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各种机械性能指标的物理意义、单位、应用： —— 强度；塑性； 硬度（ HBS， HRC，HRA ）。 §1-1材料性能概述 材料受外力作用时，将会产生变形和破坏。其过程一般是： 弹性变形－塑性变形－断裂。 弹性变形是外力去除后能够自行恢复的变形。塑性变形是外力去除后不能完全自动恢复而保留下来的变形，又称永久变形 材料的性能包括 : 使用性能 ( 力学性能、物理、化学性能) 工艺性能 ( 铸造性、可锻性、切削加工性) 力学性能 ( 机械性能 ) _____ 材料在载荷 (外力或能量) 以及环境因素作用下表现出的变形和破断的特性。 §1-1静载时材料的机械性能
一、静拉伸试验 —— 各种性能指标含义、单位、及影响因素。 1. 应力-应变 曲线（分为四阶段）： ⑴ 弹性变形 ⑵ 屈服变形 ⑶ 均匀塑性变形阶段 ⑷ 局部集中塑性变形 —— 颈缩 2. 强度 —— 材料抵抗变形、断裂的能力，单位 MN/m2 ( MPa ) ⑴ 屈服强度σs σs =Fs / Ao —— 材料开始明显塑性变形的抗力, 是设计和选材的主要依据之一。 工业上的屈服强度规定产生0.2% 变形时应力值为屈服强度. 即: σs = σ0.2 ⑵ 抗拉强度σb ( 质量控制指标 ) σb = Fb / Ao ———— 抗拉强度是指试样拉断前所承受的最大拉应力，用符号σb表示。是零件设计的重要依据,也是评定金属材料质量的重要指标。 铸铁、陶瓷、复合材料等脆性材料 σb =σs 。 中、高碳钢等无明显屈服现象.⑶ 比强度σb /d 玻璃钢 d = 2.0, σb = 1060MN/m2， 为铝的三倍。 3. 塑性 δ 、ψ —— 塑性是材料在静载荷作用下产生变形而不破坏的能力。评定材料塑性的指标是断后伸长率和断面收缩率。 塑性直接影响到零件的成形及使用。塑性好的材料，不仅能顺利地进行轧制、锻压等成形工艺，而且在使用中万一超截，由于变形而能避免突然断裂。所以大多数机械零件除要求具用较高的强度外，还必须有一定的塑性。一般情况，伸长率达5％或断面收缩率达10％的材料，即可满足大多数零件的使用要求。 ▲ δ 、ψ 是表示材料塑性好坏的指标。 ▲ 塑性好的材料易加工、使用时不易突然断裂。 ⑴ 伸长率 δ —— 试样拉断后标距增长量与原标距之比。 δ = ( L1 - L0 ) / L0 100% ⑵ 断面收缩率 ψ ——试样拉断处截面积的缩减量与原始截面积之比. ψ = (A0 - A1 ) / A0 ╳ 100% 断面收缩繁不受试样尺寸的影响，比较确切地反映了材料的塑性。 二、硬度 —— 硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，是衡量材料软硬的判据，是一个综合的物理量。是工业上质量检验、工艺设计最常用的试验方法。材料的硬度越高，耐磨性越好，故常将硬度值作为衡量材料耐磨性的重要指标之一。 硬度的应用： ⑴ 检验产品质量 ⑵ 衡量刀具、轴承等软硬程度和耐磨性 ⑶ 可换算为强度极限 硬度的测定常用压入法。把规定的压头压入金属材料表面层，然后根据压痕的面积或深度确定其硬度值。根据压头和压力不同，常用的硬度指标有布氏硬度（HBS、HBW）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度（HV）。 1．布氏硬度 ⑴ 试验原理—— 用直径为D的淬火钢球或硬质合金球，以相应的试验力F压入试样表面，保持规定的时间后卸除试验力，在试样表面留下球形压痕，如左图所示。布氏硬度值用球面压痕单位面积上所承受的平均压力表示。用淬火钢球作压头时，布氏硬度用符号“HBS”表示;用硬质合金球作压头，布氏硬度用符号“HBW”表示。适用于未淬火的钢、铸铁、有色金属或软质的轴承合金。 HB = F/S （ MPa 或 kgf/mm2 ） S —— 压头表面积 HBS -- 钢球压头 （＜450HB） HBW -- 硬质合金钢球压头（＞450 HB） ⑵ 布氏硬度试验的优缺点 优点是：试验时使用的压头直径较大，在试样表面上留下压痕也较大，测得的硬度值也较准确。 缺点是：对金属表面的损伤较大，不易测试太薄工件的硬度，也不适于测定成品件的硬度。布氏硬度试验常用来测定原材料、半成品及性能不均匀的材料（如铸铁）硬度。 2．洛氏硬度 ⑴ 试验原理—— 洛氏硬度是以顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为Φ1.588㎜的淬火钢球作压头，以规定的试验力使其压入试样表面。试验时，先加初试验力，然后加主试验力。压入试样表面之后卸除主试验力，在保留初试验力的情况下，根据试样表面压痕深度，确定被测金属材料的洛氏硬度值。操作简便、可直接读数。 压痕小；适于各种硬度值的测量；是目前工厂应用最为广泛的试验方法 。 HR =(0.2-h)/0.002 (mm)，每0.002mm相当于洛氏1度 （120°金刚石圆锥体压头或Φ1.588mm的钢球） ⑴ HRB（钢球压头，100kg载荷） —— 测量未淬火钢，有色金属。 ⑵ HRC（圆锥压头，150kg载荷） —— 测量调质钢、淬硬钢制品。 ⑶ HRA（圆锥压头，60kg载荷） —— 测量硬、薄试件、硬质合金。 ⑵ 试验优缺点 优点：① 操作简单迅速，效率高，直接从指示器上可读出硬度值； ② 压痕小，故可直接测量成品或较薄工件的硬度； ③ 对于ＨＲＡ和ＨＲＣ采用金刚石压头，可测量高硬度薄层和深层的材料。 缺点：由于压痕小，测得的数值不够准确，通常要在试样不同部位测定三次以上，取其平均值为该材料的硬度值。 ※ 表面洛氏硬度（HR15N HR30N HR45N） 3．维氏硬度（HV） 布氏硬度试验不适用于测定硬度较高的材 料。洛氏硬度试验虽然可用于测定较材料和硬 材料，但其硬度值不能进行比较。维氏硬度试 验可以测量从软到硬的各种材料以及金属零件 的表面硬度，并有连续一致的硬度标尺。 ⑴ 试验原理： 维氏硬度试验原理与布氏硬度相似，也是根据压痕单位表面积上的试验力大小来计算硬度值。区别在于压头采用锥面夹角为136°的金刚石正四棱锥体，将其以选定的试验力压入试样表面，按规定保持一定时间后卸除试验力，测量压痕两对角线长度，如图1－4所示。维氏硬度值用四棱锥压痕单位面积上所承受的平均压力表示，符号ＨＶ。 ⑵ 常用试验力及其适用范围 维氏硬度试验所用试验力视其试件大小、薄厚及其它条件，可在49.03－980.7Ｎ的范围内选择试验力。常用的试验力有49.03、98.07、196.1、294.2、490.3、980.7Ｎ。 ＨＶ符号前面的数字为硬度值，后面依次用相应数字注明试验力和试验力保持时间（10－15s不标注）。如６４０／ＨＶ３０／２０,表示30kgf (294.2N) 试验力，保持时间为20s测得维氏硬度值为640。 维氏硬度法适用范围宽，尤其适用于测定金属镀层、薄片金属及化学热处理后的表面硬度，其结果精确可靠。当试验力小于0.2 kgf （1.961Ｎ）时，可用于测量金相组织中不同相的硬度。 ⑶ 试验优缺点 优点：①与布氏、洛氏硬度试验比较，维氏硬度试验不存在试验力与压头直径有一定比例关系的约束； ②不存在压头变形问题； ③压痕轮廓清晰，采用对角线长度计量，精确可靠，硬度值误差较小。适于各种硬度值的测量；压痕小，可测表面硬化层。 缺点：其硬度值需要先测量对角线长度，然后经计算或查表确定，故效率不如洛氏硬度试验高。 4．显微硬度（HM）――压力小于10kg的HV，可测组成相的硬度。 5. 硬度之间互换的关系： 200 - 600HBS时： 10HRc ≈ HBS 硬度小于450HBS时： HBS ≈ HV §1-2 动载时材料的机械性能 —— 材料抵抗冲击载荷的能力 aku = 冲击破坏所消耗的功 Ak / 试样断口截面积 F ( J/cm2 或 MJ/m2 ) Ak——变形功及断裂功（ J ） 1. 影响因素 ：材料、T、试样大小、缺口形状等。 脆性转变温度 TK 2. 应用 —— 汽车紧急制动；蒸汽锤；冲床等动载荷。 3. 脆性材料 —— 断裂前无明显变形，断口呈结晶状，有金属光泽。 4. 韧性材料 —— 断裂前明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽。 二、疲劳强度 疲劳： 材料在交变应力作用下，在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。 疲劳占失效零件的70%以上，80%的断裂由疲劳造成。 疲劳极限：材料能承受的无数次循环而不断裂的最大应力值。对称弯曲疲劳强度σ-1 疲劳原因 —— 划痕、内应力集中引起微裂纹展 影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余应力等。 （ 陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低；金属材料，纤维增强复合材料疲劳强度较高。） §1-3 高温下的机械性能 温度升高 → 硬度、强度、弹性模量下降；塑性、韧性增加。 蠕变 —— 常温下工作的有机材料，随时间的延长，应变量缓慢增加，甚至发生断裂。 §1-4 断裂韧性 KIC 低应力脆断 —— 应力远小于屈服强度时发生突然脆性断裂 机理 —— 微裂纹、缺陷、应力集中 → 裂纹扩展 →失稳扩展 。 断裂韧性 —— 裂纹失稳扩展抗力 影响因素 —— 成分、热处理、加工工艺。 §1-5 工艺性能 ——是力学性能、物理、化学性能的综合 1. 铸造性：包括流动性、收缩性、热裂倾向性、偏析等。 2. 锻造性：包括可锻性、冷墩性、冲压性、锻后冷却要求等 碳钢的可锻性： 低碳钢 ＞中碳钢 ＞高碳钢 低合金钢的可锻性近似于中碳钢； 高合金钢的可锻性比碳钢差。 3.焊接性：是指它在一定生产条件下接受焊接的能力，一般以焊接不出现裂缝、气孔或其它缺陷来衡量。 4.切削加工：一般以切削抗力大小、加工零件表面粗糙度、 加工时切屑排除难易及刃机具磨损大小来衡量、。 脆性倾向、氧化脱碳倾向等。 (切削加工的合适硬度为160-230HB) |
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