工程材料的力學(xué)性能

第二章工程材料的基本性能本章內(nèi)容§1材料的力學(xué)性能彈性、塑性、硬度、蠕變、沖擊、斷裂、摩擦§2材料的物理化學(xué)性能電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)、抗腐蝕§3不同材料的主要性能的比較彈性模量、屈服強(qiáng)度、熱力學(xué)指標(biāo)2服役27年、在太空累計(jì)飛行2.38億公里的美國(guó)“發(fā)現(xiàn)號(hào)”航天飛機(jī)佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心啟程，完成其最后1千公里航程，目的地是它的新家位于華盛頓的美國(guó)國(guó)家航空航天博物館。32003年2月1日，美國(guó)“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)在即將返回地面前夕解體，機(jī)上7名宇航員全部遇難4？5沉睡在深藍(lán)海底的悲哀6

78設(shè)計(jì)圖紙9內(nèi)部裝潢10閱覽室室11銀器12沉睡在在深藍(lán)藍(lán)色海海底的的悲哀哀13擺放整整齊的的盤子子14盤子15“永不不沉沒沒的””TITANIC長(zhǎng)883英英尺（（270米米）寬92英尺尺（28米米）重46,328噸從龍骨骨到船船橋高高104英英尺（（31.7米））泰坦尼尼克號(hào)號(hào)是當(dāng)當(dāng)時(shí)由由人類類建造造的最大的的移動(dòng)動(dòng)物體體16失事的原原因在距離冰冰山400M時(shí)時(shí)，“泰泰坦尼克克”號(hào)徑徑直以高高速向冰冰山撞過(guò)過(guò)去。堅(jiān)堅(jiān)硬的冰冰山在船船體上砸砸出六個(gè)個(gè)大洞，，冰涼的的海水洶洶涌而入入，隨后后船體突突然分解解成兩半半，便沉沉入海底底了。建造“泰泰坦尼克克”號(hào)所所用的鋼鋼板材料料質(zhì)量非非常低劣劣，這就就是船體體為什么么一撞即即碎的原原因。17思考題“泰坦尼尼克”號(hào)號(hào)所用的的鋼板材材料質(zhì)量非常常低劣——到底是什么性能能比較差？？18性能工藝性能能金屬———鑄造、、鍛造、、焊接、、切削、、熱處理理高分子———成型型、模制制使用性能能力學(xué)性能能——強(qiáng)度、塑塑性、韌韌性、硬硬度物理性能能——密度、熔點(diǎn)、、導(dǎo)電、、導(dǎo)熱、、膨脹系數(shù)數(shù)化學(xué)性能能——耐蝕性、抗氧化化性19第一節(jié)材材料的的力學(xué)性性能彈性、塑塑性及強(qiáng)強(qiáng)度硬度疲勞極限限蠕變沖擊韌性性斷裂韌性性摩擦與磨磨損定義：材材料在承承受各種種載荷時(shí)時(shí)的行為。靜載荷動(dòng)載荷變載荷20變形與彈彈性變形形、塑性性變形材料在外外力的作作用下將將發(fā)生形形狀和尺尺寸變化化，稱為為變形。（請(qǐng)用手手邊的材材料試一一試）外力去除除后能夠夠恢復(fù)的的變形稱稱為彈性變形形。外力去除除后不能能恢復(fù)的的變形稱稱為塑性變形形。受力與變變形的關(guān)關(guān)系？21應(yīng)力的定定義應(yīng)力定義義為“單單位面積積上所承承受的力力”。公式記為為σ=ΔFj/ΔAiσ表示應(yīng)應(yīng)力；ΔΔFj表示在j方向向的施力力；ΔAi表示在i方向向的受力力面積面積與力力都是矢矢量，如如果受力力面積與與施力同同方向則則稱正應(yīng)力，如圖所所示的σσx與σy；如果受受力面積積與施力力方向互互相正交交則稱剪應(yīng)力，，如圖所示示的τxy與τyx。22應(yīng)變當(dāng)材料在在外力作作用下不不能產(chǎn)生生位移時(shí)時(shí)，它的的幾何形形狀和尺尺寸將發(fā)發(fā)生變化化，這種種形變稱稱為應(yīng)變變。物體由于于外因(受力、、濕度變變化等)而變形形時(shí)，在在物體內(nèi)內(nèi)各部分分之間產(chǎn)產(chǎn)生相互互作用的的內(nèi)力，，以抵抗抗這種外外因的作作用，并并力圖使使物體從從變形后后的位置置回復(fù)到到變形前前的位置置。23應(yīng)力的分分類“內(nèi)應(yīng)力”指組成成單一構(gòu)構(gòu)造的不不同材質(zhì)質(zhì)之間，，因材質(zhì)質(zhì)差異而而導(dǎo)致變變形方式式的不同同，繼而而產(chǎn)生的的各種應(yīng)應(yīng)力。