第1章 材料的力學(xué)性能

1、第1章 材料的力學(xué)性能 材料的性能是評(píng)價(jià)和選擇材料的依據(jù)。 學(xué)習(xí)材料課，應(yīng)當(dāng)熟悉各種常用材料的性能。 1.1材料性能的分類 材料的性能 使用性能 工藝性能 材料的力學(xué)性能1.1材料的性能的分類 1.1.1使用性能 力學(xué)性能（機(jī)械性能） 物理性能 強(qiáng)度、硬度、塑性、 韌性、疲勞強(qiáng)度等 密度、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等 化學(xué)性能 抗氧化性、抗腐蝕性等 材料的力學(xué)性能1.1材料的性能的分類 1.1.2工藝性能 （加工的難易性） 切削性能（可切削性） 鍛壓性能（塑性） 鑄造性能 焊接性能（可焊性） 材料的力學(xué)性能1.2基本概念和術(shù)語(yǔ) 1.2基本概念和術(shù)語(yǔ) 力學(xué)性能材料受載荷作用時(shí)表現(xiàn)出的與變形、 斷裂相關(guān)的一系

2、列性能。 載荷材料（或零件、構(gòu)件）所受的力（N）或 應(yīng)力。 應(yīng)力材料（或零件、構(gòu)件）的單位橫截面積上 所受的力（N/m2)。 應(yīng)力的單位：Pa， 1Pa = 1N/m2 MP， 1MPa =106 Pa = 1N/mm2 材料的力學(xué)性能1.2基本概念和術(shù)語(yǔ) 靜載荷大小和方向都不隨時(shí)間改變或緩慢變化的載荷。 動(dòng)載荷大小或方向隨時(shí)間改變的載荷。 載荷 載荷 沖擊載荷 交變載荷 時(shí)間 時(shí)間 靜載荷 動(dòng)載荷 材料的力學(xué)性能1.2基本概念和術(shù)語(yǔ) 材料受載荷作用時(shí)可能發(fā)生的現(xiàn)象： 2.斷裂 脆性斷裂 韌性斷裂 1.變形 彈性變形 塑性變形 材料的力學(xué)性能1.3拉伸試驗(yàn) 1.3.拉伸試驗(yàn) 通過(guò)拉伸試驗(yàn)可以測(cè)

3、定材料的強(qiáng)度、剛度 和塑性。 材料的力學(xué)性能1.3拉伸試驗(yàn) oe段：彈性變形，伸長(zhǎng)量與L 與拉力F成正比。 S平臺(tái)：屈服現(xiàn)象，開(kāi)始塑性變 形。 Sb段：均勻塑性變形。 bk段：頸縮（局部塑性變形） K點(diǎn)：斷裂 低碳鋼拉伸曲線 F拉力 L伸長(zhǎng)量 材料的力學(xué)性能1.4強(qiáng)度 1.4 強(qiáng)度 強(qiáng)度材料受靜載荷作用時(shí)，抵抗塑性變形和 斷裂的能力。 1. 屈服強(qiáng)度s 材料受靜載荷作用時(shí)，抵抗塑性 變形的能力。 MPa 0 S s S F 材料的力學(xué)性能1.4強(qiáng)度 如果材料所受的載荷達(dá)到或超過(guò)其屈服強(qiáng)度，材 料就會(huì)發(fā)生塑性變形。 在設(shè)計(jì)和使用機(jī)器零件時(shí)，必須保證零件的工作 載荷低于零件材料的屈服強(qiáng)度（工作s）

4、，否則 零件就會(huì)發(fā)生塑性變形而失效。 練習(xí)（見(jiàn)下頁(yè)） 材料的力學(xué)性能1.4強(qiáng)度 練習(xí)： 要制造一根受拉力的圓桿，已知圓桿直徑為20 mm，拉力為93 kN 。 現(xiàn)有兩種鋼，其中Q235鋼的s為235 MPa；45鋼的s 為355 MPa。用 這兩種鋼來(lái)制造此圓桿，是否都能保證不發(fā)生塑性變形？ 解：圓桿所受應(yīng)力為： 若選用Q235鋼制造制造此圓桿，其s，會(huì)發(fā)生塑性變形； 選用45鋼制造制造此圓桿，其s，能保證不發(fā)生塑性變形。 296MPa mm N 296 20 9300044 2 22 d F S F 材料的力學(xué)性能1.4強(qiáng)度 2. 抗拉強(qiáng)度（強(qiáng)度極限）b 材料受靜載荷作 用時(shí)，抵抗斷裂的能力

