工程材料及成型技術第一章力學性能

1、 本章內容本章內容 1.1 1.1 材料的強度與塑性材料的強度與塑性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 重點掌握重點掌握 各種力學性能指標（強度各種力學性能指標（強度, , 塑性；沖擊韌性；硬度塑性；沖擊韌性；硬度HBHB，HRCHRC，HVHV；疲勞強度，斷裂韌性。）的物理意；疲勞強度，斷裂韌性。）的物理意義和單位。義和單位。1.1 1.1 材料的強度與塑性材料的強度與塑性1.1.1 1.1.1 靜載時的強度靜載時的強度1.1.2 1.1.2 動載時的強度動載時的強度1.1.31.1.3 高溫強度高溫強

2、度1.1.4 1.1.4 塑性塑性1.1.拉伸試樣拉伸試樣：長試樣：長試樣：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.拉伸機上，低碳鋼緩慢加載單向靜拉伸曲線：拉伸機上，低碳鋼緩慢加載單向靜拉伸曲線：轉換：縱坐標為應力轉換：縱坐標為應力 單位單位 MPa(MN/mmMPa(MN/mm2 2) )， 橫坐標為應變橫坐標為應變其中：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靜載時的強度靜載時的強度如上圖，拉伸曲線分為如下幾個階段：如上圖，拉伸曲線分為如下幾個階段： 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 （不產生永久變形的最大抗力）（不產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: 屈服點屈服點 FsFs 3 3）階段）階段IIIIII（sbsb）段）段強化階段強

4、化階段（均勻塑性變形）（均勻塑性變形） b b點，點，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：沒有第中、高碳鋼：沒有第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，抵抗彈性變形的能力材料在受力時，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 本質是：反映了材料內部原子結構應力的大小，本質是：反映了材料內部原子結構應力的大小， 組織不敏感的力系指標。組織不敏感的力系指標。 比

5、例極限比例極限：p=Fp/Aop=Fp/Ao 應力應力應變保持線性關應變保持線性關 系的極限應力值。系的極限應力值。 彈性彈性 材料不產生塑性變形的情況下，所能承受的最大材料不產生塑性變形的情況下，所能承受的最大 應力。應力。 彈性極限彈性極限：e=Fe/Ao e=Fe/Ao 不產永久變形的最大抗力。不產永久變形的最大抗力。 2.2.強度：強度：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。屈服強度屈服強度 s s：材料發(fā)生微量塑性變形：材料發(fā)生微量塑性變形時的應力值。即時的應力值。即在拉伸試驗過程中，在拉伸試驗過程中，載荷不增加，試樣仍能繼續(xù)伸長時的載荷不增加

6、，試樣仍能繼續(xù)伸長時的應力。應力。條件屈服強度條件屈服強度 0.20.2：高碳鋼等無屈服點，高碳鋼等無屈服點，國家標準規(guī)定以國家標準規(guī)定以殘余變形量為殘余變形量為0.2%0.2%時的時的應力值作為它的條件屈服強度，以應力值作為它的條件屈服強度，以 0.2來表示。來表示?？估瓘姸瓤估瓘姸?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力值。應力值。（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力值）。的極限應力值）。 s0.2疲勞疲勞：承受載荷的大小和方向隨時間作：承受載荷的大小和方向隨時間作周期性變化，交變應力作用下，往往在周期性變化，交變應力作用下，往往在遠小于強度極限，

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

8、、夾雜物、表面狀態(tài)、殘余應力等。雜物、表面狀態(tài)、殘余應力等。1.1.21.1.2動載時的強度動載時的強度疲勞強度（疲勞強度（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）通過通過改善材料的形狀結構改善材料的形狀結構，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，進行表面強化進行表面強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高溫強度高溫強度蠕變極限蠕變極限：指金屬在給定溫度下和規(guī)定時間內：指金屬在給定溫度下和規(guī)定時間內產生一定變形量的應力。產生一定變形量的應力。 0.1/100

9、00.1/1000600 600 =88MPa =88MPa持久強度持久強度：指金屬在給定溫度下和規(guī)定時間內，：指金屬在給定溫度下和規(guī)定時間內，使材料發(fā)生斷裂的應力。使材料發(fā)生斷裂的應力。 100100800800 =186MPa =186MPa 伸長率伸長率 延伸率與試樣尺寸有關：延伸率與試樣尺寸有關：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，無頸縮，為脆性材料表征；時，無頸縮，為脆性材料表征； K KICIC時，裂紋失穩(wěn)擴展，發(fā)生脆斷。時，裂紋

10、失穩(wěn)擴展，發(fā)生脆斷。 K KI I K KICIC時，裂紋處于臨界狀態(tài)時，裂紋處于臨界狀態(tài) K K I I K KICIC時，裂紋擴展很慢或不擴展，不發(fā)生脆斷。時，裂紋擴展很慢或不擴展，不發(fā)生脆斷。K KICIC可通過實驗測得，它是評價阻止裂紋失穩(wěn)擴展能力的力學性能指可通過實驗測得，它是評價阻止裂紋失穩(wěn)擴展能力的力學性能指標。是材料的一種固有特性，與裂紋本身的大小、形狀、外加應力標。是材料的一種固有特性，與裂紋本身的大小、形狀、外加應力等無關，而與材料本身的成分、熱處理及加工工藝有關。等無關，而與材料本身的成分、熱處理及加工工藝有關。 4 4應用應用 斷裂韌性是強度和韌性的綜合體現(xiàn)。斷裂韌性是強度和韌性的綜合體現(xiàn)。（1 1）探測出裂紋形狀和尺寸，根據）探測出裂紋形狀和尺寸，根據K KICIC ，制定零件工作，制定零件工作 是否安全是否安全