1.1 金属材料的力学性能 (课件）-高一《汽车机械基础》同步教学（人民邮电版）

1.1 金属材料的力学性能 1.1.1 强度、塑性和刚度 1.1.2 硬度 1.1.3冲击韧性和疲劳强度 汽车工程材料汽车工程材料主要是指制造汽车零部件用的材料。 金属材料占整车重量比在一半以上，具有绝对主流地位。因而本 章将主要介绍金属材料的性能。 金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能。 工艺性能是指金属材料在各种加工条件下表现出来的性能，比如锻造性能、焊接性能、切削加工性能铸造性能、压力加工性能等； 使用性能是指金属零件在使用条件下表现出来的性能。金属材料的使用性能决定了其使用范围。它包括物理性能、化学性能和力学性能。 几个术语： 1.变形：机械零件或材料工作过程中在外力（又称为载荷）作用下，都发生形状、尺寸的改变。 金属材料在载荷作用下变形有弹性变形和塑性变形两种。 2.弹性变形：随着载荷作用而产生，随着载荷的去除而消失。 3.塑性变形是不随载荷的去除而消失的变形，最极端的情况就是断裂。塑性变形和断裂是材料在静载荷作用下失效的主要形式。 4.金属材料在各种不同载荷形式作用下所表现出的特性称为力学性能（又称机械性能）。力学性能指标有强度、硬度、塑性、冲击韧性等。常用的实验方法有拉伸实验、硬度实验、冲击实验。 1.1.1 强度、塑性和刚度 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。 塑性是指金属材料在载荷作用下发生塑性变形而不发生断裂破坏的能力。 刚度反映了材料发生弹性变形的难易程度。 1.拉伸试验 拉伸试验试件 拉伸试验中记录的拉伸载荷与试样绝对伸长量的关系的曲线叫力-伸长曲线，简称拉伸图。图中以纵坐标表示拉伸载荷F，单位为N，以横坐标表示绝对伸长ΔL，单位为mm。 图1-1 低碳钢拉伸曲线（应力—应变曲线） 弹性阶段（图中OA′段）。OA为直线段，在此阶段，应力与应变呈正比例关系，即符合胡克定律。OA′段内，材料发生的是弹性变形，若卸除拉力，试样能完全恢复到原来的形状和尺寸。 屈服阶段（图中BC段）。当拉力继续增加时，试样将产生塑性变形，并且在曲线上出现接近水平的有微小波动的锯齿状线段，说明在此阶段内，应力虽有微小的波动，但基本不变，而应变却迅速增加，表明此时试样暂时几乎失去抵抗变形的能力，这种现象称为材料的屈服。 强化阶段（图中CD段）。屈服后曲线又呈上升趋势，表明试样又恢复了抵抗变形的能力，要使它继续变形就必须增加拉力，这种现象称为材料的强化。 缩颈阶段（图中DE段）。强化阶段后，变形就集中在试样的某一局部区域内，截面尺寸显著减小，出现缩颈现象（见图1-2） 2.强度指标 强度指标用应力值来表示，应力用符号σ表示，有： σ=F/S0 式中，F-拉伸载荷，N；S0-试样原始横截面面积，mm2。 常用金属材料的三个强度指标：弹性极限、屈服强度和抗拉强度。 （1）弹性极限。金属材料保持弹性变形的最大应力，用σe表示。其计算公式为： σe=Fe/S0 Fe—弹性形变范围内的最大拉伸载荷，N； （2）屈服强度（又称屈服极限）。金属材料产生屈服现象时的最小应力，用σs表示。其计算公式为：σs=Fs/S0 Fs —材料产生屈服的最小载荷，N。 对低塑性材料，变形为试样标定长度的0.2%时的应力为屈服应力，用σ0.2表示，其计算公式为：σ0.2=F0.2/S0 F0.2—塑性变形量为试样原始长度0.2%时的载荷，N。 （3）抗拉强度（又称抗拉极限）。材料断裂前能够承受的最大应力，用σb表示。其计算公式为：σb=Fb/S0 Fb—材料产生断裂前的最大载荷，N。 注意：屈服强度（σs或σ0.2）和抗拉强度（σb）在机械设计和选择、评定金属材料时有重要意义，材料不能在超过其σs的条件下工作，否则会引起机件的塑性变形；更不能超过其σb的条件下工作，否则会导致机件破坏。 3、塑性指标 金属材料的塑性指标用拉伸试验时试样的伸长率和断面收缩率表示。 （1）伸长率。伸长率（又称延伸率）是指试样拉伸时绝对伸长量与原始长度比值的百分数，用δ表示。其计算公式为： δ=（L0-L1）/L0 式中，L0——试样的原始标距，mm； L1——受检试件当前长度，mm。 （2）断面收缩率。断面收缩率是指试样拉断后，试样断口处横截面积的收缩量与原始横截面面积(S0)比值的百分数，用ψ表示。其计算公式为： ψ=（S0-S1）/S0 式中，S1——试样断口处的横截面面积，mm2。 塑性是材料的一个重要指标，其数值越大，材料的塑性越好。金属材料的塑性好坏，对于零件的使用和加工性能有着重要意义. 例如，低碳钢和铝合金等材料的塑性好，可以冲压成型。汽车的车身制造可以选取低碳钢和铝合金，采用冲压工艺制造而成。铸铁塑性差，不便采用压力加工，只能铸造。同时，由于材料具有一定的塑性，在使用中能够保证材料不会因为稍微超载而突然断裂，增加了