第一章 工程材料的力学性能第一章 工程材料的力学性能 材料是在不同的外界条件下使用的，如在载荷、

温度、介质、电场等作用下将表现出不同的行为，即材料的使用性能。使用性能主要包括：力学性能、物理性能和化学性能。

力学性能是指材料在载荷 (外力 )作用下所表现出的特性。

强度：是指材料在外力作用下抵抗变形与断裂的能力。

塑性：是指材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。

通常材料的强度和塑性是根据国家标准 (GB6397-86) 规定进行静拉伸试验测量得到的。

§1 材料的强度与塑性工程材料的力学性

能

材料的强度与塑性

拉伸试样

拉伸过程中试验机自动记录拉伸过程中拉力与伸长量的关系曲线（ F-ΔL 曲线）

σ =F/Sσ- 应力； F- 轴向拉力；S- 试样原始横截面积

ε =ΔL/L0=(L1-L0)/L0

ε- 应变； L0- 试样标距； L1- 试样拉伸后长度

1. 弹性变形阶段（ oe ）

应力 -应变关系曲线特点（σ-ε 曲线）

2. 塑性变形阶段（ eb ）

3. 断裂点（ k ）

1. 弹性变形阶段（ oe ）

应力 -应变关系曲线特点（σ-ε 曲线）

直线 oe 的斜率定义为材料的弹性模量（刚度）E

E= σ/ ε

弹性模量 E 反映了材料产生弹性变形的难易程度，保证了材料不发生过量弹性变形。材料的弹性模量取决于材料本身，合金化、热处理及冷热变形对其影响不大。

应力 -应变关系曲线特点（σ-ε 曲线）

2. 塑性变形阶段（ eb ）载荷基本不变的情况

下试样继续伸长的现象称作屈服。

s ： 屈服点σs ：屈服强度

b ：最大应力点 “缩颈”σb ：抗拉强度

3. 断裂点（ k ）

强度指标：1. 弹性极限 σe ：是指材料由弹性过渡到弹 - 塑性变形的最大应力。

2. 屈服强度 σs ：是指材料产生明显塑性变形时的应力。需要注意的是，对于高碳钢等一些相对脆性的金属材料往往没有明显的屈服平台，规定产生 0.2%残余应变时所对应的应力值作为其屈服极限，称为条件屈服强度，记作 σ0.2 。

3. 抗拉强度 σb ：是指材料拉伸时所能承受的最大应力。

塑性指标：一般用伸长率 (δ) 或断面收缩率 (Ψ) 来反映材

料塑性的好坏。 1. 伸长率：δ =(L1-L0)/L0

2. 断面收缩率：Ψ=(S0-S1)/S0

a. 材料可通过局部塑性变形来削减应力峰，缓解应力集中，从而防止突然破坏。 b. 通过发生塑性变形和因此引起的形变强化，可提高抵抗过载的能力。 c. 如果零件失效前产生塑性变形，由于塑性变形可吸收大量能量，可使失效的破坏性降到最小。 d. 好的塑性有利于压力加工成型工艺。

WE-2000CI 型液压式万能试验机

测量方法：静载压入法 根据压头和载荷的不同，主要有布氏硬度 (HB) 、

洛氏硬度 (HR) 和维氏硬度 (HV) 等。

定义：硬度反映了材料表面抵抗其他硬物压入的能力。

意义：硬度能较敏感地反映材料的成分与组织结构的变化，与强度、耐磨性以及工艺性能往往存在一定对应关系，故可用来检验原材料和控制冷热加工质量。

§2 材料的硬度工程材料的力学性

能

将一定直径的淬火钢球或硬质合金球，在规定载荷下压入被测金属的表面，并保持一定时间，然后卸除载荷，以金属表面球形压痕单位面积上所承受载荷的大小来表示被测金属材料的硬度。

)(

2102.0)(

22 dDDD

F

A

FHBWHBS

布氏硬度： 1900年瑞典工程师布利涅尔（ Brinell ）提出　

几点说明：

1. 布氏硬度的单位为 MPa ，一般不标出；

2. 淬火钢球为压头测出的硬度值以 HBS 表示，适用于硬度值在 450 以下的材料；硬质合金球为压头测出的硬度值以 HBW 表示，适用于硬度值在 450-650 的材料；

3. 布氏硬度值要注明钢球直径、载荷大小、加载时间。如 10mm 淬火球在 9.81kN （ 1000kgf ）载荷下，保持30s 测得的布氏硬度值为 150 时，应标注为 150HBS10/1000/30又如 :500HBW5/750 表示用 5mm 的硬质合金球在 7.335k

N （ 750kgf ）载荷作用下保持 10-15s 测得的布氏硬度值为 500 。　　

洛氏硬度： 1919 年美国洛克威尔提出。 用锥顶角 120° 的金刚石圆锥体或淬火钢球作为压头，在一定试验力的作用下，将压头压入试样表面，经规定的保持时间后，卸除主试验力，根据残余压痕深度计算被测材料的硬度。洛氏硬度值可直接从硬度计读取。

洛氏硬度的分类 HRA HRB HRC 压头 : 金刚石 直径 金刚石 圆锥体 1.5875 钢球 圆锥体

总载荷 /N : 588.37 980.67 1471.07

应用 ： 高硬度 较软材料， 淬火钢 材料，如 如退火钢， 等硬材料 硬质合金 铜铝等

范围： 60-88HRA 20-100HRB 20-70HRC

维氏硬度的试验原理与布氏硬度相同，但维氏硬度试验是用两面夹角为 136° 的金刚石四棱锥体作为压头。试验时测出压痕对角线长度以计算压痕的表面积，以 F/A 的数值表示维氏硬度值。