5、。 MPa 0 b b S F 材料的力學(xué)性能1.4強(qiáng)度 如果材料所受的載荷達(dá)到其抗拉強(qiáng)度，材料就會(huì) 發(fā)生斷裂。 在設(shè)計(jì)和使用機(jī)器零件時(shí)，必須保證零件的工作 載荷低于零件材料的抗拉強(qiáng)度（工作b），否則 零件就會(huì)發(fā)生斷裂而失效。 材料的力學(xué)性能1.5剛度 1.5 剛度 剛度材料受靜載荷作用時(shí)，抵抗彈性變形的 能力。 衡量剛度大小的指標(biāo)是彈性模量E。在拉伸曲線 上，E體現(xiàn)為oe 段的斜率。 材料的力學(xué)性能1.5剛度 常用材料的彈性模量E/MPa 在一定的載荷作用下，彈性模量（E）大的材料 發(fā)生的彈性變形比較小。 材料的彈性模量是一個(gè)常數(shù)，不會(huì)因熱處理、合 金化等外部條件而改變。 鐵鎳鈦鋁銅鎂 21

6、40002100001180107200013240045000 材料的力學(xué)性能1.6塑性 1.6 1.6 塑性塑性 塑性材料在受載荷作用時(shí)，在斷裂之前發(fā)生永久性變形 的能力。 材料的力學(xué)性能1.6塑性 衡量材料塑性好壞的指標(biāo)： 1.延伸率 延伸率又稱伸長(zhǎng)率，是試樣被拉斷后，塑性伸長(zhǎng)量與試樣原 始標(biāo)距長(zhǎng)度的百分比： %100 L LL 0 01 材料的力學(xué)性能1.6塑性 2. 斷面收縮率 斷面收縮率是試樣被拉斷后，頸縮處的橫截面積 收縮量（S0-S1）與原始橫截面積S0之百分比： %100 S SS 0 10 材料的力學(xué)性能1.6塑性 材料的、值越大，表明其塑性越好。 材料的塑性在工程上的實(shí)用

7、意義： 1）塑性是變形加工（鍛壓）的條件。塑性較好 的材料才可以進(jìn)行變形加工。 2）塑性好的材料，不易脆斷，應(yīng)用時(shí)安全性比 較好。 材料的力學(xué)性能1.7硬度 1.7 硬度 硬度用來(lái)衡量材料軟硬程度的性能指標(biāo)。 測(cè)試硬度的方法有多種，相應(yīng)的也有多種硬 度指標(biāo)。 材料的力學(xué)性能1.7硬度 1.布氏硬度 HB 1）試驗(yàn)原理 以壓力F 將直徑為D的 球形壓頭壓入材料表面， 形成直徑為d的壓痕，以 壓痕單位面積上承受的壓 力大小來(lái)衡量材料的硬度。 F 材料的力學(xué)性能1.7硬度 kgf/mm2 式中 F 試驗(yàn)壓力，kgf ； S 壓痕面積， mm2 ； D 壓頭直徑，mm ； d 壓痕直徑，mm 。 )(

8、 22 dDDD 2F S F HB 2 dDDD S 22 )( 材料的力學(xué)性能1.7硬度 2）標(biāo)注示例 120HBS 10/1000/30 500HBW 5/750 3）特點(diǎn)和應(yīng)用范圍 （1）試驗(yàn)結(jié)果較準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)的重復(fù)性較好； （2）操作較繁瑣； （3）試驗(yàn)壓力較大，壓痕大，可能損壞薄壁零 件; （4）適合于測(cè)試厚度較大的、較軟的原材料、 毛坯。 材料的力學(xué)性能1.7硬度 2. 洛氏硬度 HR 1）試驗(yàn)原理 用一定的 壓力將壓頭壓入材料 表面，以壓痕深度來(lái) 衡量材料的硬度。 洛氏硬度計(jì)的指示 表直接顯示出硬度值。 壓痕越淺，硬度值越 大，表明材料硬度越 高。 試驗(yàn)原理示意圖 洛氏硬度計(jì) 材

