工程材料及成型技術(shù)第一章力學(xué)性能

1、 本章內(nèi)容本章內(nèi)容 1.1 1.1 材料的強(qiáng)度與塑性材料的強(qiáng)度與塑性1.2 1.2 材料的硬度材料的硬度1.3 1.3 材料的沖擊韌性材料的沖擊韌性1.4 1.4 材料的斷裂韌度材料的斷裂韌度 重點(diǎn)掌握重點(diǎn)掌握 各種力學(xué)性能指標(biāo)（強(qiáng)度各種力學(xué)性能指標(biāo)（強(qiáng)度, , 塑性；沖擊韌性；硬度塑性；沖擊韌性；硬度HBHB，HRCHRC，HVHV；疲勞強(qiáng)度，斷裂韌性。）的物理意；疲勞強(qiáng)度，斷裂韌性。）的物理意義和單位。義和單位。1.1 1.1 材料的強(qiáng)度與塑性材料的強(qiáng)度與塑性1.1.1 1.1.1 靜載時(shí)的強(qiáng)度靜載時(shí)的強(qiáng)度1.1.2 1.1.2 動(dòng)載時(shí)的強(qiáng)度動(dòng)載時(shí)的強(qiáng)度1.1.31.1.3 高溫強(qiáng)度高溫強(qiáng)

2、度1.1.4 1.1.4 塑性塑性1.1.拉伸試樣拉伸試樣：長(zhǎng)試樣：長(zhǎng)試樣：L L0 0= =1010d d0 0短試樣：短試樣：L L0 0= =5 5d d0 0 LF0 0低碳鋼拉伸曲線低碳鋼拉伸曲線脆性材料拉伸曲線脆性材料拉伸曲線2.2.拉伸機(jī)上，低碳鋼緩慢加載單向靜拉伸曲線：拉伸機(jī)上，低碳鋼緩慢加載單向靜拉伸曲線：轉(zhuǎn)換：縱坐標(biāo)為應(yīng)力轉(zhuǎn)換：縱坐標(biāo)為應(yīng)力 單位單位 MPa(MN/mmMPa(MN/mm2 2) )， 橫坐標(biāo)為應(yīng)變橫坐標(biāo)為應(yīng)變其中：其中：=F/A0 表示材料抵抗變形和斷裂的能力表示材料抵抗變形和斷裂的能力（L L1 1-L-L0 0）/L/L0 0 = =L/LL/L0 0

3、 1.1.11.1.1靜載時(shí)的強(qiáng)度靜載時(shí)的強(qiáng)度如上圖，拉伸曲線分為如下幾個(gè)階段：如上圖，拉伸曲線分為如下幾個(gè)階段： 1 1）階段）階段I I（opeope）彈性變形階段彈性變形階段 Fp Fp ，F(xiàn)e Fe （不產(chǎn)生永久變形的最大抗力）（不產(chǎn)生永久變形的最大抗力） opop段：段：L PL P 直線階段直線階段 pepe段：極微量塑性變形（段：極微量塑性變形（0.001-0.005%)0.001-0.005%) 2 2）階段）階段IIII（essess）段）段屈服階段屈服階段（屈服變形）（屈服變形） S: S: 屈服點(diǎn)屈服點(diǎn) FsFs 3 3）階段）階段IIIIII（sbsb）段）段強(qiáng)化階段強(qiáng)

4、化階段（均勻塑性變形）（均勻塑性變形） b b點(diǎn)，點(diǎn)，F(xiàn)bFb 材料所能承受的最大載荷。材料所能承受的最大載荷。4 4）階段）階段IV(bK) IV(bK) 段段頸縮階段頸縮階段 鑄鐵、陶瓷：只有第鑄鐵、陶瓷：只有第I I階段階段 中、高碳鋼：沒(méi)有第中、高碳鋼：沒(méi)有第IIII階段階段 1 1剛度和彈性剛度和彈性 剛度剛度材料在受力時(shí)，抵抗彈性變形的能力材料在受力時(shí)，抵抗彈性變形的能力。 E=/ E=/ 楊氏彈性模量楊氏彈性模量 GPa, MPaGPa, MPa 本質(zhì)是：反映了材料內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)應(yīng)力的大小，本質(zhì)是：反映了材料內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)應(yīng)力的大小， 組織不敏感的力系指標(biāo)。組織不敏感的力系指標(biāo)。 比

5、例極限比例極限：p=Fp/Aop=Fp/Ao 應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變保持線性關(guān)應(yīng)變保持線性關(guān) 系的極限應(yīng)力值。系的極限應(yīng)力值。 彈性彈性 材料不產(chǎn)生塑性變形的情況下，所能承受的最大材料不產(chǎn)生塑性變形的情況下，所能承受的最大 應(yīng)力。應(yīng)力。 彈性極限彈性極限：e=Fe/Ao e=Fe/Ao 不產(chǎn)永久變形的最大抗力。不產(chǎn)永久變形的最大抗力。 2.2.強(qiáng)度：強(qiáng)度：材料在外力作用下抵抗變材料在外力作用下抵抗變 形和破壞的能力。形和破壞的能力。屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 s s：材料發(fā)生微量塑性變形：材料發(fā)生微量塑性變形時(shí)的應(yīng)力值。即時(shí)的應(yīng)力值。即在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，載荷不增加，試樣仍能繼續(xù)伸長(zhǎng)時(shí)的載荷不增加

