第一章金屬材料的力學(xué)性能PPT課件

1、1一一 靜載荷條件下材料的力學(xué)性能靜載荷條件下材料的力學(xué)性能 材料的靜載性能指標(biāo)有哪些材料的靜載性能指標(biāo)有哪些? ? 發(fā)生過(guò)量彈性變形的原因是什么發(fā)生過(guò)量彈性變形的原因是什么? ?設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇什設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇什么性能指標(biāo)么性能指標(biāo)? ? 發(fā)生過(guò)量塑性變形的原因是什么發(fā)生過(guò)量塑性變形的原因是什么? ?抗力指標(biāo)有哪些抗力指標(biāo)有哪些? ?問(wèn) 題材料的靜載性能指標(biāo)剛度和強(qiáng)度指標(biāo)彈性和塑性指標(biāo)硬度指標(biāo)韌性指標(biāo)（放在斷裂中講）第1頁(yè)/共57頁(yè)2拉伸試樣拉伸試驗(yàn)機(jī)應(yīng)力 = P/F0應(yīng)變 = (l-l0)/l0（一）靜拉伸試驗(yàn)及材料的強(qiáng)度與塑性第2頁(yè)/共57頁(yè)3彈性變形、塑性變形彈性變形非線性彈性變形第3頁(yè)/共

2、57頁(yè)4 材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱(chēng)材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱(chēng)為為變形。變形。 外力去除后能夠恢復(fù)的變形稱(chēng)為外力去除后能夠恢復(fù)的變形稱(chēng)為彈性變形。彈性變形。 外力去除后不能恢復(fù)的變形稱(chēng)為外力去除后不能恢復(fù)的變形稱(chēng)為塑性變形。塑性變形。 五萬(wàn)噸水壓機(jī)第4頁(yè)/共57頁(yè)51 1 彈性極限和剛度彈性極限和剛度（1 1）彈性極限）彈性極限 e e：彈性的指標(biāo)為彈性的指標(biāo)為 e e ，即，即材料承材料承受最大彈性變形時(shí)的應(yīng)力。受最大彈性變形時(shí)的應(yīng)力。（2 2）剛度：材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。指）剛度：材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。指標(biāo)為彈性摸量標(biāo)為彈性摸量E E。 剛度

3、越大，零構(gòu)件發(fā)生的彈性變形越小。（在剛度越大，零構(gòu)件發(fā)生的彈性變形越小。（在同樣的載荷下）同樣的載荷下） 彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強(qiáng)化材料的手段如溫度升高而逐漸降低外，其他強(qiáng)化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對(duì)彈性模量的影響熱處理、冷熱加工、合金化等對(duì)彈性模量的影響很小很小. .可以通過(guò)增加橫截面積或改變截面形狀來(lái)可以通過(guò)增加橫截面積或改變截面形狀來(lái)提高零件的剛度。提高零件的剛度。第5頁(yè)/共57頁(yè)6）（MPatgE e低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線第6頁(yè)/共57頁(yè)7（1 1）屈服點(diǎn)）屈服點(diǎn) s s材料發(fā)生微量塑性變

4、形時(shí)的應(yīng)力值。條件屈服強(qiáng)度0.2：殘余變形量為0.2%時(shí)的應(yīng)力值。s0.2（2）抗拉強(qiáng)度 b材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。2 材料強(qiáng)度第7頁(yè)/共57頁(yè)8 （1 1）伸長(zhǎng)率：伸長(zhǎng)率：%100001 lll %100010 FFF （2）斷面收縮率：斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象塑性：材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。指標(biāo)為：3 3 材料的塑性材料的塑性第8頁(yè)/共57頁(yè)9說(shuō)明：說(shuō)明： 用用 表示塑性比表示塑性比 更接近真實(shí)變形。更接近真實(shí)變形。 直徑直徑d d0 0 相同時(shí)，相同時(shí)，l l0 0 ，。只有當(dāng)。只有當(dāng)l l0 0/d/d0 0 為常數(shù)時(shí)，塑性值才有可比性。為常數(shù)時(shí)，塑性值才有可比性。