9、料的力學(xué)性能1.7硬度 2）幾種常用的洛氏硬度標(biāo)尺 標(biāo)尺 標(biāo)注 符號(hào) 壓頭 類型 試驗(yàn)壓力 數(shù)值 有效范圍 適用對(duì)象 AHRA 金剛石 圓錐 60 kgf (588.4 N) 20-88HRA 很硬的材料，如鋼的表面硬化層、硬 質(zhì)合金等。 BHRB 鋼球 100 kgf （980.7 N) 20-100HRB 較軟的材料，如退火的鋼、銅合金、 鋁合金等。 CHRC 金剛石 圓錐 150 kgf (1471 N) 20-70HRC 較硬的材料，如淬火的鋼件 材料的力學(xué)性能1.7硬度 3）洛氏硬度的特點(diǎn) （1）測(cè)試操作簡(jiǎn)便，效率高； （2）適應(yīng)的材料種類較多； （3）壓痕小，對(duì)零件損傷??； （4）

10、測(cè)試準(zhǔn)確度和數(shù)據(jù)重復(fù)性稍差； （5）HRA、HRB、HRC測(cè)試值不能直接對(duì)比。 例如:不能認(rèn)為60HRB代表的硬度高于 40HRC。 材料的力學(xué)性能1.7硬度 3.其它硬度 維氏硬度、肖氏硬度，等等。 材料的力學(xué)性能1.7硬度 4.硬度試驗(yàn)的應(yīng)用 1）對(duì)于有耐磨性要求的零件，其硬度是主要的 質(zhì)量指標(biāo)。 2）多數(shù)金屬材料的硬度與強(qiáng)度有一定正比關(guān)系。 在實(shí)際工作中，常常通過(guò)測(cè)試零件的硬度來(lái) 換算出強(qiáng)度，既簡(jiǎn)便，成本又低。 材料的力學(xué)性能1.7硬度 黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算表 鋼的HBS與b的換算關(guān)系： b 0.36 HBS 材料的力學(xué)性能1.8 沖擊韌性 1.8 沖擊韌性 ak 有些零件在工作時(shí)會(huì)受

11、沖擊載荷。如沖壓 模、鏨子、飛機(jī)起落架等。 材料的強(qiáng)度、塑性等在靜載荷下測(cè)定的力 學(xué)性能指標(biāo)，不能體現(xiàn)材料的抗沖擊性能。 沖擊韌性 ak材料受沖擊載荷時(shí)，抵抗 斷裂的能力。 材料的力學(xué)性能1.8 沖擊韌性 沖擊韌性試樣 沖擊試驗(yàn)示意圖沖擊試驗(yàn)機(jī) 材料的力學(xué)性能1.8 沖擊韌性 材料的力學(xué)性能1.8 沖擊韌性 沖擊韌性ak在數(shù)值上等于沖斷試樣消耗的 能量AK 與試樣缺口處橫截面積S之比： J/cm2 沖擊韌性高的材料，使用安全性好。 S A a k k 材料的力學(xué)性能1.8 沖擊韌性 材料脆斷引發(fā)的事故 材料的力學(xué)性能1.9 疲勞強(qiáng)度 1.9 疲勞強(qiáng)度 1.9.1 材料的疲勞現(xiàn)象 演示 自行車。提問(wèn) 疲勞零件（材料）在交變載荷長(zhǎng)時(shí)間作用下，產(chǎn)生裂 紋并逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致突然斷裂的現(xiàn)象。 實(shí)例 在裂紋萌生和擴(kuò)展的較長(zhǎng)一段時(shí)間中，是不易被發(fā)現(xiàn)的， 而最終的斷裂是在瞬間發(fā)生的。因此，疲勞現(xiàn)象對(duì)于運(yùn)行中 的機(jī)器，尤其對(duì)飛行中的飛機(jī)，是危害性極大的事故隱患。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)器零件的斷裂有80%是疲勞引起的。 材料的力學(xué)性能1.9 疲勞強(qiáng)度 1.9.2 疲勞強(qiáng)度 疲勞強(qiáng)度-1材料在受交變載荷時(shí)，抵 抗疲勞破壞的能力。 鋼的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度有一定的比例關(guān)系： -1 0.4b 材料的力學(xué)性能1.9 疲勞強(qiáng)度 1.9.3 提高零件抗疲勞性的措施 疲勞