金属力学性能与失效分析

五，金属的断裂韧性

传统的机械设计是建立在一个基本假设的基础上，即认为材料是连续的、均匀的、各项同性的可变形体。设计构件时不仅要满足强度、刚度和稳定性这三点要求，同时还要满足成本低、重量轻、耗能小、容量大的要求。而原来的传统设计方法已不能合理的解决以上问题，断裂力学则是为适应这一要求而发展起来的学科，是现代强度学科的重要组成部分。

断裂力学是从实际材料中存在缺陷和裂纹出发，把构建看成是连续和间断的统一体。研究带裂纹材料中裂纹拓展的规律，分析裂纹尖端应力、应变分布，并建立断裂判据，用以解决工程构建中的低应力脆性断裂问题。这一整套计算方法和设计原则，使工程中低应力脆断得到合理的说明和解决，使灾难性事故减少发生。宏观断裂理论包括线弹性断裂理论和弹塑性断裂理论。线弹性断裂理论主要研究脆性断裂。而脆性断裂主要以格里菲斯（Griffith）理论为基础。格里菲斯关系式是根据弹性材料和非常尖锐裂纹的应力分布推导出来的。平面应力下的格里菲斯公式为：

σ=

（5-1）

平面应变下的格里菲斯公式：

σ=

5-2）

式中σ—工作应力；

E—弹性模量；

a—裂纹半长；

r s ——比表面能；

图5-1 裂纹扩展三种类型

a-张开型；b-滑开型；c-撕开型

5.1.1应力强度因子

5.1.1.1 裂纹扩展方式

根据裂纹面的位移方式，将裂纹分为三种类型：Ⅰ型或张开型（拉伸型）；Ⅱ型

或滑开型（面内剪切型）；Ⅲ型或撕开型（面外剪切型）；如图5-1所示。

5.1.1.2裂纹尖端的应力场和位移场

（1）Ⅰ型裂纹尖端的应力分量，如图5-2所示。

)

23

s i n 2s i n 1(2c o s 2y θ

θθπσ+=r K I

23c o s 2s i n 2c o s 2θ

θθπτr K I xy =

图5-2 双向拉伸作用下的格里菲斯裂纹

图5-3 Ⅱ型Griffithlith 裂纹

Ⅰ型裂纹中y σ是引起断裂的关键性的应力。当0=θ时，则

r K I

y πσ2= )

23sin 2sin 1(2cos 2x θ

θθπσ-=

r K I

（2）Ⅰ型裂纹尖端的位移分量。在平面应变状态下x 方向和y 方向的位移为 )2s i n 21(2c o s 2r G

K 2I θθπμ+-=v

)2c o s 22(2s i n 22θνθπν--=

r G K I

在平面应力状态下x 方向和y 方向的位移为 ]2sin )1(21[2cos 2r G K 2I

θθπμ++-=v v

]2s i n )1(22[2c o s 22θθπν++-=v v r G K I

式中 K I —Ⅰ型裂纹应力强度因子；

G —材料的剪切模量；

ν—泊松比；

μ，ν—分别为x 方向和y 方向的位移；

θ，r —P 点的极坐标，由它们确定P 点相对于裂纹顶端的位置；

σ—远离裂纹并与裂纹面平行的截面上的正应力。

图5.3Ⅲ型格里菲斯裂纹

5.1.1.3应力强度因子

上面叙述的各应力分量都分别含有共同的因子K I 、K 和K III ，它们分别为I 型、II 型和III 型裂纹顶端应力场强度因子，简称应力强度因子。

5.3.2 试样制备

5.3.2.1 取样部位及尺寸要求

试样取向应是对裂纹最敏感的取向。例如凝固时形成的柱状晶，轧制时形成的纤维状组织等等都对KIC 有很大影响；因此要特别注意材料的各向异性、材料冶

金、机械加工的主方向或晶粒变形方向。要尽可能使试样的裂纹面取向与实际结构中的裂纹面取向一致。从原材料上取样时要注明裂纹面取样的方位。

选择试样形状尺寸时，首先要试样断裂行为是线弹性的，要使其处于平面应变状态及三向拉应力状态312()σνσσ=+。为得到有效的KIC 值，必须满足有效性条件。试样各部位尺寸（对三点弯曲试样）按下式选取

22.5IC S B K a W a σ??≥ ???- （5-90）

式中 a ---- 裂纹半长；

B------ 试样厚度；

W----- 试样宽度，W=2B ；

（W-a ）----- 韧带宽。

标准三点弯曲试样，其跨度S=4W ，即W=2B 。而非标准三点弯曲试样

24W B ≤≤，

a W 应在0.45~0.55之间，S W =3或S

W =3.5。 公式5-90中的KIC 是类似被测料的KIC 值，通常称估计KIC 值。

纹顶端张开位移即COD 理论；其二是从裂纹拓展能量率G1 发展起来的J 积分理论。有关各种判据还在进一步探讨和发展中。

5.1.1.3 应力强度因子

上面叙述的各应力分量中都分别含有共同的因子K Ⅰ 、K Ⅱ和K Ⅲ ，它们分别成为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型列纹顶端应力场强度因子，简称应力强度因子。对于裂纹顶端任意给定点，只要其坐标r 、θ有确定值，该点应力分量则完全取决于应力强度因子。因此应力强度因子的大小就确定了列纹顶端各点的应力大小。它表明在名义应力作用下，含裂纹体处于弹性平衡状态时，裂纹顶端附近应力场的强弱，可作为判断裂纹是否将进入失稳状态的的一个指标。

较复杂裂纹体的应力强度因子往往是不易寻求的。下面介绍应力强度因子的基本参量和常用的表达式。

A 应力强度因子的基本参量

Ⅰ 型裂纹

I K Y =

Ⅱ

型

纹 II K Y =

（5-12） 有中心穿透裂纹的无限大板Y

Ⅲ 型裂纹 III K Y =式中Y —与裂纹形状加载方式及试样几何因素有关的无量纲系数；

σ—工作正应力；

τ—工作切应力；

a —裂纹半长。 应力强度因子的量纲为力×3

2()-长度。其国际单位为12

.MPa m 。

图5-5叠加原理

ν——泊松比，金属材料大致在0.25~0.33之间。

格里菲斯公式对理想脆性体是有效的。因为它的表面能和断裂能差别不大。且上面的关系式只能看做是构件破坏的必要条件而不是充分条件。为使局部应力超过内聚强度，裂纹顶端半径必须与原子半径同一数量级。

1948年欧文（）指出，格里菲斯型的平衡必须存在于载荷功、材料储存的弹性应变能、塑性变形功和表面能的变化之间。并且认识到，对于塑性材料，抵抗表面张力做的功要比抵抗塑性变形功小得多。1955年和1957年欧文又指出能量观点相当于一种应力强度观点，当裂纹顶端应力强度因子到达临界强度时（即材料断裂韧度值），便发生断裂。一般可把应力强度因子I K 写成下列形式：

I K Y = （5-3）

σ— 工作应力；

a — 裂纹半长；

Y — 几何形状因子，是无量纲系数。

应力强度因子在分析静态剩余强度时，疲劳裂纹拓展和应力腐蚀等问题上成为断裂力学的主要内容。

但是实际的工程构件都是金属材料制成的。而这些金属构件断裂时，其断裂能要比表面能大几个数量级。使裂纹顶端发生塑性变形，因此塑性变形是组织裂纹扩散的重要因素。弹塑性理论研究裂纹顶端处于屈服状态，即以韧性状态断裂为研究的基本形态，它包括小范围屈服断裂，大范围屈服断裂，和全面屈服断裂。

小范围屈服断裂是指塑性区尺寸比裂纹尺寸小得多的断裂现象，一般屈服区尺寸比裂纹尺寸小一个数量级，可用弹性理论近似处理。大范围屈服是指裂纹尖端屈服区尺寸接近裂纹尺寸的断裂现象。裂纹前沿达到全面屈服时的断裂成为全屈服断裂。对大范围屈服和全屈服断裂，不但线弹性理论不能成立，而且也不能进行简单的所谓塑性区修正，从而发展了弹塑性断裂力学。弹塑性断裂力学主要有两种理论：其一是从应力强度因子I K 发展起来的

5.3.2.3 预制疲劳裂纹

A 引发疲劳裂纹缺口的形状

一般疲劳裂纹引发缺口有四种形状。为便于在低应力强度水平下产生疲劳裂纹，机械缺口可采用末端为V 型缺口的直通型狭缝，其根部半径应在0.08mm 以下；也可采用末端为山形缺口，其根部半径应在0.25mm 以下；或采用机械缺口末端是圆孔形，但必须在圆孔末端提供一个尖锐的应力集中源，应力集中源的位置可满足裂纹面取向的要求；第四种就是用钼丝切削的缺口。缺口宽度必须小于

1.6mm 如图5-29所示。

开出机械缺口的试样，在高频疲劳试验机（104~106总循环周次）上预制疲劳裂纹，裂纹长度（裂纹引发缺口加疲劳裂纹的总长）应在0.45~0.55W 之间。疲劳裂纹长αf 不小于1.5mm,而且αf ＞0.05α.

