金属材料力学性能与热处理工艺

强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力。

1、屈服强度

σs = Fs/S0

Fs：试样屈服时所承受的拉伸力（N）； S0 ：试样原始横截面积（mm）。

2、抗拉强度

试样拉断前所承受的最大拉应力，反映了材料的最大均匀变形的抗力。

σb = Fb/S0

σb常用作脆性材料的选材和设计的依据。

塑性是材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。

1、断后伸长率

试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。

δ=(L1-L0)/L*100%

L0:标距；L1:拉断后的试件标距。

2、断面收缩率

试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。

Ψ=(A0-A1)/A0*100%

A0:试件原横截面积；A1:断裂后颈缩处的横截面积。

刚度：材料在受力时，抵抗弹性变形的能力。

E=σ/ε

σ：拉应力；ε：拉伸应变

组织不敏感的力学性能指标，合金化、热处理、冷塑性变形对其影响不大。

机构和构件选材重要的力学性能指标：

►行车梁应具有足够的刚度，否则在起吊重物时会因挠度过大引起振动。

►机床和压力机主轴、床身和工作台对刚度都有要求，以保证加工精度。

►内燃机、离心机和压气机等的主要构件要有足够的刚度防止发生振动。

材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。

它是衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试验方法有关。

硬度的测试方法：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、肖氏硬度、里氏硬度、莫氏硬度

（1）布氏硬度

单位面积上所承受的平均应力，即试验力p与压痕球形表面积的商。

< 450HB：测试压头为淬火钢球，硬度符号HBS；

<650HB：测试压头为硬质合金，硬度符号HBW。

经验公式：

低碳钢：σb≈3.6HBS；

高碳钢：σb≈3.4HBS。

适用范围:用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等。

优缺点：

（2）洛氏硬度

以测量压痕深度表示材料的硬度值，每0.002mm相当于1洛氏硬度单位。

压头分两种：

1、圆锥角α=120°的金刚石圆锥体，

2、直径为Φ1.588mm的小淬火钢球。

洛氏硬度计算式：

HR=（k-h）/ 0.002

压头1：k=0.2mm；压头2：k=0.26mm。

优缺点：

（3）维氏硬度

根据压痕单位面积所承受的试验力计算硬度值。

压头是两相对面间夹角为136°的金刚石四棱锥体。

测量范围 ：

常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。

优缺点：

材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。

试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:

Ak = mgH – mgh (J)

冲击韧性值ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。

ak= Ak / S0 (J/cm²)

ak值低——脆性材料：

       断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状。

ak值高——韧性材料：

       明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽。

断裂力学：在承认机件存在宏观裂纹的前提下，建立了裂纹扩展的各种新的力学参量，并提出了含裂纹体的断裂判据和材料断裂韧度。

疲劳现象：

      金属机件或构件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象。

疲劳特点：

      （1）疲劳是低应力循环延时断裂，断裂应力往往低于材料抗拉强度，甚至屈服强度；

       （2）疲劳是脆性突发性断裂，断裂前不会有明显的变形征兆，危险性大；

       （3）疲劳对缺口、裂纹及组织缺陷十分敏感，具有高度的选择性。

疲劳极限σ-1：

      材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。

条件疲劳极限：

      经受107应力循环而不致断裂的最大应力值。     

钢材疲劳强度经验公式:

   σ-1= (0.45～0.55)σb

或 σ-1= 0.27(σs+σb）

   σ-1p= 0.23(σs+σb）