材料發(fā)生生形變時(shí)時(shí)內(nèi)部產(chǎn)產(chǎn)生了大大小相等等但方向向相反的的反作用用力抵抗抗外力．．把分布布內(nèi)力在在一點(diǎn)的的集度稱稱為應(yīng)力。24應(yīng)力的分分類按載荷作作用的形形式拉伸壓縮縮應(yīng)力彎曲應(yīng)力力扭轉(zhuǎn)應(yīng)力力極限應(yīng)力力材料被破破壞的極極限。許用應(yīng)力力將測(cè)定的的極限應(yīng)應(yīng)力作適適當(dāng)降低低，規(guī)定定出材料料能安全全工作的的應(yīng)力最最大值25低碳鋼的的應(yīng)力-應(yīng)變曲曲線拉伸試樣拉伸試驗(yàn)機(jī)應(yīng)力=F/A0應(yīng)變=(l-l0)/l026彈性和剛剛度彈性：材料在外力去除除后變形能夠恢復(fù)復(fù)的特性。。其指標(biāo)為彈彈性極限限e，即材料料承受最最大彈性性變形時(shí)時(shí)的應(yīng)力力。剛度：材料受力力時(shí)抵抗抗彈性變變形的能能力，指標(biāo)為彈彈性模量量27塑性與強(qiáng)強(qiáng)度塑性：斷斷裂前材材料發(fā)生生不可逆逆永久變變形的能能力，其其指標(biāo)為為：斷裂伸長(zhǎng)長(zhǎng)率：斷面收縮縮率：拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣28塑性的表表征用面縮率率表示塑塑性比伸伸長(zhǎng)率更更接近真真實(shí)變形形。>時(shí)時(shí)，無(wú)頸頸縮，為為脆性材料表征征。<時(shí)時(shí)，有頸頸縮，為為塑性材料表征征。29強(qiáng)度材料在外外力作用用下抵抗抗變形和和破壞的的能力。。屈服強(qiáng)度度（屈服應(yīng)力力）：材料發(fā)生生微量塑塑性變形形時(shí)的應(yīng)應(yīng)力值。。Fs為材料屈屈服時(shí)的的拉伸力力。條件屈服服強(qiáng)度：：殘余變形形量為0.2%時(shí)的應(yīng)應(yīng)力值。?？估瓘?qiáng)度度：材料斷裂裂前所承承受的最最大應(yīng)力力值。Fb為試樣斷斷裂前所所承受的的最大載載荷。0.230硬度材料抵抗抗表面局局部塑性性變形的的能力，，衡量材材料軟硬硬程度的的指標(biāo)。。壓痕法對(duì)變形的的抗力刻痕硬度度法對(duì)破裂的的抗力回跳硬度度法彈性變形形功的大大小布氏硬度度、洛氏氏硬度、、維氏硬硬度、顯顯微硬度度、超聲聲波硬度度、邵氏氏硬度莫氏硬度度、銼刀刀硬度肖氏硬度度31莫氏硬度度(Mohs’’scaleofhardness)表示礦物物硬度的的一種標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。1824年由德德國(guó)礦物物學(xué)家莫莫斯(FrederichMohs)首首先提出出。用棱錐形金金剛鉆針刻劃所所試礦物物的表面面而發(fā)生生劃痕,習(xí)慣慣上上礦物物學(xué)學(xué)或?qū)毷瘜W(xué)學(xué)上都都是是用用莫莫氏氏硬硬度度，，它它也也用用于于表表示示其其他他固固體體物物料料的的硬硬度度。。用測(cè)測(cè)得得的的劃劃痕痕的的深深度度分分十級(jí)級(jí)來(lái)表表示示硬硬度度。。32幾種種礦礦物物的的莫莫氏氏硬硬度度對(duì)對(duì)比比石膏膏石英英金剛剛石石黃玉玉方解解石石23781033莫氏氏硬硬度度標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)滑石石(talc)石膏膏(gypsum)方解解石石(calcite)螢石石(fluorite)磷灰灰石石(apatite)正長(zhǎng)長(zhǎng)石石(feldspar;orthoclase)石英英(quartz)黃玉玉(topaz)剛玉玉(corundum)金剛剛石石(diamond)1234567891034莫氏氏硬硬度度用兩兩種種不不同同的的礦礦物物互互相相刻刻劃劃來(lái)來(lái)比比較較礦礦物物的的相相對(duì)對(duì)硬硬度度如有有一一種種未未知知硬硬度度的的礦礦物物，，用用它它能能刻刻劃劃正長(zhǎng)長(zhǎng)石石，但但不不能能刻刻劃劃石英英，則此此礦礦物物的的硬硬度度可可定定為為度。。