B 预制裂纹时的应力强度因子

预制疲劳裂纹开始的最大疲劳载荷

max f P 应使应力强度因子的最大值不超过KIC 估计值的80%，最大疲劳载荷max f P 与疲劳载荷最小值min f P 之比在0.1~ -1之间。 预制疲劳裂纹用正弦波加载，频率不超过100Hz ，总循环周次为104~106 次。 疲劳裂纹拓展最后阶段，即在 2.5%αf 的距离内，应使疲劳循环应力强度因子最大值max 60%f IC K K ≤（KIC 是估计值），并且使得max f K E ＜11220.00032(0.01)m mm ，max

min f f P P 在0.1~ -1之间。

预制疲劳裂纹应使试样两侧裂纹对称拓展，否则将试样转180°使试样两侧裂纹对称。

当在温度T1 下预制疲劳裂纹，在温度T2下作断裂韧度试验时，应控制max f K 不超过120.20.20.6()r IC r K σσ（KIC 是估计值）；10.2r σ和20.2r σ分别为材料在温度下和温度T2 时的规定残余伸长应力。

5.3.2.4 试验结果分析及处理

A 确定裂纹失稳拓展载荷Pq

由于试样厚度与材料韧性不同，测得载荷P 与裂纹嘴张开位移V 的关系曲线也不同，一般P-V 曲线有三种类型 如图5-30 所示。

从P-V 曲线上确定Pq 的方法是，先从原点O 作一相对直线OA 部分斜率减少5%的割线来确定裂纹拓展2%时的相应载荷P5 。若P5以前没有比它大的高峰值，则Pq= P5 (如图5-30曲线Ⅰ)；若P5以前有比它大的高峰值，则这个高峰值为Pq (如图5-30曲线Ⅱ、Ⅲ)。

B 试样断裂后，测裂纹长α

将压断的试样在工具显微镜或其他精密测量工具下测量裂纹长度α,测量精度

0.01mm 。由于裂纹前缘不平直，规定测量14B ，12B 和3

4B 三处的裂纹长度α2、α3、α4 （如图5-31所示），并取三条裂纹长的平均值a 作为裂纹长。

a = 1

3（α2 +α3 +α4） （5-91）

α2 、α3和α4 中的任意两个测量值之差不能大于α的10%。对于山形缺口（图5-29中（α）所示），试样表面上的裂纹α1 、α5 应从山形缺口根部产生。α5 与a 之差不得大于10%，且

α1、α5 之差也不得大于a 15%，α1、α5 之差也不得大于10%。 裂纹面还应与BW 平面平行，偏差在10±?以内。

C 计算条件断裂韧度Kq

将Pq 和α值代入应力强度因子公式计算Kq 。对于标准三点，弯曲试样按式5-17计算，其中S=4W 。

对于紧凑拉伸试样按式5-18计算。

对于S=3.5W 的非标准三点弯曲试样按下式计算

q 13

2()q P S

a K f W BW =

1

22

1()[1.8620.875(0.475)]sec ()22a a a a f tg W W W W ππ=+- （5-92）

对于S=3W 的非标准三点弯曲试样按下式计算

1

22

2()[1.839 1.00(0.465)]sec ()22a a a a f tg W W W W ππ=+- D 判断Kq 有效性

当Kq 满足下列条件时，条件断裂韧度Kq 就是材料断裂韧度K ⅠC

q 232

()q P S a K f W BW =

max q 1.10

P P ≤

(5-94)

2

q

0.2

2.5

r

K

B

σ

??

≥ ?

??(5-95)

公式5-94使用来避免由于试样尺寸全面不足，而Kq

际上不满足

2

IC

0.2

2.5

r

K

B

σ

??

≥ ?

??而满足公式5-90的假象。这一条件使测得的Kq 值不

会明显低于KIC值。因此公式5-94是先决条件。

当满足上述两个条件时，则Kq=KIC，否则无效，重新做试验，并使新试样厚度为原来试样厚度的1.5倍

图7-1

7.1.3 疲劳宏观断口特征

典型宏观疲劳断口示意图如图7-6a所示，可以分为三个区，即源区、扩展区与瞬时断裂区。源区一般位于试样表面，尤其存在应力集中的部位，一般比较光亮。疲劳扩展区紧靠源区，也很光亮、平滑，而且常可以看到呈贝纹线或海滩花样，即存在一些类似同心圆一样的弧线包围源区，它是在应力发生突变（如开车或停车）和材料组织变化使裂纹改变方向时留下的裂纹前沿线痕迹。最后是瞬时断裂区，它是由于疲劳裂纹扩展至临界长度后，剩余截面上的真实应力超过材料抗拉强度而发生的静载断裂。它的断口特征和存在严重应力集中的低应力脆性断口相似，多出现放射花样。疲劳区与瞬时断裂区的相对大小，与材料性质有关，还与所承受的应力水平有关。通常高强度材料塑性差，承受应力水平高，疲劳裂纹稍有扩展即导致过载静断，所以它的疲劳扩展区小，而瞬时断裂区大。反之，塑性材料，承受应力水平低时，即使疲劳裂纹有较大的扩展，其剩余截面上的应力仍不高，不会立即断裂，最终断裂区所占比例就小。

图7-7

7.1.3.1影响宏观疲劳断口的形貌的因素

应力水平、加载方式以及应力集中对宏观断口形貌的影响可由图7-7示意地表征出来，由图可见：（1）不论何种加载方式或有无应力集中，还是名义应力高的断口，其疲劳裂纹扩展区所占断口面积较小，而瞬时断裂区所占面积大，（2）当潜在的裂纹源区的局部应力增加时，活动的裂纹核心或源点也增加。因此，在高过载应力处或严重应力集中处，将会出现多个源点。在大多数情况下，多个源点形成的裂纹最后汇合成单一裂纹前沿，汇合前各条裂纹都被许多棘轮标记（一些

垂直的小凸峰）所分开。无应力集中时，整个疲劳断裂由一个源点扩展出来；（3）在没有应力集中的情况下，裂纹在接近截面中心处比在表面处扩展快，这是由于中心的三向应力约束所造成的。若在表面有应力集中的缺口，其表面的疲劳裂纹扩展加快，甚至出现W 型裂纹前沿，或反过来包围瞬时裂区；（4）单向弯曲应力下只有一个疲劳源，而双向弯曲出现两个源区，最终的瞬时断裂区在中心；（5）旋转弯曲断裂中，常出现‘偏转现象’，即最终断裂区不在源区对侧，而是与旋转方向相反的方向对着源点旋转或偏高，并且在名义上应力增加时，瞬时断裂区向截面中心移动。（6）一般源区总在自由表面或接近自由表面处开始。但当内部存在大块夹杂物、渗层过滤区存在较大拉应力或在拉-拉、拉-压应力下作用下，裂纹可在内部发源，形成所谓“鱼眼”型疲劳断口；（7）单向交变扭转常出现棘轮状断口，双向交变扭转则出现锯齿状断口。

7.1.4疲劳缺口敏感度

在交变应力作用下缺口的影响要比静载作用时大，从而说明应力集中所造成的危害性也大。

疲劳缺口敏感度常以符号f q 表示

f q =11

--t f k k

k t -- 理论应力集中系数，k t =

m

σσmax ，即为应力集中处的最大应力与平均应力之比。 k f --疲劳断口应力集中系数，k f =

k 11--σσ，即光滑试样的疲劳极限与缺口试样疲劳极限之比。

图7-8

在静载荷作用下，只要材料有足够的塑性，缺口所造成的应力集中源作用并不明显，或者根本不起作用，因为局部应力集中使局部应力超过了材料的屈服强度，就会产生塑性变形，使应力重新分布。只要塑性变形不太大，就不会产生多少影响。但对于承受交变应力的零件，它承受的应力水平低于屈服极限，若由于应力集中使裂纹源形成的话，它就可以在交变应力作用下不断扩展，而难以发生塑性变形使应力重新分布，有害影响会明显表示出来。如上节中谈到宏观疲劳特征不少都与应力集中有关。

7.2.1疲劳裂纹形成机理

虽然低应力疲劳在宏观上无明显塑性变形，但在微去内产生很大塑性变形，不均匀塑性变形是产生疲劳破坏的基本原因。因此，要考虑疲劳裂纹萌生，首先要研究萌生前的循环塑性变形。

依据研究的的尺寸水平和研测方法的差异，对疲劳裂纹萌生有不同的定义。从微观机制研究的角度，常用光学显微镜或电子显微镜研究，以观察到约1um 长的微裂纹作为疲劳裂纹萌生的标准，而工程上则以无损探伤能检查出的裂纹，约0.5mm作为疲劳裂纹萌生的标准。由此可见，疲劳裂纹成核寿命对总疲劳寿命的比值不仅受外加应力、试样几何形状、材料性能、早期的加载历史及环境因

素的影响，还与所选定的的萌生标准有关。

图7-9

7.2.1.1循环变形的微观机制

交变加载的初期，应力-应变滞后回线通常不是封闭回线，而是产生循环硬化或循环软化。以恒应变幅p ε?试验条件为例，如图7-9a ，随着循环次数的增加而应力增加称为循环硬化，如图7-9b 。反之，随N 增加，p σ下降，如图7-9c 中曲线2称循环软化。

金属材料在什么条件下产生循环硬化，什么条件下产生循环软化？为什么会产生循环硬化和循环软化，材料内部微观结构有何变化？循环硬化及循环软化对疲劳裂纹萌生产生了什么作用？这些问题都是理解疲劳裂纹萌生的基础，目前已进行了大量的研究，取得了很大进展。

A 循环硬化和循环软化

材料的循环变形行为和材料状态及试验条件有关。据统计表明，材料的屈服比（b σσ2.0r ）可用来估计其循环变形行为，b

σσ2.0r ＞0.83的材料为循环软化，

b σσ2.0r ＜0.71的材料为循环硬化，介于二者的材料则即可产生循环硬化，也

可产生循环软化，随着试验条件而变。因此，一般退火金属产生循环硬化，形变强化金属产生循环软化，经过热处理强化的钢材则依据回火温度不同，即可产生循环硬化也可产生循环软化，似乎材料的循环变形特征与预应变史有关。近来研究发现，有些材料如纯铜与应变史无关，决定材料循环变形特性的是材料的滑移模型，而滑移模型是根据材料的表面滑移带和位错结构的性质来确定的，形成平直的窄滑移带和平面状位错结构的材料称为平面状滑移材料。它循环加载后的饱和应力与应变史无关，不管是否经过预先强化。在循环加载后达到饱和应力相同。而形成波纹状滑移带及胞状位错亚结构的材料称为波纹状滑移材料，它的循环加载特性与应变史有关，退火后循环加载产生循环硬化，冷加工循环加载将产生循环硬化，冷加工循环加载将产生循环软化，两者的循环饱和应力是不相同的，如图7-10所示。

