试验方法》GB/T229-1994。新标准直接用冲击功表示。标准夏比U型缺口冲击试样如图4所示。

12. 工程材料的力学性能 图4 标准夏比U型缺口冲击试样

13. 工程材料的力学性能 αk主要与温度有关，还与试样的尺寸、形状、表面质量及内部组织有关，是组织结构的敏感参量。 图5 冲击韧性与温度的关系

14. 工程材料的力学性能 2、断裂韧性K1c 由低应力脆断引出。与材料内部存在裂纹和裂纹扩展有关。 实际材料中存在缺陷：夹杂物、气孔等→裂纹→在应力作用下扩展 →达到临界尺寸发生失稳扩展→断裂 裂纹扩展有三种方式，如图6所示。 K1c——在裂纹扩展的临界状态下，裂纹尖端应力场强度因子值。它表明裂纹失稳扩展的抗力大小。K1c只与材料成分、组织结构有关。 图6 裂纹扩展有三种方式 Y——裂纹形状尺寸系数，无量纲。