5、 當(dāng)當(dāng)l l0 0=10d=10d0 0 時(shí)，伸長(zhǎng)率用時(shí)，伸長(zhǎng)率用 表示；表示； 當(dāng)當(dāng)l l0 0=5d=5d0 0 時(shí)，伸長(zhǎng)率用時(shí)，伸長(zhǎng)率用 5 5 表示。顯表示。顯然然 5 5 時(shí)，無(wú)頸縮，為脆性材料表征時(shí)，無(wú)頸縮，為脆性材料表征 105低周疲勞: Nf105疲勞曲線第39頁(yè)/共57頁(yè)404 4 影響疲勞抗力的因素影響疲勞抗力的因素（1 1） 載荷類(lèi)型載荷類(lèi)型（2 2） 材料本質(zhì)材料本質(zhì)（3 3） 零件表面狀態(tài)零件表面狀態(tài)（4 4） 工作溫度工作溫度（5 5） 腐蝕介質(zhì)腐蝕介質(zhì)第40頁(yè)/共57頁(yè)41第41頁(yè)/共57頁(yè)42總總 結(jié)結(jié)1 1 疲勞斷裂是零構(gòu)件常見(jiàn)的一種失效形式，它是一疲勞斷裂是

6、零構(gòu)件常見(jiàn)的一種失效形式，它是一種種脆性斷裂，危害很大。脆性斷裂，危害很大。疲勞斷裂與靜載荷或一次沖擊加載斷裂相比，具有疲勞斷裂與靜載荷或一次沖擊加載斷裂相比，具有以以下特點(diǎn)：下特點(diǎn)：（1 1）疲勞是低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂，即具有壽命地）疲勞是低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂，即具有壽命地?cái)鄶嗔选Ｆ鋽嗔褢?yīng)力往往裂。其斷裂應(yīng)力往往 疲勞極限疲勞極限 s s，甚至甚至 b b。（2 2）疲勞是脆性斷裂，由于一般疲勞應(yīng)力水平）疲勞是脆性斷裂，由于一般疲勞應(yīng)力水平 b b不論韌性材料還是脆性材料在疲勞斷裂前均不會(huì)產(chǎn)不論韌性材料還是脆性材料在疲勞斷裂前均不會(huì)產(chǎn)生生塑性變形及有形變預(yù)兆塑性變形及有形變預(yù)兆（3 3）疲勞對(duì)缺

7、陷（缺口裂紋及組織缺陷）十分敏）疲勞對(duì)缺陷（缺口裂紋及組織缺陷）十分敏感感第42頁(yè)/共57頁(yè)432 2 無(wú)裂紋零構(gòu)件設(shè)計(jì)中常用的疲勞抗力指標(biāo)是疲勞無(wú)裂紋零構(gòu)件設(shè)計(jì)中常用的疲勞抗力指標(biāo)是疲勞極極限、過(guò)載持久值（和疲勞缺口敏感度）。限、過(guò)載持久值（和疲勞缺口敏感度）。 工作應(yīng)力工作應(yīng)力sss疲勞極限，疲勞極限，構(gòu)件在一定的周次下構(gòu)件在一定的周次下斷斷裂，該周次稱(chēng)為過(guò)載持久值。工作應(yīng)力越大，過(guò)載裂，該周次稱(chēng)為過(guò)載持久值。工作應(yīng)力越大，過(guò)載持持久值越低。久值越低。3 3 疲勞斷口上可清楚顯示疲勞裂紋源、疲勞裂紋擴(kuò)疲勞斷口上可清楚顯示疲勞裂紋源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)。所以，根據(jù)斷口就可判斷是否展區(qū)

8、和最后斷裂區(qū)。所以，根據(jù)斷口就可判斷是否發(fā)發(fā)生疲勞斷裂。生疲勞斷裂。第43頁(yè)/共57頁(yè)44三三 金屬材料的斷裂韌度金屬材料的斷裂韌度1943年美國(guó)T-2油輪發(fā)生斷裂北極星導(dǎo)彈 油輪斷裂和北極星導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體爆炸與材料中存在缺陷有關(guān)第44頁(yè)/共57頁(yè)45裂紋擴(kuò)展的基本形式（一）裂紋擴(kuò)展的基本形式第45頁(yè)/共57頁(yè)461 應(yīng)力強(qiáng)度因子：描述裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的指標(biāo)。aYKI 2/1)( cca 2 斷裂韌度：是評(píng)定材料抵抗脆性斷裂的力學(xué)性能指標(biāo)，指的是材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。（二）斷裂韌性及衡量指標(biāo)（二）斷裂韌性及衡量指標(biāo)CCICaYK 第46頁(yè)/共57頁(yè)4723/mMNC為斷裂應(yīng)力，