图7-10

7.2.1.2疲劳裂纹萌生机制

疲劳裂纹萌生的位置一般均在自由表面，与自由表面附件的晶粒有关，而与金属内部的晶粒无关，其原因是（1）表面晶粒与大气或其他介质直接接触。因此，环境因素是一个破坏因素的话，受损伤的是表层晶粒。（2）表面晶粒是多晶金属中不完全受其他晶粒的包围的部分，在塑性变形时受约束性小，更容易发生塑性变形。（3）在表面容易产生表面损伤，如机械损伤、点蚀坑、磨蚀坑等。（4）弯曲、扭转加载时表面往往受力大，而且应力集中源多在自由表面。（5）在交变加载下，持续滑移带在表层首先形成，大约在90%的持续滑移带均在深约200um

的表层中。因此，对于防止疲劳裂纹萌生，强化表面，减少表层缺陷、提高表面光洁度有着十分重要意义。

图7-13

疲劳裂纹萌生微观机制有三种：（1）持续滑移带中萌生裂纹。（2）晶姐萌生裂纹。（3）夹杂物和第二相附近萌生裂纹。具体萌生机制与材料性能、显微组织、外加应力水平及环境条件有关，需要具体问题具体分析

7.2.2疲劳裂纹扩展机制

疲劳裂纹的萌生与扩展这两个过程是连续的，难以分清哪一瞬间是裂纹萌生完毕，哪一瞬间算是裂纹扩展开始。对于由滑移带萌生的裂纹来说，最初形成较小的的显微裂纹，小于一个晶粒尺寸，随后是裂纹的扩展。裂纹扩展可分为两个阶段，如图7-14。第I阶段显微裂纹沿滑移带扩展，即裂纹的扩展是沿着最大切应力的滑移面由滑移而扩展。因此这种裂纹称为结晶学裂纹，或剪切裂纹。此阶段裂纹扩展方向大致与主裂纹称45℃，扩展速率很小，具有A的数量级，断口无特征，呈平面状，有时存在滑移台阶，其扩展深度与外加应力有关，高周疲劳I

阶段扩展深度为几个晶粒长度。随裂纹增长，应力强度因子K

I

增大，滑移已不限于45℃滑移面，开始在与主应力轴垂直面滑移，即进入第Ⅱ阶段。第Ⅰ阶段扩展尺寸愈大，材料疲劳寿命愈长。第Ⅱ阶段疲劳裂纹是沿着与最大拉应力垂直的平面向前进行的，这是非结晶裂纹，这种裂纹亦称为拉伸裂纹。此阶段裂纹扩展速率较大，约微米的数量级，扩展的结果往往是在断裂面上形成条纹等形态的断口，断口的取向与应力轴夹角随裂纹增上而变化，裂纹长度小，应力强度因子

K

I 小，此时平面应变占优势造成平端口；随裂纹长度α增大，K

I

增大，裂纹尖端屈服区增大，平面应力状态比重增大，而逐渐变为斜断口。

图7-14

7.2.2.1 疲劳微观断口上的疲劳裂纹

疲劳微观断口上存在的典型特征就是存在塑性或脆性疲劳条纹，面心立方金属及塑性好的材料易出现疲劳条纹，而贝氏体钢，铸造合金条纹不明显，脆性材料疲劳断裂是通过解理而扩展，其微观结构是与条纹像垂直的台阶，图7-15为疲劳条纹微观形貌。

塑性疲劳条纹的特点是：（1）条纹间相互平行，峰谷相间，永不相交，而与裂纹扩展方向垂直分布；（2）每一条纹代表一次应力循环下裂纹的扩展量，它是莫一

应力循环下裂纹前沿线的拉展，（3）条纹间距随应力强度因子K

增加而加大，

I

故随裂纹扩展，条纹间距有增加的趋势；（4）条纹连续分布成片，但不穿过晶界，

每一条内条纹长度、间距均匀；（5）断口两侧条纹形态对称，即峰对峰，谷对谷。

图7-16

7.3.1疲劳强度设计

曲轴、叶片、齿轮、弹簧、压力等机械零件部件都是在交变应力下工作的，

它们的失效大多数是疲劳断裂。因此，采用合理的疲劳设计是提高机械产品的重要一环。现行的疲劳设计，主要是无限寿命设计与有限寿命设计两种。

7.3.1.1无限寿命设计

无限寿命设计要求在无限长的使用期限内不发生疲劳破坏，既要求机件的应力水平小于疲劳极限，这是常规疲劳设计方法。

在对称循环下，考虑应力集中、尺寸大小和表面状态等的综合影响，可按下面强度条件确定机件的尺寸或验算其疲劳强度：

][K σβεσσ≤n

1-σ （7-7） 式中 K σ —有效应力集中系数，扭转时为K r ；

σε—尺寸系数，扭转时为r ε；

β—表面状态系数；

[σ]—危险截面上名义应力；

1-σ —疲劳极限（对称循环R=-1时），拉压时为p 1-σ，扭转时为1-τ n —安全系数。

在非对称循环下，当应力比R 不变时，其强度条件为：

ασσ

σβεK +m σ?σ≤n

1-σ （7-8） 式中 ασ—应力半幅；

m σ—平均应力；

σ?—不对称循环系数，σ?=00

2σσσ-I ；

0σ—脉动循环下的疲劳极限。

在非对称循环下，当平均应力m σ保持不变时，应同时满足以下二式：

ασσσβεK ≤ασσ?σn m 1-- （7-9

n σ(m σ+ασ)≤

σσβεσK 1-+m σ(1+σσσβε?K (7-10)

式中，

n α—应力幅的安全系数。

7.3.2 疲劳裂纹扩展速率与剩余寿命的估算

根据断裂力学的观点可知，只有当构件裂纹达到临界尺寸c α时才会发生断裂。因此，构件内产生了疲劳裂纹，并不意味立即断裂，只要用试验方法测定疲劳裂纹扩展速率N

a d d ， 就可用根据断裂力学则计算构件的剩余寿命。

7.3.2.1疲劳裂纹扩展速率

计算含有裂纹的构件的疲劳寿命时，需要知道这个裂纹在交变载荷作用下的扩展速率，即在每个交变循环内扩展的量a

a dN d 。用预制疲劳裂纹的试样做

疲劳实验，测出不同循环周次N i 时的裂纹长度i α后，即便可根据a-N 曲线求出任一a i 时的N a d d 值。试验结果表明N a d d 与应力强度因子幅值?K 有关，在不

同K ?值作用下，N a d d 可在很大范围（循环/mm 1-107-）内变化。在双对数坐标上K ?和N

a d d 间关系呈S 型，如图7-19所示。

由图可见，扩展速率曲线大体上可分为三个区，这个区的存在是由于断裂

机理的差异造成的。Ⅰ区为低K ?区，其N

a d d 值很小而且迅速下降至零。这表

明当K ?小到一定程度时，疲劳裂纹不扩展，此时的K ?称为疲劳裂纹扩展门坎值，以th K ?表示，该值由载荷递减法测定不能由曲线外推，实际上常取N

a d d =1011-m/循环时的K ?值为th K ?，近坎区扩展速率及门坎随平均应力、环境、显微组织和加载方式历程等因素及相互作用而变化。Ⅱ区断裂往往是穿晶的，断口上呈现疲劳裂纹，此区中N

a d d 与材料组织及平均应力关系不大，而决定于K ?，根据大量试验总结出经验关系式，一般称为帕里斯（Paris ）公式：

N a d =C （K ?）m

式中 C 、m —材料常数，对金属材料m 为2—4。

k ?=Y σ?a

此阶段裂纹扩展速率约为105---103-mm/循环。在Ⅲ区，由于裂纹长度a 接近临界值a c ，应力强度因子K max 已接近K fc 1,疲劳裂纹扩展速率N a d d 很大，接近失稳扩展。

在疲劳裂纹扩展速率的研究中，Ⅰ区有着重要意义。因此要改善疲劳性能，首先应当延迟疲劳裂纹的萌生，这就须要加长疲劳裂纹孕育期N 0和提高疲劳裂纹门坎值th K ?。同时门坎值的问题还与断裂纹、不扩展裂纹等有着密切关系。

图7-20

7.3.2.2疲劳剩余寿命估算

估算疲劳裂纹剩余寿命，实际上是估算疲劳裂纹拓展第二阶段的剩余寿命，其步骤是：（1）确定裂纹初始尺寸a0；（2）确定构件裂纹顶端应力强度因子K1；（3）确定失稳拓展时的临界裂纹长度ac;(4)确定服役条件下的疲劳裂纹拓展速率；（5）按帕里斯公式计算剩余寿命N f 。

初始裂纹尺寸按下述方法确定：（1）用无损探伤法测出最大裂纹尺寸；（2）无损探伤未发现裂纹，取该探伤方法的灵敏度为a 0，超声探伤一般取2mm 。

临界裂纹长度ac 按下述方法确定：（1）机件净截面应力应小于抗拉强度

b σ（据此确定a

c ）

；（2）裂纹顶端K 1 应小于或等于K IC 。以二者中较小的a c 作临界裂纹长度计算。但用静载b σ、K IC 来计算时，应考虑动载的影响，一般除以动载系数 1.15。

应力强度因子K 1根据构建形状、尺寸及裂纹形状、尺寸，加载方式等从应力强度因子手册中查找。

恒应力幅下的疲劳寿命Nf 按帕里斯公式积分求出：

N=?Nf N dN 0=??c

a m K C da a 0)( （7-13）

对于无限大平板带2a 长穿透裂纹时，若m ≠2则： N=）（2-m C 2.m a ）（c c πασ?????