维氏硬度：英国的维克斯维氏硬度：英国的维克斯 VickersVickers 公司公司

HV=1.8544F/d2(MPa)

维氏硬度载荷小，压痕深度浅，适应于测量较薄的材料或表面硬化层的硬度，所以维氏硬度广泛用来测定金属镀层、薄片金属以及化学热处理后的表面硬度。

压痕面积大，能反映较大范围的组成的平均性能，数据稳定，准确，重复性强

布氏硬度

洛氏硬度

维氏硬度

优点 缺点

硬度值可直接读出，简便，压痕小，可在关键表面进行实验。

代表性差

压痕清晰，数据准确可靠，载荷小，压痕浅，适合薄件、表面层，且软硬材料均适用，范围广。

硬度值测定麻烦

压痕直径测量麻烦，不适于成品、薄件

定义：韧性是指材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力，是材料强度和塑性的综合表现。

衡量材料韧性的力学性能指标称之为韧度。我们考察较多的是材料的冲击韧性和断裂韧性，与之对应的力学性能指标为冲击韧度（ αk ）和断裂韧度（ KIC ）。

§3 材料的韧性工程材料的力学性

能

定义：冲击韧性是用来评价材料在冲击载荷作用下的脆断倾向的，它是指材料在冲击加载下吸收塑性变形功和断裂功的能力。冲击韧度为其力学性能指标，表示单位面积吸收的冲击功，用一次摆锤冲击试验法来测定。（ αk=Ak /A ）

冲击韧性

221 /)(

cmJA

hhGaK

意义意义：用来反映材料对一次或少：用来反映材料对一次或少次数大能量冲击破坏的抵抗能力次数大能量冲击破坏的抵抗能力和在此工作条件下材料对缺口的和在此工作条件下材料对缺口的敏感性。敏感性。

材料内部的裂纹往往会导致材料发生低应力脆断，针对这种情况，通常采用断裂韧度 KIC 来评定。

KIC 是材料抵抗裂纹失稳扩展能力的度量，反映了材料抵抗低应力脆断的能力。

断裂韧性

KIC=Yσca1/2

Y- 与裂纹形状及加载方式有关的量σc - 裂纹失稳扩展的应力，即断裂应力a- 材料内部裂纹长度的一半

材料冲击韧度的大小除了与材料本身特性，如化学成分、显微组织和冶金质量有关外，还受试样尺寸、缺口形状、加工粗糙度和实验环境等影响

材料的断裂韧度与材料本身的性质有关，与材料的成分、成型工艺有关；而与裂纹的形状、尺寸及外应力的大小无关。

影响因素

§4 §4 材料的疲劳强材料的疲劳强度度

疲劳断裂的概念 零件在交变载荷作用下经较长时间工作而发生突然断裂的现象 ( 交变载荷是指大小、方向随时间发生周期性循环变化的载荷 )

工程材料的力学性

能

疲劳断裂的特点(1) 断裂时的应力远低于材料静载下的抗拉强度，甚至屈服强度 , 疲劳断裂属低应力脆断。(2) 断裂前无论是韧性材料还是脆性材料均无明显的塑性变形，是一种无预兆、突然发生的断裂，因此危险性极大。

疲劳断裂的基本过程

(1) 裂纹的产生：由于材料本身的各种缺陷和结构等原因，使零件受力时局部产生应力集中，形成疲劳裂纹源，达到一定条件时，产生裂纹。(2) 裂纹扩展：裂纹形成后，在交变应力作用下将不断扩展。(3) (3) 断裂断裂：随着疲劳裂纹的扩展，有效承载：随着疲劳裂纹的扩展，有效承载面逐渐减小，当应力达到材料的断裂强度或面逐渐减小，当应力达到材料的断裂强度或断裂韧度时，发生快速断裂。断裂韧度时，发生快速断裂。

疲劳抗力指标

疲劳强度 （疲劳极限）—材料在“无数”次重复交变载荷的作用下而不破坏的最大应力。当交变应力循环对称时，疲劳极限用 σ-1 表示。疲劳强度在疲劳试验机上测定，试验时，钢材的循环次数以 107 为基数；有色金属以 108 为基数。

影响因素(1)(1) 材料本质材料本质：材料的成分、组织以及纯度和夹杂物对疲劳强度有显著影响。：材料的成分、组织以及纯度和夹杂物对疲劳强度有显著影响。(2)(2) 零件表面状况：零件表面状况：疲劳裂纹源大多起始于零件的表面。零件表面的加工缺陷疲劳裂纹源大多起始于零件的表面。零件表面的加工缺陷

大大降低了疲劳强度。大大降低了疲劳强度。(3)(3) 载荷类型：载荷类型：载荷类型不同，疲劳强度不同。载荷类型不同，疲劳强度不同。(4)(4) 工作温度：工作温度：温度升高，裂纹易产生和扩展，故降低了疲劳强度。温度升高，裂纹易产生和扩展，故降低了疲劳强度。(5)(5) 腐蚀介质：腐蚀介质：零件在腐蚀环境中，疲劳强度明显降低。零件在腐蚀环境中，疲劳强度明显降低。