金属材料的性能特点（2）在线视频

第二一个内容

是金属材料的力学性能

金属材料的力学性能

是指在外力的作用下

它表现出来的一些性能

主要性能指标

有强度 塑性 硬度

韧性 疲劳强度

可以通过拉伸 压缩 弯曲

剪切和扭转等等测试方式

进行测量

我们先看一下强度

强度是金属材料

抵抗塑性变形

或者说断裂的一种能力

它用拉伸试验来进行测试

我们看看这是个原始样品

经过拉伸变形以后它会伸长

甚至局部会发生颈缩

我们看一下

通过仪器所记录下来的拉伸曲线

对于低碳钢它的拉伸曲线

是这样一个形貌

在这个上面

有一个线型端的部分

是它的弹性极限

也就是说保持弹性变形

不发生永久塑性变形的

最大的应力

当载荷大于σ_s的时候(s为下标，下同）

就会发生永久的塑性变形

σ_b为它的最大的承载能力

大于这个载荷以后

就会发生颈缩

最后会导致断裂

这是低碳钢的拉伸曲线的形貌

我们再看一下铸铁

它的拉伸曲线的形貌是个什么样

你会发现它没有明显的屈服点

这个时候我们通常

用发生0.2%的残余应变的应力值

表示它的条件屈服强度

叫做σ_0.2

那铸铁它的塑性变形能力

是比较差的

所以它的永久的塑性变形量

比较小

金属材料的强度与化学成份

和工艺有着密切的关联

纯金属它抗拉强度较低

合金钢它的抗拉强度较高

我们看一下纯铜

它的抗拉强度只有60个兆帕

但是铜合金它的抗拉强度

可以到600到700个兆帕

我们再看看纯铝

它的抗拉强度才40个兆帕

但铝合金的抗拉强度

可以达到400到600个兆帕

也就是说加入合金元素以后

形成的合金材料

它的强度比纯金属要高得多

退火态的三种铁碳合金

当碳的质量分数为0.2%的时候

它的抗拉强度只有350个兆帕

当碳的含量为0.4%的时候

它的抗拉强度达到500个兆帕

当碳的含量为0.6%的时候

它达到700个兆帕

可见随着碳的质量分数的增加

铁碳合金它的抗拉强度逐渐增加

而对于一个含碳量为0.4%的

铁碳合金

我们通过不同的工艺

也可以改变它的抗拉强度

我们刚才说了在退火的条件下

它的抗拉强度为500个兆帕

但是如果说

我们采用淬火加高温回火

这样一种工艺方法

来处理这个材料

那它的抗拉强度

就能够提高到700到800个兆帕

而合金钢的抗拉强度

能够1000到1800个兆帕

所以合金钢具有很高的抗拉强度

二塑性

塑性是指材料断裂前

产生永久变形的能力

我们看看这里有一个拉伸试样

它的原始试样是这样一个情况

它的原始的长度为L{\fs10}0{\r}

拉伸以后它的长度变为L{\fs10}1{\r}

它发生颈缩以后

它的局部的直径

从原来的d_0变成d_1

这个时候它的断后伸长率

就是它的伸长量

除以它的原始长度

用这个公式来进行计算

它的断面收缩率

就是它的截面的变化

除以它的原始的截面积

得到断面收缩率

铜 铝 铁它的塑性很好

工业纯铁它的断后伸长率

能够达到50%

断面收缩率能够达到80%

可以拉成细丝 軋成薄板

也可以进行深冲变形

铸铁它的断后伸长率

和断面收缩率几乎为零

塑性很差 不能进行塑性加工

2002年国家颁布了

新的金属材料室温拉伸测试方法

和性能的国标

新旧国标

它的性能指标的表示方法

如这个表所示

请同学们要关注

新旧国标它的表示方法的差异

但是旧的国标影响很大

所以在很多场合

人们仍习惯用旧的国标

第三是硬度

所谓硬度是材料抵抗硬物

压入其内的一种能力

材料在受压时

它抵抗局部塑性变形的一种能力

硬度有很多测试方法

第一种是布氏硬度 布氏硬度

是采用一个硬质合金或钢球

在加载条件下

压入我们试样的表面

然后测量它的压痕的直径

计算出它的硬度

用钢球作为压头时

它的硬度用HBS来表示

如果采用硬质合金球

来进行硬度测试时

它的表示方法为HBW

我们看看这是一个布氏硬度计

布氏硬度的测试步骤

可以用这样一个flash

来进行演示

我们看一下 钢球压入 卸载

测量它的直径 然后查表

计算出它所对应的硬度值

载荷的大小为3000公斤

压头的直径为10毫米

在这个压入中

它的压痕的直径为3.72个毫米

所以换算成的布氏硬度

为266个HB

另外一种硬度的表示方法

叫洛氏硬度

它采用金刚石压头

或者是硬质合金的压头

来进行测试

它通过加预载

压入一定的深度

然后再加主载