??????-???? ??-1a 120m c a (7-14) 若m=2,则： N=2)(1

πσ?C ln(0

a a c ) (7-15) 压力容器有穿透裂纹时，其应力强度因子应考虑鼓胀效应，其：

K 1=πασM ?

其中 M —鼓胀系数，M=（1+1.61rt 2

a ）21

r —容器中面半径；

t —壁厚

当m ≠2时，其剩余寿命： N=])1()1[()2m 22222----m c m m a a CH

（ （7-17）

式中 H=πσM ?。 7.4特殊服役条件下的疲劳裂纹问题

温度、环境介质、加载特性均会影响断裂过程。零件服役条件不同，疲劳裂纹萌生与扩展规律、疲劳断口特征均会有很大差别，材料抵抗这些疲劳失效的抗力也会不同。因此，实际构件在失效时会呈现出许多特殊疲劳问题。

7.4.1低周疲劳与热疲劳

低周疲劳是工程上常出现的一种疲劳破坏形态，如飞机起落架、船体、热加工模具等常产生低周疲劳破坏。由于机械零件运转时瞬时温度高，或者是由于应力集中的影响使材料处于弹塑性状态，局部处于塑性应变状态，即使整体受弹性反复拉伸，局部塑变区可能产生一个对称的弹性应变循环，周而复始，塑性区将萌生裂纹，最终扩展至断裂，产生低周疲劳现象。即使是光滑试样，由于包申格效应的影响也可能产生低周疲劳断裂，产生低周疲劳现象。低周疲劳断裂的特征是，每一循环应力水平高，局部区域塑性变大，是应变控制的过程，断裂扩展速率大，至断裂前的循环周次少（通常是几百次至几万次），而加载频率较低。

7.4.1.2热疲劳

热疲劳通常是指一块材料没有承受外载荷而是处于变化温度条件下的开裂。如果一块材料不能自由膨胀欲收缩，或它受热或冷却时产生热应力梯度，则这块材料中将会产生热应力。热疲劳试验分两类：（1）试样纵向施加约束，使其膨胀或收缩困难，利用加热和冷却循环产生热应力；（2）通常把试验材料做成中央材厚而边缘薄的小圆盘，而使这块不受约束的材料交替地迅速受热和迅速冷却，从而沿直径产生很大的热梯度，而沿圆周产生很大的循环应力和应变。

从热疲劳试验结果来看，它具有如下热点：（1）影响热疲劳的重要因素是材

金属材料的力学性能

金属材料的力学性能 任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用。如起重机上的钢索，受到悬吊物拉力的作用；柴油机上的连杆，在传递动力时，不仅受到拉力的作用，而且还受到冲击力的作用；轴类零件要受到弯矩、扭力的作用等等。这就要求金属材料必须具有一种承受机械荷而不超过许可变形或不破坏的能力。这种能力就是材料的力学性能。金属表现来的诸如弹性、强度、硬度、塑性和韧性等特征就是用来衡量金属材料材料在外力作用下表现出力学性能的指标。 钢材力学性能是保证钢材最终使用性能（机械性能）的重要指标，它取决于钢的化学成分和热处理制度。在钢管标准中，根据不同的使用要求，规定了拉伸性能（抗拉强度、屈服强度或屈服点、伸长率）以及硬度、韧性指标，还有用户要求的高、低温性能等。 金属材料的机械性能 1、弹性和塑性： 弹性：金属材料受外力作用时产生变形，当外力 去掉后能恢复其原来形状的性能。力和变形同时存在、同时消失。如弹簧：弹簧靠弹性工作。 塑性：金属材料受外力作用时产生永久变形而不至于引起破坏的性能。（金属之间的连续性没破坏）塑性大小以断裂后的塑性变形大小来表示。 塑性变形：在外力消失后留下的这部分不可恢复的变形。 2、强度：是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，单位为MPa。 工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。拉伸图：金属材料在拉伸过程中弹性变形、塑性变形直到断裂的全部力学性能可用拉伸图形象地表示出来。 材料在常温、静载作用下的宏观力学性能。是确定各种工程设计参数的主要依据。这些力学性能均需用标准试样在材料试验机上按照规定的试验方法和程序测定，并可同时测定材料的应力- 应变曲线。 对于韧性材料，有弹性和塑性两个阶段。弹性阶段的力学性能有： 比例极限：应力与应变保持成正比关系的应力最高限。当应力小于或等于比例极限时，应力与应变满足胡克定律，即应力与应变成正比。 弹性极限：弹性阶段的应力最高限。在弹性阶段内，载荷除去后，变形全部消失。这一阶段内的变形称为弹性变形。绝大多数工程材料的比例极限与弹性极限极为接近，因而可近似认为在全部弹性阶段内应力和应变均满足胡克定律。 塑性阶段的力学性能有： 屈服强度：材料发生屈服时的应力值。又称屈服极限。屈服时应力不增加但应变会继续增加。 屈服点：具有屈服现象的金属材料，试样在拉伸过程中力不增加（保持恒定）仍能继续伸长时的应力，称屈服点。若力发生下降时，则应区分上、下屈服点。屈服点的单位为 N/mm2（MPa）。 上屈服点（Re H）:试样发生屈服而力首次下降前 的最大应力； 下屈服点（Re L）：当不计初始瞬时效应时，屈服阶段中的最小应力。 条件屈服强度：某些无明显屈服阶段的材料，规定产生一定塑性应变量（例如0.2 ％）时的应力值，作为条件屈服强度。应力超过屈服强度后再卸载，弹性变形将全部消失，但仍残留部分不可消失的变形，称为永久变形或塑性变形。 规定非比例延伸强度（Rp）:非比例延伸率等于规定的引伸计标距百分率时的应力，例如Rp0.2 表示规定非比例延伸率为0.2%时的应力。 规定总延伸强度（Rt ）：总延伸率等于规定的引伸计标距百分率时的应力。例如Rt0.5 表示规定总延伸率为

金属材料力学性能最常用的几项指标

金属材料力学性能最常用的几项指标 硬度是评定金属材料力学性能最常用的指标之一。 对于金属材料的硬度，至今在国内外还没有一个包括所有试验方法的统一而明确的定义。就已经标准化的、被国内外普通采用的金属硬度试验方法而言，金属材料硬度的定义是:材料抵抗另一较硬材料压入的能力。硬度检测是评价金属力学性能最迅速、最经济、最简单的一种试验方法。硬度检测的主要目的就是测定材料的适用性，或材料为使用目的所进行的特殊硬化或软化处理的效果。对于被检测材料而言，硬度是代表着在一定压头和试验力作用下所反映出的弹性、塑性、强度、韧性及磨损抗力等多种物理量的综合性能。由于通过硬度试验可以反映金属材料在不同的化学成分、组织结构和热处理工艺条件下性能的差异，因此硬度试验广泛应用于金属性能的检验、监督热处理工艺质量和新材料的研制。金属硬度检测主要有两类试验方法。一类是静态试验方法，这类方法试验力的施加是缓慢而无冲击的。硬度的测定主要决定于压痕的深度、压痕投影面积或压痕凹印面积的大小。静态试验方法包括布氏、洛氏、维氏、努氏、韦氏、巴氏等。其中布、洛、维三种测试方法是最长用的，它们是金属硬度检测的主要测试方法。而洛氏硬度试验又是应用最多的，它被广泛用于产品的检测，据统计，目前应用中的硬度计70%是洛氏硬度计。另一类试验方法是动态试验法，这类方法试验力的施加是动态的和冲击性的。这里包括肖氏和里氏硬度试验法。动态试验法主要用于大型的及不可移动工件的硬度检测。 1.布氏硬度计原理 对直径为D的硬质合金压头施加规定的试验力，使压头压入试样表面，经规定的保持时间后，除去试验力，测量试样表面的压痕直径d，布氏硬度用试验

衡量金属材料力学性能的指标名称 符 基本单位及其含义说明

指标 法定计量单位 计算公式 试验仪器 含义说明 名称 符号 名称 单位 弹性 弹性是指金属在外力作用下产生变形，当外力取消后又恢复到原来的形状和大小的一种特性 弹性指标 正弹性模量 E 兆帕〔斯卡〕 MPa 式中 σ──应力 ε──应变 P ──垂直应力（N ） l 0──试样原长（mm ） F 0──试样原来的横截面积（mm 2） Δl ──绝对伸长量（mm ） 拉伸试验机或万能材料试验机 金属在弹性范围内，外力和变形成比例地增长，即应力与应变成正比例关系时（符合虎克定律），这个比例系数就称为弹性模数或弹性模量。根据应力，应变的性质通常又分为：正弹性模数（E ）和剪切弹性模数（G ），弹性模数的大小，相当于引起物体单位变形时所需应力之大小，所以，它在工程技术上是衡量材料刚度的指标，弹性模数愈大，刚度也愈大，亦即在一定应力作用下，发生的弹性变形愈小 切变弹性模量 G 兆帕〔斯卡〕 MPa 式中 ──切应力 ──相应的扭转滑移 M ──扭转力矩 l 0──试样计算长度（mm ） ──计算长度l 0两端的扭 转角度（经度） ──扭转时试样截面相对于轴线的极惯性矩（对圆截面 ）（mm 4） 扭转试验机或万能材 料试 验机 比例极限 σp 兆帕 〔斯卡〕 MPa 式中 ──比例极限载荷（N ） F ──试样横截面积 （mm 2） 拉伸试验机 或万 能材 料试验机 指伸长与负荷成正比地增加，保持直线关系，当开始偏离直线时的应力称比例极限，但此位置很难精确测定，通常把能引起材料试样产生残余变形量为试样原长的0.001％或0.003％、0.005％、0.02％时的应力，规定为比例极限 弹性极限 σe 兆帕〔斯卡〕 MPa 式中 ──弹性极限载荷（N ） F ──试样横截面积（mm 2） 拉伸试验机或万 能材 料试 验机 这是表示金属最大弹性的指标，即在弹性变形阶段，试样不产生塑性变形时所能承受的最大应力，它和σp 一样也很难精确测定，一般多不进行测定，而以规定的σp 数值代替之 强度 强度指金属在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力 强度极限 σ 兆帕〔斯卡〕 MPa 式中 ──最大载荷（N ） F ──试样横截面积（mm 2） 指金属受外力作用，在断裂前，单位面积上所能承受的最大载荷 抗拉强度 σb 兆帕〔斯卡〕 MPa 式中 ──最大拉力（N ） F ──试样横截面积（mm 2） 拉伸试验机 或万 能材 料试验机 指外力是拉力时的强度极限，它时 衡量金属材料强度的主要性能指标