9、aC為臨界裂紋半長(zhǎng)，單位為 MPam 1/2 或2 應(yīng)用（判斷構(gòu)件是否安全，合理選材） KI KIC 構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂 KI KIC 構(gòu)件發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂的臨界條件3 應(yīng)用場(chǎng)合：主要用于高強(qiáng)度鋼制造的飛機(jī)、導(dǎo)彈和火箭的零件，或者是用中低強(qiáng)度鋼制造氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子、大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等。第47頁(yè)/共57頁(yè)48三三 影響脆性斷裂的因素影響脆性斷裂的因素 加載方式加載方式 材料本質(zhì)材料本質(zhì) 溫度和加載速度溫度和加載速度 應(yīng)力集中應(yīng)力集中 零件尺寸零件尺寸第48頁(yè)/共57頁(yè)49總總 結(jié)結(jié) 材料的斷裂分為：韌性斷裂和脆性斷裂材料的斷裂分為：韌性斷裂和脆性斷裂 材料的韌性指標(biāo)：沖擊吸收功、沖擊韌度、材料材料的韌性

10、指標(biāo)：沖擊吸收功、沖擊韌度、材料韌韌脆轉(zhuǎn)變溫度和斷裂韌度，前三個(gè)用于評(píng)價(jià)材料韌性脆轉(zhuǎn)變溫度和斷裂韌度，前三個(gè)用于評(píng)價(jià)材料韌性的的好壞，也可用于一般零件的抗斷裂設(shè)計(jì)；斷裂韌度好壞，也可用于一般零件的抗斷裂設(shè)計(jì)；斷裂韌度可可用于材料抵抗低應(yīng)力脆性斷裂的設(shè)計(jì)。用于材料抵抗低應(yīng)力脆性斷裂的設(shè)計(jì)。 材料的以上韌性指標(biāo)均可用合金化和熱處理等方材料的以上韌性指標(biāo)均可用合金化和熱處理等方法法改變。改變。第49頁(yè)/共57頁(yè)50四四 高溫下材料的力學(xué)性能高溫下材料的力學(xué)性能問(wèn)問(wèn) 題題1 1 金屬材料在高溫下的力學(xué)行為有哪些特點(diǎn)？金屬材料在高溫下的力學(xué)行為有哪些特點(diǎn)？2 2 什么是材料的蠕變？什么是材料的蠕變？3

11、3 評(píng)價(jià)金屬材料高溫力學(xué)性能指標(biāo)有哪些？評(píng)價(jià)金屬材料高溫力學(xué)性能指標(biāo)有哪些？4 4 高溫下零件的失效方式有哪些？如何防止？高溫下零件的失效方式有哪些？如何防止？概概 述述 在高壓蒸汽鍋爐，汽輪機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)柴油機(jī)化工煉油在高壓蒸汽鍋爐，汽輪機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)柴油機(jī)化工煉油設(shè)備以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)中很多機(jī)件是長(zhǎng)期在高溫條件下設(shè)備以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)中很多機(jī)件是長(zhǎng)期在高溫條件下運(yùn)轉(zhuǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)的第50頁(yè)/共57頁(yè)51（一）材料在高溫下的力學(xué)行（一）材料在高溫下的力學(xué)行為為1 1 材料的強(qiáng)度隨溫度的升高而降抵。材料的強(qiáng)度隨溫度的升高而降抵。2 2 高溫下材料的強(qiáng)度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而降抵。高溫下材料的強(qiáng)度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而降抵。3 3 高

12、溫下材料的變形量隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。高溫下材料的變形量隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。（二）蠕變和蠕變曲線1 蠕變：材料在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫恒應(yīng)力作用下即使應(yīng)力小于該溫度下的屈服點(diǎn)也會(huì)緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱(chēng)為蠕變。第51頁(yè)/共57頁(yè)522 2 蠕變曲線蠕變曲線I 減速蠕變階段II 恒速蠕變階段III 加速蠕變階段第52頁(yè)/共57頁(yè)53第53頁(yè)/共57頁(yè)54（三）評(píng)價(jià)材料高溫力學(xué)性能的指標(biāo)1 蠕變極限：是高溫下載荷長(zhǎng)期作用時(shí)，材料對(duì)蠕變的抵抗能力。和常溫下的屈服強(qiáng)度s相似。1 表示方法（1）在規(guī)定溫度下使試樣產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的應(yīng)力值 ，符號(hào)為（2）給定溫度下，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)使試樣產(chǎn)生一定蠕變總變形量d的應(yīng)力值，符號(hào)為：Tt /T第54頁(yè)/共57頁(yè)552 持久強(qiáng)度：材料在高溫下載荷長(zhǎng)期作用時(shí)材料對(duì)斷裂的