然后再卸除主载

然后再测量压入的深度

通过这样一个差值

来换算出洛氏硬度值

根据压头的种类

和总的载荷的大小

洛氏硬度常用

HRA HRB和HRC三种表示方法

来表示硬度

这个图所示这是一个洛氏硬度计

同样我们也用flash的方法

来演示洛氏硬度的测试方法

如这个图所示

我们先加入预载

然后我们把轮盘转一下

转到这个指针所对应的位置

B和C进行对齐

然后我们再加入主载

然后我们再卸除主载

这个时候我们可以从这个表盘上

去读取相应的读数

在这个测量中

我们是用的金刚石的压头

总的载荷为150kg

读出的硬度值为33个HRC

如果说我们用

硬质合金的压头去测量

那就读B值

那么就是63个HRB

然后进行卸载

铝合金和铜合金它的硬度很低

铝合金的硬度一般为150个HB

铜合金的硬度

大致为70到200个HB

对于钢材

退火态的碳钢

它的硬度一般为

120到180个HB

退火态的中碳钢

为180到250个HB

退火态的高碳钢

它的硬度要高一些

为250到350个HB

对于中碳钢淬火以后

它的硬度能够达到

50到58个HRC

对高碳钢淬火以后它的硬度

能够达到60到65个HRC

可见高碳钢淬火以后

它的硬度很高

第四 冲击韧性

冲击韧性有时候又称冲击韧度

它是指材料抵抗冲击载荷作用的

一种能力

用摆锤冲击弯曲试验法

来进行测定

可以测得试样冲击吸收的能量

或者叫冲击吸收功

用大写的A_k来表示

如果用冲击功

除以试样缺口处的截面积S{\fs10}0{\r}

得到的就是冲击韧度

小写的a_k

这是标准的冲击试样的形貌

我们同样用flash来演示一下

冲击试验的测试方法

将试样放到试样架上

然后放下摆锤进行冲击

然后我们读取表盘上的数据

就可以获得冲击功

然后除以截面积

就可以得到冲击韧度

材料的韧性

和材料的组织密切相关

我们知道材料的组织

和它的加工工艺又密切相关

对于含碳量为0.45%的铁碳合金

通过正火这样一种工艺后

它的冲击韧度

为500到800个每平方米千焦

如果改用调质处理以后

它的组织形貌发生了变化

这个时候它的冲击韧度能够达到

800到1200个每平方米千焦

铸铁它的冲击韧度很低

五 疲劳强度

当我们的轴 齿轮 叶片 弹簧

等等零件

在承受载荷的过程中

它的载荷会发生周期性的变化

这样一种周期性的载荷

我们叫做交变应力

或者叫循环应力

在交变应力的作用下

零件所承受的应力

实际上它是低于

材料的屈服强度的

但是经过长时间的工作

它会产生裂纹 会裂纹生长

会最后发生断裂

那么这样一个过程

我们就把它叫做金属的疲劳

所发生的断裂叫疲劳断裂

我们看看在交变载荷的作用下

不同的载荷大小

它的循环周次是不一样的

当载荷比较大时

它的循环周次会比较少

就会发生断裂

当降低载荷时

它的循环周次数会增加

但进一步降低载荷时

它的循环周次数会进一步增加

当达到某一个临界的载荷时

它的循环周次会非常大

能够达到10的7次方 甚至更多

而再低于这个载荷水平时

材料不会发生疲劳断裂

所以这个时候

我们把10的7次方的

载荷循环周次数所对应的应力

称为材料的疲劳强度

或者叫疲劳极限

用σ下加一个负1来表示

六 断裂韧性

我们的桥梁 船舶

大型的轧辊 转子

等等这一些

都有可能在低应力发生断裂

它的原因之一

可能就是材料或者零件的内部

存在着裂纹

裂纹在应力的作用下它会扩展

最终会导致失稳扩展

导致破坏

所以材料抵抗

裂纹失稳扩展断裂的一种能力

我们用断裂韧性

或者断裂韧度这样一个参量

来进行表示

当我们的材料或者零件

含有裂纹时

就如右图所示

在外力的作用下

在裂纹的周围它会有一个

应力场强度因子k_Ⅰ

这个应力场强度因子k_Ⅰ

它与形状因素

外载σ和裂纹半长根号a相关联

裂纹发生扩展的临界状态

所对应的应力场强度因子

称为临界应力场强度因子

用K_ⅠC 表示（注：ⅠC为下标）

它的单位是兆帕根号米

代表着材料的断裂韧性

或者断裂韧度

不同的金属材料

它的断裂韧性是不一样的

好比说低碳钢

它的断裂韧性

约为140个兆帕根号米

中碳钢它的断裂韧性

约为50个兆帕根号米

高碳钢约为19个兆帕根号米

铸铁它的断裂韧性很低

约为6到19个兆帕根号米

钛合金具有比较高的断裂韧性

它约为50到118个兆帕根号米