金属材料的力学性能

第1章工程材料 1.1 金属材料的力学性能 金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料在使用过程中应具备的性能，它包括力学性能（强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等）、物理性能（密度、熔点、导热性、导电性等）和化学性能（耐蚀性、抗氧化性等）。工艺性能是金属材料从冶炼到成品的生产过程中，适应各种加工工艺（如：铸造、冷热压力加工、焊接、切削加工、热处理等）应具备的性能。 金属材料的力学性能是指金属材料在载荷作用时所表现的性能。 1.1.1 强度 金属材料的强度、塑性一般可以通过金属拉伸试验来测定。 １．拉伸试样 图1.1.1拉伸试样与拉伸曲线 ２．拉伸曲线 拉伸曲线反映了材料在拉伸过程中的弹性变形、塑性变形和直到拉断时的力 F时，拉伸曲线Ｏｐ为一直线，即试样的伸长量与载荷学特性。当载荷不超过 p 成正比地增加，如果卸除载荷，试样立即恢复到原来的尺寸，即试样处于弹性变形阶段。载荷在Ｆｐ－Ｆｅ间，试样的伸长量与载荷已不再成正比关系，但若卸除载荷，试样仍然恢复到原来的尺寸，故仍处于弹性变形阶段。当载荷超过Ｆｅ后，试样将进一步伸长，但此时若卸除载荷，弹性变形消失，而有一部分变形当载荷增加到Ｆｓ时，试样开始明显的塑性变形，在拉伸曲线上出现了水平的或锯齿形的线段，这种现象称为屈服。当载荷继续增加到某一最大值Ｆｂ时，试样的局部截面缩小，产生了颈缩现象。由于试样局部截面的逐渐减少，故载荷也逐渐降低，试样就被拉断。 ３．强度 强度是指金属材料在载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。

（１） 弹性极限 金属材料在载荷作用下产生弹性变形时所能承受的最大应力称为弹性极限，用符号σｅ 表示： （２） 屈服强度金属材料开始明显塑性变形时的最低应力称为屈服强度 在拉伸试验中不出现明显的屈服现象，无法确定其屈服点。所以国标中规定，以试样塑性变形量为试样标距长度的０．２％时，材料 承受的应力称为“条件屈服强度”，并以符号 σ０．２ 表示。 １.1.2 塑性 金属材料在载荷作用下，产生塑性变形而不破坏的能力称为塑性。常用的塑性指标有伸长率δ 和断面收缩率ψ。 １．伸长率 试样拉断后，标距长度的增加量与原标距长度的百分比称为伸长率，用δ表示： ２．断面收缩率 试样拉断后，标距横截面积的缩减量与原横截面积的百分比称为断面收缩率，，用ψ表示： 1.1.3 硬度

金属力学性能测试及复习答案

金属力学性能复习 一、填空题 1.静载荷下边的力学性能试验方法主要有拉伸试验、弯曲试验、扭转试验和压缩试验等。 2. 一般的拉伸曲线可以分为四个阶段：弹性变形阶段、屈服阶段、均匀塑性变形阶段和非均匀塑性变形阶段。 3. 屈服现象标志着金属材料屈服阶段的开始，屈服强度则标志着金属材料对开始塑性变形或小量塑性变形能力的抵抗。 4. 屈强比：是指屈服强度和抗拉强度的比值，提高屈强比可提高金属材料抵抗开始塑性变形的能力，有利于减轻机件和重量，但是屈强比过高又极易导致脆性断裂。 5. 一般常用的的塑性指标有屈服点延伸率、最大力下的总延伸率、最大力下的非比例延伸率、断后伸长率、断面收缩率等，其中最为常用的是断后伸长率和断面收缩率 。 6. 金属材料在断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力称为金属材料的韧性。一般来说，韧性包括静力韧性、冲击韧性和断裂韧性。 7. 硬度测试的方法很多，最常用的有三种方法：布氏硬度测试方法、络氏硬度的试验方法和维氏硬度实验法。 8. 金属材料制成机件后，机件对弹性变形的抗力称为刚度。它的大小和机件的截面积及其弹性模量成正比，机件刚度=E 〃S. 9. 金属强化的方式主要有：单晶体强化、晶界强化、固溶强化、以及有序强化、位错强化、分散强化等（写出任意3种强化方式即可）。 10. 于光滑的圆柱试样，在静拉伸下的韧性端口的典型断口，它由三个区域组成：纤维区、放射区、剪切唇区。 11. 变形速率可以分为位移速度和应变速度。 二、判断题 1.在弹性变形阶段，拉力F 与绝对变形量之间成正比例线性关系;（√） 若不成比例原因，写虎克定律。 2.在有屈服现象的金属材料中，其试样在拉伸试验过程中力不断增加（保持恒定）仍能继续伸长的应力，也称为抗服强度。（×） 不增加，称为屈服强度。 3.一般来讲，随着温度升高，强度降低，塑性减小。（×） 金属内部原子间结合力减小，所以强度降低塑性增大。 4.络氏硬度试验采用金刚石圆锥体或淬火钢球压头，压入金属表面后，经规定保持时间后卸除主实验力，以测量压痕的深度来计算络氏硬度。压入深度越深，硬度越大，反之，硬度越小。（×） 络氏硬度公式 5.金属抗拉强度b σ与布氏硬度HB 之间有以下关系式：b σ＝K ?HB ，这说明布氏硬度越大，其抗拉强度也越大。（√） 6.弹性模量E 是一个比例常数，对于某种金属来说，它是一种固有的特性。（√） 7.使用含碳量高（含碳量为0.5-0.7％）的钢，不能提高机件吸收弹性变形功。（×） 8.脆性断裂前不产生明显的塑性变形，即断裂产生在弹性变形阶段，吸收的能量很小，这种断裂是可预见的。（×）

金属材料力学性能

金属材料力学性能文档编制序号：[KKIDT-LLE0828-LLETD298-POI08]

常见的金属材料力学性能 一. 金属材料相关概念 任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式的外力作用。这就要求金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形或不被破坏的能力；这种能力就是金属材料的力学性能。诸如金属材料的强度、刚度、硬度、塑性和韧性等特征就是用来衡量金属材料在外力下表现出来的力学性能的指标。 强度 强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。一般用单位面 积所承受的作用力表示，符号为σ，单位为MPa。 工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。屈服强度是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力，或开始出现塑性变形时的最低应力值，用σs表示。抗拉强度是指金属材料在拉力作用下，被拉断前所承受的最大应力值，用σb表示。 对于大多数机械零件，工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是零件强度设计的依据；对于因断裂而失效的零件，则用抗拉强度作为其设计的依据。 刚度 刚度是指金属材料在外力载荷作用下抵抗弹性变形的能力。对于机械零件要求较高的尺寸稳定性时，需要考虑刚度指标。 硬度 硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力。

几种常用金属材料力学性能一览表 注：1.上表中材料的强度数值仅供参考，在不同的热处理工艺及环境下其对应的强度值不同。 二.材料的失效与许用应力 通常将材料的强度极限与屈服极限统称为材料的极限应力，用σu 表示。对于脆性材料强度极限为其唯一强度指标；对于塑性材料，其屈服应力小于强度极限，通常以屈服应力作为极限应力。 为了机械零件使用的安全性，对于机械构件要有足够的强度储备。因此，实际是使用的最大应力值必须小于材料的极限应力。最大使用应力称为许用应力，用[σ]表示。许用应力与极限应力的关系如下： [σ]=σu n ， σu ={σs σb 式中，n 为大于1的因数，称为安全因数。对于塑性材料n 为，σu=σs ；对于脆性材料n 为，σu=σb 。 强度条件 σmax =（F A ）max ≤[σ] 式中，F ，机械零件所承受的最大载荷作用力，单位N ；

金属材料力学性能代 含义

金属材料力学性能代号含义 名称代号单位含义 抗拉强度σb MPa 或 N/mm^2材料试样受拉力时,在拉断前所承受的最大应力.抗压强度σbc MPa 或 N/mm^2材料试样受压力时,在压坏前所承受的最大应力.抗弯强度σbb MPa 或 N/mm^2材料试样受弯曲力时,在破坏前所承受的最大应力.抗剪强度τMPa 或 N/mm^2材料试样受剪力时,在剪断前所承受的最大剪应力. 抗扭强度τb MPa 或 N/mm^2材料试样受扭转力时,在扭断前所承受的最大剪应力 屈服点σs MPa 或 N/mm^2材料试样在拉伸过程中,负荷不增加或开始有所降低而变形继续发生的现象称为屈服. 屈服时的最小应力称为屈服点和屈服极限. 屈服强度σ0.2MPa 或 N/mm^2材料试样在拉伸过程中, 负荷不增加或开始有所降低而变形继续发生的现象称为屈服. 对某些屈服现象不明显的金属材料, 测定屈服点比较困难,为便于测量,通常按其产生永久变形量等于试样原长0.2%时的应力称为屈服度或条件屈服强度. 弹性极限σcσc 材料能保持弹性变形的最大应力. 真实弹性极限难以测定, 实际规定按永久变形为原长的0.005%时的应力值表示. 比例极限σp MPa 或 N/mm^2在弹性变形阶段, 材料所承受的和应变能保持正比的最大应力,称比例极限. σp与σc两数值很接近,一般常互相通用. 弹性模量E MPa 或 N/mm^2在比例极限的范围内, 应力与应变成正比时的比例常数,衡量材料刚度的指标. E=σ/ε ε——试样纵向线应变. 切变模量G MPa 或 N/mm^2在比例极限的范围内, 应力与应变成正比时的比例常数,衡量材料刚度的指标. G=τ/γ γ——试样切应变. 泊松比μ在弹性范围内, 试样横向线应变与纵向线应变的比值. μ=|ε/ε'| ε'= -με, ε'——试样横向线应变.