6、，試樣仍能繼續(xù)伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力。應(yīng)力。條件屈服強(qiáng)度條件屈服強(qiáng)度 0.20.2：高碳鋼等無(wú)屈服點(diǎn)，高碳鋼等無(wú)屈服點(diǎn)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以殘余變形量為殘余變形量為0.2%0.2%時(shí)的時(shí)的應(yīng)力值作為它的條件屈服強(qiáng)度，以應(yīng)力值作為它的條件屈服強(qiáng)度，以 0.2來(lái)表示。來(lái)表示?？估瓘?qiáng)度抗拉強(qiáng)度 b b：材料斷裂前所承受的最大：材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。應(yīng)力值。（材料抵抗外力而不致斷裂（材料抵抗外力而不致斷裂的極限應(yīng)力值）。的極限應(yīng)力值）。 s0.2疲勞疲勞：承受載荷的大小和方向隨時(shí)間作：承受載荷的大小和方向隨時(shí)間作周期性變化，交變應(yīng)力作用下，往往在周期性變化，交變應(yīng)力作用下，往往在遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限，

7、甚至小于屈服極限的遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限，甚至小于屈服極限的應(yīng)力下發(fā)生斷裂。應(yīng)力下發(fā)生斷裂。疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度-1-1 ：材料經(jīng)無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲材料經(jīng)無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲 勞斷裂的最高應(yīng)力值。勞斷裂的最高應(yīng)力值。條件疲勞極限條件疲勞極限：經(jīng)受經(jīng)受10107 7應(yīng)力循環(huán)而不致斷裂的最大應(yīng)力值應(yīng)力循環(huán)而不致斷裂的最大應(yīng)力值。陶瓷、高分子材料的疲勞抗力很低，金屬材料疲勞強(qiáng)度陶瓷、高分子材料的疲勞抗力很低，金屬材料疲勞強(qiáng)度較高，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也有較好的抗疲勞性能。較高，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也有較好的抗疲勞性能。影響因素影響因素：循環(huán)應(yīng)力特征、溫度、材料成分和組織、夾：循環(huán)應(yīng)力特征、溫度、材料成分和組織

8、、夾雜物、表面狀態(tài)、殘余應(yīng)力等。雜物、表面狀態(tài)、殘余應(yīng)力等。1.1.21.1.2動(dòng)載時(shí)的強(qiáng)度動(dòng)載時(shí)的強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度（疲勞強(qiáng)度（80%80%的斷裂由疲勞造成的斷裂由疲勞造成）周次軸的疲勞斷口軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）疲勞輝紋（掃描電鏡照片）通過(guò)通過(guò)改善材料的形狀結(jié)構(gòu)改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷減少表面缺陷，提高表面提高表面光潔度光潔度，進(jìn)行表面強(qiáng)化進(jìn)行表面強(qiáng)化等方法可提高材料疲勞抗力。等方法可提高材料疲勞抗力。1.1.31.1.3高溫強(qiáng)度高溫強(qiáng)度蠕變極限蠕變極限：指金屬在給定溫度下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)：指金屬在給定溫度下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一定變形量的應(yīng)力。產(chǎn)生一定變形量的應(yīng)力。 0.1/100

9、00.1/1000600 600 =88MPa =88MPa持久強(qiáng)度持久強(qiáng)度：指金屬在給定溫度下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，：指金屬在給定溫度下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，使材料發(fā)生斷裂的應(yīng)力。使材料發(fā)生斷裂的應(yīng)力。 100100800800 =186MPa =186MPa 伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率 延伸率與試樣尺寸有關(guān)：延伸率與試樣尺寸有關(guān)：5 5、1010 (L (L0 0=5d,10d)=5d,10d) 斷面收縮率斷面收縮率 = =A/Ao=(Ao-Ak)/Ao x 100%A/Ao=(Ao-Ak)/Ao x 100% 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； K KICIC時(shí)，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，發(fā)生脆斷。時(shí)，裂紋

10、失穩(wěn)擴(kuò)展，發(fā)生脆斷。 K KI I K KICIC時(shí)，裂紋處于臨界狀態(tài)時(shí)，裂紋處于臨界狀態(tài) K K I I K KICIC時(shí)，裂紋擴(kuò)展很慢或不擴(kuò)展，不發(fā)生脆斷。時(shí)，裂紋擴(kuò)展很慢或不擴(kuò)展，不發(fā)生脆斷。K KICIC可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，它是評(píng)價(jià)阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的力學(xué)性能指可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，它是評(píng)價(jià)阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的力學(xué)性能指標(biāo)。是材料的一種固有特性，與裂紋本身的大小、形狀、外加應(yīng)力標(biāo)。是材料的一種固有特性，與裂紋本身的大小、形狀、外加應(yīng)力等無(wú)關(guān)，而與材料本身的成分、熱處理及加工工藝有關(guān)。等無(wú)關(guān)，而與材料本身的成分、熱處理及加工工藝有關(guān)。 4 4應(yīng)用應(yīng)用 斷裂韌性是強(qiáng)度和韌性的綜合體現(xiàn)。斷裂韌性是強(qiáng)度和韌性的綜合體現(xiàn)。（1 1）探測(cè)出裂紋形狀和尺寸，根據(jù)）探測(cè)出裂紋形狀和尺寸，根據(jù)K KICIC ，制定零件工作，制定零件工作 是否安全是否安全