第一讲 : 工程材料的力学性能

主讲：曹光明

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

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

F（ σ ）

弹性阶段

e

s

屈服阶段

均匀塑变 阶段

b

k

颈缩阶段

△L（ ε ）

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。

工程材料的力学性能

图 2

几个力性指标： 1 、 σe ：材料不产生永久变形的最大应力。

2 、 σs ：具有上下屈服点时以下屈服点为 σs

3 、 σb ：强度极限或抗拉强度。

工程材料的力学性能

F （ σ ）

△L （ ε ）

e

s

b

k

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 。

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)

σe= Fe/A0 N/mm2(Mpa)

规定弹性极限： σ0.01 或 σ0.05— 微塑变抗力指标。

4 、 E ：弹性模量，又称材料刚度。

E = σ/ε Mpa—— 材料产生单位弹性变形所需的应力

5 、塑性：表征材料断裂前发生塑性变形的能力。用 δ 、 ψ 表示。

工程材料的力学性能

F （ σ ）

△L （ ε ）

e

s

b

k

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 ↑ 。

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。

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。

工程材料的力学性能

3 、产生疲劳的原因：①材料内部微裂纹；②表面缺陷 。

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。

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。

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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。

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。

布氏硬度 HB 、洛氏硬度 HR 、维氏硬度 HV 。

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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

0

1

23

洛氏硬度实验示意图图 3 洛氏硬度测试图

载荷 = 初载荷 + 主载荷 初载荷—— 10kg

主载荷—— 60kg（ HRA ）、 100kg（ HRB ）、150kg（ HRC）

h1

h3 h2

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3 、维氏硬度 HV

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：① HRA 、 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。

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。

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。

工程材料的力学性能

图 4 标准夏比U型缺口冲击试样

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。

低冲击值部分

高冲击值部分

韧脆转变温度范围

/ ℃温度

冲击

值α

k

图 5 冲击韧性与温度的关系

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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。

滑开型张开型 撕开型

图 6 裂纹扩展有三种方式

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。

1cK Y a Y—— 裂纹形状尺寸系数，无量纲。