金属材料机械性能的指标及意义

金属材料机械性能的指标及意义 材料在一定温度条件和外力作用下，抵抗变形和断裂的能力称为材料的力学性能。锅炉、压力容器用材料的常规力学性能指标主要包括：强度、硬度、塑性和韧性等。 （1）强度强度是指金属材料在外力作用下对变形或断裂的抗力。强度指标是设计中决定许用应力的重要依据，常用的强度指标有屈服强度σS或σ0.2（国外用Re表示）和抗拉强度σb（国外用Rm表示），高温下工作时，还要考虑蠕变极限σn和持久强度σD。 （2）塑性塑性是指金属材料在断裂前发生塑性变形的能力。塑性指标包括：伸长率δ，即试样拉断后的相对伸长量；断面收缩率ψ，即试样拉断后，拉断处横截面积的相对缩小量；冷弯（角）α，即试件被弯曲到受拉面出现第一条裂纹时所测得的角度。 （3）韧性韧性是指金属材料抵抗冲击负荷的能力。韧性常用冲击功Ａk和冲击韧性值αk表示。Αk值或αk 值除反映材料的抗冲击性能外，还对材料的一些缺陷很敏感，能灵敏地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小变化。而且Ａk对材料的脆性转化情况十分敏感，低温冲击试验能检验钢的冷脆性。 表示材料韧性的一个新的指标是断裂韧性δ，它是反映材料对裂纹扩展的抵抗能力。 （4）硬度硬度是衡量材料软硬程度的一个性能指标。硬度试验的方法较多，原理也不相同，测得的硬度值和含义也不完全一样。最常用的是静负荷压入法硬度试验，即布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）、维氏硬度（HV），其值表示材料表面抵抗坚硬物体压入的能力。而肖氏硬度（HS）则属于回跳法硬度试验，其值代表金属弹性变形功的大小。因此，硬度不是一个单纯的物理量，而是反映材料的弹性、塑性、强度和韧性等的一种综合性能指标。 在断裂力学基础上建立起来的材料抵抗裂纹扩展断裂的韧性性能称为断裂韧性。（Kic,Gic） 常用的35CrMo在850℃油淬，550℃回火后，机械性能如下： σb≥980MPa；σs≥835 MPa；δ5≥12%；ψ≥45%；AK≥63J； 而高级优质的35CrMoA的性能应该更加优良稳定。

金属材料力学性能

常见的金属材料力学性能 一. 金属材料相关概念 任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式的外力作用。这就要求金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形或不被破坏的能力；这种能力就是金属材料的力学性能。诸如金属材料的强度、刚度、硬度、塑性和韧性等特征就是用来衡量金属材料在外力下表现出来的力学性能的指标。 1.1 强度 强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。一般σ，单位为MPa用单位面积所承受的作用力表示，符号为。 工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。屈服强度是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力，或开始出现塑性变形σs表示。抗拉强度是指金属材料在拉力作用时的最低应力值，用σb表示。下，被拉断前所承受的最大应力值，用对于大多数机械零件，工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是零件强度设计的依据；对于因断裂而失效的零件，则用抗拉强度作为其设计的依据。 1.2 刚度 刚度是指金属材料在外力载荷作用下抵抗弹性变形的能力。对于机械零件要求较高的尺寸稳定性时，需要考虑刚度指标。 1.3 硬度

硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力。 . . . . 几种常用金属材料力学性能一览表 材料牌b/MPa 抗拉强屈服强s/MPa 550-70045350-550 685-985490-685SKD61 650-970Cr12MoV 450-650 550-860350-5502S45C/S50C560-750350-560 Unimax 580-885 350-580 SKH51 680-960 485-680 注：1.上表中材料的强度数值仅供参考，在不同的热处理工艺及环境下其对应的强度值不同。 二.材料的失效与许用应力 通常将材料的强度极限与屈服极限统称为材料的极限应力，用σu表示。对于脆性材料强度极限为其唯一强度指标；对于塑性材料，其屈服应力小于强度极限，通常以屈服应力作为极限应力。 为了机械零件使用的安全性，对于机械构件要有足够的强度储备。因

金属材料的力学性能

课题： 3.1.1金属材料的力学性能 课型：复习课授课时间：2015.9.6 课时分配：共 2 课时 教学目标：1、掌握金属材料力学性能的分类及用途 2、理解金属材料各种力学性能指标的表达方式及测定方法 3、了解金属材料力学性能的实际应用 教学重点：1、强度指标的定义与分类 2、硬度指标的定义与分类 教学难点：金属的各力学指标的概念、测量方法 教学过程： 【案例导入】 在进行机械制造时，首先进入技术准备阶段。在技术技术准 备中，要完成相关的工作。这些工作中，有一项是非常重要的， 那就是选择材料。那么怎么选择材料呢？首先得研究常见的材料 的性质，只有掌握了材料的特征性质才能顺利进行选材。那么材 料的性质有哪些呢？ 【教学内容】 3.1.1金属材料的力学性能 力学性能是指金属材料在受外力作用时所反映出来的性能。 力学性能指标，是选择、使用金属材料的重要依据。 金属材料的力学性能 主要有：强度、塑性、硬 度、冲击韧度 和疲劳强度等。 1、强度 强度是在外力作用 备注

下，材料抵抗塑性变形和断 裂的能力。 按作用力性质不同， 强度可分为屈服点（屈服强 度）、抗拉强度、抗压 强度、抗弯强度、抗剪 强度等。 在工程上常用来表 示金属材料强度的指标 有屈服强度和抗拉强 度。 （1）屈服点 当载荷增达到Fs 时，拉伸曲线出现了平 台，即试样所承受 的载荷几乎不变，但产生了不断增加的塑性变形，这种现象称 为屈服。 屈服点是指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小 应力。用ós 表示。 ós= （MPa ） 式中：Fs —试样产生明显塑性变形时所受的最小载荷，即 拉伸曲线中S 点所对应的外力（N ） Ao —试样的原始截面积（mm2） （2）抗拉强度 抗拉强度是金属材料断裂前所承受的最大应力，故又称强 度极限。常用ób 来表示。 ób= （MPa ） Ao Fs Ao Fb

(完整版)金属材料的力学性能测试题

一、填空题（60分） 1.金属材料的性能的性能包括和。 2.力学性能包括、、、、。 3.圆柱形拉伸试样分为和两种。 4.低碳钢拉伸试样从开始到断裂要经过、 、、四个阶段。 5.金属材料的强度指标主要有和。 6.金属材料的塑性指标主要有和。 7.硬度测定方法有、、。 8.夏比摆锤冲击试样有和两种。 9.载荷的形式一般有载荷、载荷和载荷三种。 10.钢铁材料的循环基数为，非铁金属循环基数为。 11.提高金属疲劳强度的方法有和 。 12.50HRC表示用“C”标尺测定的硬度值为。 13.150HRW10/1000/30表示用压头直径为的硬质合金球，在kgf试验力作用下，保持s时测得的布氏硬度值为。 14.金属材料的工艺性能包括、、

、、。 二、判断题（25分） 1.金属的工艺性能是指金属在各种加工中所表现出的性能。（） 2.金属的力学性能是指在力作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力-应变关系的性能。（） 3.拉伸试验时，试样的伸长量与拉伸力总成正比。（） 4.屈服现象是指拉伸过程中拉伸力达到Fs时，拉伸力不增加，变形量却继续增加的现象。（） 5.拉伸试样上标距的伸长量与原始标距长度的百分比，称为断后伸长率，用符号A表示。（） 6.现有标准圆形截面长试样A和短试样B，经拉伸试验测得δ10、δ5均为25%，表明试样A的塑性比试样B好。( ) 7.常用的硬度试验方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。（） 8.做布氏硬度试验，当试验条件相同时，压痕直径越小，则材料的硬度越低。（） 9.洛氏硬度值是根据压头压入被测材料的的深度来确定的。（） 10.洛氏硬度HRC测量方便，能直接从刻度盘上读数，生产中常用于测量退火钢、铸铁和有色金属件。（） 11.一般来说，硬度高的金属材料耐磨性也好。（） 12.韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力。（） 13.金属的使用性能包括力学性能、物理性能和铸造性能。( )

材料力学性能复习题基本概念1抗拉强度18韧性金属试样拉

材料力学性能复习题 一、基本概念 1、抗拉强度（18）：韧性金属试样拉断过程中最大应力所对应的应力。 2、弹性模量（3）：弹性模量是产生100%弹性变形所需要的应力。 3、弹性比功（4）：弹性比功又称弹性比能、应变比能，表示金属材料吸收弹性变形功的能力。 4、包申格效应（6）：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象，称为包申格效应。 5、屈服强度（10）：用应力表示的屈服点或下屈服点就是表征材料对微量塑性变形的抗力，即屈服强度。 6、低温脆性（59）：体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及其合金，特别是工程上常用的中、低强度结构钢，在试验温度低于某一温度k t 时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理型，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。 7、蠕变断裂（162）：由蠕变变形而最后导致金属材料的断裂称为蠕变断裂。 8、疲劳极限南国梨（98）：当循环应力水平降低到某一临界值时，试样可以经无限次应力循环也不发生疲劳断裂，故将对应的应力称为疲劳极限。 9、松弛稳定性（167）：金属材料抵抗应力松弛的性能。 10、应变硬化（15）：金属材料有一种阻止继续塑性变形的能力，这就是应变硬化性能。 11、断裂韧度（70）：I K 是决定应力场强弱的一个复合力学参量，当I K 增大达到临界值时，也就是在裂纹尖端足够大的范围内应力达到了材料的断裂强度，裂纹便失稳抗展而导致材料断裂。这个临界或失稳状态的I K 值记作IC K 或C K ，称为断裂韧度。 12、过载持久值（102）：金属材料抵抗疲劳过载损伤的能力，用过载损伤界或过载损伤区表示，过载损伤界与疲劳曲线高应力区直线段各应力水平下发生疲劳断裂的应力循环周次称为过载持久值。 13、蠕变（162）：所谓蠕变，就是金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。 14、陶瓷（191）：陶瓷材料通常是金属与非金属元素组成的化合物。 15、缺口敏感度（46）：金属材料的缺口敏感性指标用缺口试样的抗拉强度bn σ与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度b σ的比值表示，称为缺口敏感度。 16、冲击韧性（57）：冲击韧性是指材料冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。 17、应力腐蚀断裂（128）：应力腐蚀断裂是在应力和化学介质的联合作用下，按特有机理产生的断裂。 二、力学性能 1、（165）MPa 100500 10000/1=σ 表示：材料在500℃温度下，10000h 后总伸长率为1%的蠕变极限为100MPa 。 2、（51）500 HBW 5/750 表示：用直径5mm 的硬质合金球在7.355kN (750×9.80665)试验力下保持10~15s 测得的布氏硬度值为500。

金属材料力学性能练习题

第二章第一节金属材料的力学性能 一、选择题 1.表示金属材料屈服强度的符号是（）。 A.σ e B.σ s C.σ b D.σ -1 2.表示金属材料弹性极限的符号是（）。 A.σ e B.σ s C.σ b D.σ -1 3.在测量薄片工件的硬度时，常用的硬度测试方法的表示符号是（）。 A.HB B.HR C.HV D.HS 4.金属材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力叫（）。 A.强度 B.硬度 C.塑性 D.弹性 二、填空 1.金属材料的机械性能是指在载荷作用下其抵抗（）或（）的能力。 2.金属塑性的指标主要有（）和（）两种。 3.低碳钢拉伸试验的过程可以分为弹性变形、（）和（）三个阶段。 4.常用测定硬度的方法有（）、（）和维氏硬度测试法。 5.疲劳强度是表示材料经（）作用而（）的最大应力值。 三、是非题 1.用布氏硬度测量硬度时，压头为钢球，用符号HBS表示。（） 2.用布氏硬度测量硬度时，压头为硬质合金球，用符号HBW表示。（） 四、改正题 1. 疲劳强度是表示在冲击载荷作用下而不致引起断裂的最大应力。 2. 渗碳件经淬火处理后用HB硬度计测量表层硬度。 3. 受冲击载荷作用的工件，考虑机械性能的指标主要是疲劳强度。 4. 衡量材料的塑性的指标主要有伸长率和冲击韧性。

5. 冲击韧性是指金属材料在载荷作用下抵抗破坏的能力。 五、简答题 1.说明下列机械性能指标符合所表示的意思：σ S 、σ 0.2 、HRC、σ -1 。 2.说明下列机械性能指标符合所表示的意思：σ b 、δ 5 、HBS、a kv 。 2.2金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能 一、判断题 1.金属材料的密度越大其质量也越大。（） 2.金属材料的热导率越大，导热性越好。（） 3.金属的电阻率越小，其导电性越好。（） 二、简答题： 1.什么是金属材料的工艺性能？它包括哪些？ 2.什么是金属材料的物理性能？它包括哪些？ 3.什么是金属材料的化学性能？它包括哪些？

第二章 金属材料力学性能基本知识及钢材的脆化

金属材料力学性能基本知识 及钢材的脆化 金属材料是现代工业、农业、国防以及科学技术各个领域应用最广泛的工程材料，这不仅是由于其来源丰富，生产工艺简单、成熟，而且还因为它具有优良的性能。 通常所指的金属材料性能包括以下两个方面： 1．使用性能即为了保证机械零件、设备、结构件等能正常工作，材料所应具备的性能，主要有力学性能(强度、硬度、刚度、塑性、韧性等)，物理性能(密度、熔点、导热性、热膨胀性等)，化学性能(耐蚀性、热稳定性等)。使用性能决定了材料的应用范围，使用安全可靠性和使用寿命。 2 工艺性能即材料在被制成机械零件、设备、结构件的过程中适应各种冷、热加工的性能，例如锻造，焊接，热处理，压力加工，切削加工等方面的性能。工艺性能对制造成本、生成效率、产品质量有重要影响。 1．1材料力学基本知识 金属材料在加工和使用过程中都要承受不同形式外力的作用，当外力达到或超过某一限度时，材料就会发生变形以至断裂。材料在外力作用下所表现的一些性能称为材料的力学性能。锅炉压力容器材料的力学性能指标主要有强度、硬度、塑性、韧性等这些性能指标可以通过力学性能试验测定。 1．1．1 强度 金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力。材料强度指标可以通过拉伸试验测出。把一定尺寸和形状的金属试样(图1～2)装夹在试验机上，然后对试样逐渐施加拉伸载荷，直至把试样拉断为止。根据试样在拉伸过程中承受的载荷和产生的变形量之间的关系，可绘出该金属的拉伸曲线(图1—3)。在拉伸曲线上可以得到该材料强度性能的一些数据。图1—3所示的曲线，其纵坐标是载荷P(也可换算为应力d)，横坐标是伸长量AL(也可换算为应变e)。所以曲线称为P—AL曲线或一一s曲线。图中曲线A是低碳钢的拉伸曲线，分析曲线A，可以将拉伸过程分为四个阶段：

金属材料的力学性能资料

金属材料的力学性能 金属材料在外力或能的作用下，所表现出来的一系列力学特性，如强度、刚度、塑性、韧性、弹性、硬度等，也包括在高低温、腐蚀、表面介质吸附、冲刷、磨损、空蚀（氧蚀）、粒子照射等力或机械能不同程度结合作用下的性能。力学性能反映了金属材料在各种形式外力作用下抵抗变形或破坏的某些能力，是选用金属材料的重要依据。充分了解、掌握金属材料的力学性能，对于合理地选择、使用材料，充分发挥材料的作用，制定合理的加工工艺，保证产品质量有着极其重要的意义。 一、强度 强度是材料受外力而不被破坏或不改变本身形状的能力。 (一)屈服点 金属试样在拉伸试验过程中，载荷不再增加而试样仍继续发生塑性变形而伸长，这一现象叫做“屈服”。材料开始发生屈服时所对应的应力，称为“屈服点”，以σs表示。有些材料没有明显的屈服点，这往往采用σ0.2作为屈服阶段的特征值，称为屈服强度。 （二）抗拉强度 拉伸试验时，材料在拉断前所承受的最大标称应力，即拉伸过程中最大力所对应的应力，称为抗拉强度，以σb表示。 二、塑性 塑性是金属材料在外力作用下（断裂前）发生永久变形的能力，常以金属断裂时的最大相对塑性变形来表示，如拉伸时的断后伸长率和断面收缩率。 （一）伸长率 金属材料在拉伸试验时试样拉断后其标距部分所伸长的长度与原始标距长度的百分比，称为断后伸长率，也叫伸长率，用δ表示。 （二）断面收缩率 金属试样在拉断后，其缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，称为断面收缩率，以符号ψ表示。 三、硬度 硬度是金属材料表面抵抗弹性变形、塑性变形或抵抗破裂的一种抗力，是衡量材料软硬的性能指标。 硬度不是一个单纯的、确定的物理量，而是一个由材料弹性、塑性、韧性等一系列不

常用金属材料的力学性能一览表

常用金属材料的力学性能 金属材料的力学性能 任何机械零件或工具，在使用过程中，往往妾受到各种形式外力的作托。如起重机上的钢索，受到悬吊物拉力的作用：柴油机上的连杆，在传递动力时.不仅受到拉力的作用，而且还受到冲击力的作用；轴类零件燮受到弯矩、扭力的作用等尊。这就要求金属材料必须具有一种弟受机械荷而不超过许可变形或不破坏的能力* 这种能力就是材料的力学性能。金属表现来的诸如弹性、强度、硬度、塑性和韧性等特征就是用来衡量金属材料材料在夕卜力作坤下表现出力学性能的指标。 111 强度 强度是扌旨金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。逼度扌旨标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，符号为6 单位为 MP 弘 工程中常用的强度指标有屈服逼度和扰拉强度。屈服逼度是指金属材料在外力作用下* 产生屈服现象时的应力，或开始岀现塑性变形吋的最低应力值，用％表示?抗竝强度是指金厲材料在拉力的作用下，被拉断前所能承受的最大应力值，用巧表示。 对于大多数机械零件.工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是事件逼度设计的依据！对于因断裂而失效的零件，而用抗拉强度作为其逼度设计的依据。 1.1 2 塑性 塑性是扌旨金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。 工程中常用的塑性揭标有诩长率和断面收缩率。伸长率指试样拉断后的伸长量与原来长度之比的百分率，用符号豪示*断面收縮率指试样拉断后，断面縮小的面积与原来截面积之比，用甲表示。 伸长率和断面收缩率越大，其塑性越好；反之塑性越差，良好的塑性是金属材料进行压力加工的必要条件，也是保证机械零件工作安全，不发生突然脆断的必要条件。 113 硬度 硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力? 硬度的测试方法很多，生产中常埔的硬度测试方法有布氏硬度测试法和洛氏碳度试验方法两神° C- ）布氏硬度试验法 布氏硬度试验法是用一直径为 D 的淬火钢球或硬质合金球作为压头，在载荷 0 的作用下压入被测试金厲表面，保持一定时间后卸载，测量金属表面形成的压痕直径乩以压痕的单位面积所承受的平均压力作为被测全属的布氏硬度值。 布氏硬度指标有 HBS 和 HBW, 前者所用压头为淬火钢球，适坤于布氏硬度值低于仍 0 的金属材料，如艮火钢、正火钢、调质钢及铸铁、有包金厲等；后者压头为硬质合金，适用于布氏硬度值为 450^650 的金属材料，如悴火钢等。 布氏硬度测试法，因压痕较尢故不宜测试成品件或薄片金属的硬度。

金属材料的机械性能

金属材料的机械性能 金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能两类。所谓工艺性能是指机械零件在加工制造过程中，金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。金属材料工艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。由于加工条件不同，要求的工艺性能也就不同，如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工性等。所谓使用性能是指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来的性能，它包括机械性能、物理性能、化学性能等。金属材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命。 在机械制造业中，一般机械零件都是在常温、常压和非强烈腐蚀性介质中使用的，且在使用过程中各机械零件都将承受不同载荷的作用。金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能，称为机械性能（或称为力学性能）。 金属材料的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据。外加载荷性质不同（例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等），对金属材料要求的机械性能也将不同。常用的机械性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、多次冲击抗力和疲劳极限等。下面将分别讨论各种机械性能。 1．强度 强度是指金属材料在静荷作用下抵抗破坏（过量塑性变形或断裂）的性能。由于载荷的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切等形式，所以强度也分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。各种强度间常有一定的联系，使用中一般较多以抗拉强度作为最基本的强度指针。 2．塑性 塑性是指金属材料在载荷作用下，产生塑性变形（永久变形）而不破坏的能力。 3．硬度 硬度是衡量金属材料软硬程度的指针。目前生产中测定硬度方法最常用的是压入硬度法，它是用一定几何形状的压头在一定载荷下压入被测试的金属材料表面，根据被压入程度来测定其硬度值。 常用的方法有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）和维氏硬度（HV）等方法。4．疲劳 前面所讨论的强度、塑性、硬度都是金属在静载荷作用下的机械性能指针。实际上，许多机器零件都是在循环载荷下工作的，在这种条件下零件会产生疲劳。 5．冲击韧性 以很大速度作用于机件上的载荷称为冲击载荷，金属在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫做冲击韧性。 退火---淬火---回火 一．退火的种类 1．完全退火和等温退火 完全退火又称重结晶退火，一般简称为退火，这种退火主要用于亚共析成分的各种碳钢和合金钢的铸，锻件及热轧型材，有时也用于焊接结构。一般常作为一些不重工件的最终热处理，或作为某些工件的预先热处理。 2．球化退火 球化退火主要用于过共析的碳钢及合金工具钢（如制造刃具，量具，模具所用的钢种）。其主要目的在于降低硬度，改善切削加工性，并为以后淬火作好准备。

机械制造基础第一章 金属材料的力学性能习题解答

致读者： 为了方便教师教学，我们编写了由孙学强教授主编的《机械制造基础》（第3版）教材一书的习题解答，但由于水平有限，难免有不妥之处。我们诚恳地希望能与广大教师和工程技术人员共同探讨，寻求较为准确、合理的答案，以利于对提高教学质量有一个基本的保障。(本书的习题解答只供教师参考) 参与习题解答编写的教师及联系信息如下： 孙学强2549597745@https://www.doczj.com/doc/1d8758187.html, 段维华dwh04026@163,com 李云霞535689547@https://www.doczj.com/doc/1d8758187.html, 编者 第一章金属材料的力学性能 习题解答 1-1 什么是金属的力学性能? 根据载荷形式的不同，力学性能主要包括哪些指标? 答：金属在各种不同载荷作用下表现出来的特性就叫力学性能。根据载荷形式的不同，力学性能主要包括强度、硬度、塑性和冲击韧度等。 1-2 什么是强度? 什么是塑性? 衡量这两种性能的指标有哪些? 各用什么符号表示? 答：金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力就是强度；衡量强度的主要指标有弹性极限σe、抗拉强度σb和屈服强度σs(σ0.2)等。 金属发生塑性变形但不破坏的能力称为塑性；衡量塑性的主要指标有断面收缩率ψ和伸长率δ。 1-3 低碳钢做成的d0 = 10mm 的圆形短试样经拉伸试验，得到

如下数据：F s = 21100N ， F b = 34500N ， l 1 = 65mm ， d 1 = 6mm 。试求低碳钢的σs 、σb 、δ5、ψ。 答：原始试样截面积为)(5.781044A 22200mm d =?== ππ，试验后截面积为)(26.28644A 22211mm d =?==π π ；原始试样长度为 )(501055l 00mm d =?==，故 )(8.2685 .78211000s MPa A F s ===σ )(5.4395 .78345000b MPa A F b ===σ %30%10050 5065%1000015=-=?-=l l l δ %64%1005 .7826.285.78%100A A A 010=?-=?-=ψ 1-4 什么是硬度? HBW 、HRA 、HRB 、HRC 各代表什么方法测出的硬度? 答：硬度是衡量金属材料软硬程度的指标，是指金属抵抗局部弹性变形、塑性变形、压痕或划痕的能力。 HBW 代表用布氏硬度测定方法测出的硬度，HRA 、HRB 、HRC 各代表用洛氏硬度的A 、B 、C 三种不同的标尺测定出的硬度。 1-5 下列硬度要求和写法是否正确? HBW150 HRC40N HR00 HRB10 478HV HRA79 474HBW 答：HBW150不正确；HRC40N 不正确；HR00不正确； HRB10

金属材料力学性能实验报告

金属材料力学性能实验报告 姓名：班级：学号：成绩： 实验名称实验一金属材料静拉伸试验 实验设备1）电子拉伸材料试验机一台，型号HY-10080 2）位移传感器一个； 3）刻线机一台； 4）游标卡尺一把； 5）铝合金和20#钢。 试样示意图 图1 圆柱形拉伸标准试样示意图 试样宏观断口示意图 图2 铝合金试样常温拉伸断裂图和断口图 （和试样中轴线大约成45°角的纤维状断口，几乎没有颈缩，可以知道为切应力达到极限，发生韧性断裂）

图3 正火态20#钢常温拉伸断裂图和断口图 （可以明显看出，试样在拉断之后在断口附近产生颈缩。断口处可以看出有三个区域：1.试样中心的纤维区，表面有较大的起伏，有较大的塑性变形；2.放射区，表面较光亮平坦，有较细的放射状条纹；3.剪切唇，轴线成45°角左右的倾斜断口） 原始数据记录 表1 正火态20#钢试样的初始直径测量数据（单位：mm ） 左 中 右 平均值 9.90 10.00 10.00 9.97 9.92 10.00 10.00 10.00 10.00 9.92 左 中 右 平均值 8.70 8.72 8.68 8.69 8.68 8.70 8.70 8.64 8.72 8.70 表2 时效铝合金试样的初始直径测量数据（单位：mm ） 两试样的初始标距为050 L mm 。 表3 铝合金拉断后标距测量数据记录（单位：mm ） AB BC AB+2BC 平均 12.32 23.16 58.64 58.79 24.02 17.46 58.94 测量20#钢拉断后的平均标距为u L =69.53 mm ，断口的直径平均值为u d =6.00 mm 。 测量得到铝合金拉断后的断面直径平均值为7.96mm 。

金属材料力学性能练习题

第一章金属材料的力学性能 一、选择题 1.表示金属材料屈服强度的符号是（）。 A.σe B.σs C.σb D.σ-1 2.表示金属材料弹性极限的符号是（）。 A.σe B.σs C.σb D.σ-1 3.在测量薄片工件的硬度时，常用的硬度测试方法的表示符号是（）。 A.HB B.HR C.HV D.HS 4.金属材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力叫（）。 A.强度 B.硬度 C.塑性 D.弹性 二、填空 1.金属材料的机械性能是指在载荷作用下其抵抗（）或（）的能力。 2.金属塑性的指标主要有（）和（）两种。 3.低碳钢拉伸试验的过程可以分为弹性变形、（）和（）三个阶段。 4.常用测定硬度的方法有（）、（）和维氏硬度测试法。 5.疲劳强度是表示材料经（）作用而（）的最大应力值。 三、是非题 1.用布氏硬度测量硬度时，压头为钢球，用符号HBS表示。 2.用布氏硬度测量硬度时，压头为硬质合金球，用符号HBW表示。 3.金属材料的机械性能可以理解为金属材料的失效抗力。

四、改正题 1. 疲劳强度是表示在冲击载荷作用下而不致引起断裂的最大应力。 2. 渗碳件经淬火处理后用HB硬度计测量表层硬度。 3. 受冲击载荷作用的工件，考虑机械性能的指标主要是疲劳强度。 4. 衡量材料的塑性的指标主要有伸长率和冲击韧性。 5. 冲击韧性是指金属材料在载荷作用下抵抗破坏的能力。 五、简答题 1.说明下列机械性能指标符合所表示的意思：σS、σ0.2、HRC、σ-1。 2.说明下列机械性能指标符合所表示的意思：σb、δ5、HBS、a kv。 2.2金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能 一、判断题 1.金属材料的密度越大其质量也越大。（） 2.金属材料的热导率越大，导热性越好。（） 3.金属的电阻率越小，其导电性越好。（） 简答题： 1.什么是金属材料的工艺性能？它包括哪些？ 2.什么是金属材料的物理性能？它包括哪些？ 3.什么是金属材料的化学性能？它包括哪些？