在野野外外考考查查或或沒沒有有上上表表中中的的礦礦物物時(shí)時(shí)，，還還可可以以用用指甲甲或一一些些常見見的的工工具具來(lái)鑒鑒定定礦礦物物的的硬硬度度。。6.535銼刀刀硬硬度度標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)銼銼刀刀（（7個(gè)個(gè)等等級(jí)級(jí)））標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)試試樣樣鉗工工根根據(jù)據(jù)試試樣樣與與銼銼刀刀的的銼銼削削阻阻力力，，從從高高級(jí)級(jí)到到低低級(jí)級(jí)選選用用銼銼刀刀，，通通過(guò)過(guò)與與標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)試試樣樣的的對(duì)對(duì)比比，，確確定定相相應(yīng)應(yīng)的的硬硬度度等等級(jí)級(jí)。。適用用于于生生產(chǎn)產(chǎn)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)檢檢驗(yàn)驗(yàn)鋼鋼鐵鐵硬硬度度39~67HRC(<55HRC時(shí)時(shí)需需增增加加對(duì)對(duì)比比次次數(shù)數(shù)））標(biāo)注注格格式式：：銼銼刀刀硬硬-6536肖氏氏硬硬度度將規(guī)規(guī)定定形形狀狀的的金金剛剛石石沖沖頭頭從從固固定定的的高高度度落落在在試試樣樣的的表表面面上上,沖沖彈彈起起一一定定高高度度,通通過(guò)過(guò)兩兩高高度度的的比比值值計(jì)計(jì)算算出出肖肖氏氏硬硬度度值值。。主要要用用于于金金屬屬材材料料特點(diǎn)點(diǎn)肖氏氏硬硬度度測(cè)測(cè)量量?jī)x儀器器小小巧巧，，使使用用方方便便適用用于于現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)精度度不不高高。。37邵氏氏硬硬度度具有有一一定定形形狀狀的的鋼鋼制制壓壓針針，，在在試試驗(yàn)驗(yàn)力力作作用用下下垂垂直直壓壓入入試試樣樣表表面面，，當(dāng)當(dāng)壓壓足足表表面面與與試試樣樣表表面面完完全全貼貼合合時(shí)時(shí)，，壓壓針針尖尖端端面面相相對(duì)對(duì)壓壓足足平平面面有有一一定定的的伸伸出出長(zhǎng)長(zhǎng)度度L，，以以L值值的的大大小小來(lái)來(lái)表表征征邵邵氏氏硬硬度度的的大大小小38邵氏氏硬硬度度計(jì)算算公公式式為為：：HA=100-L/0.025HD=100-L/0.025HC=100-L/0.025式中中HA為為邵邵氏氏A硬硬度度，，HD為為邵邵氏氏D硬硬度度，，HC為為邵邵氏氏C硬硬度度A型型的的針針尖尖直直徑徑為為7.9mm，，用用來(lái)來(lái)測(cè)測(cè)量量軟塑料料、橡橡膠、、合成成橡膠膠、氈氈、皮皮革、、打印印膠輥輥的硬度度；D型的的針尖尖直徑徑為0.2mm.即半半徑為為R0.1。用用來(lái)測(cè)測(cè)量包包括硬塑料料和硬硬橡膠膠的硬度度，特特別適適合于于現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)對(duì)橡橡膠和和塑料料成品品的硬硬度測(cè)測(cè)量。。C型的的測(cè)針針是一一個(gè)圓圓球。。用來(lái)來(lái)測(cè)量量泡沫材材料和和海綿綿等軟性性材料料。39各類材材料的的硬度度陶瓷金屬高分子子塑料的的硬度度可以以用布布氏硬硬度或或洛氏氏硬度度法測(cè)測(cè)定。。橡膠硬硬度常常用邵邵式硬硬度計(jì)計(jì)測(cè)量量。橡橡膠制制品的的硬度度范圍圍一般般為A40-90。。高硬度度原子結(jié)結(jié)構(gòu)、、成分分硬硬度度變化化大低硬度度40布氏硬硬度（（HB）布氏硬硬度計(jì)計(jì)壓痕球球缺表表面積積S所所承受受的平均應(yīng)應(yīng)力值值41布氏硬硬度的的表示示方法法壓頭為為鋼球時(shí)時(shí)，布氏氏硬度度用符符號(hào)HBS表示示，適適用于于布氏氏硬度度值在在450以下的的材料料。壓頭為為硬質(zhì)合合金球球時(shí)，用符符號(hào)HBW表示示，適適用于于布氏氏硬度度在650以下的的材料料。符號(hào)HBS或HBW之前的的數(shù)字字表示示硬度度值,符符號(hào)后后面的的數(shù)字字按順順序分分別表表示球球體直直徑、、載荷荷及載載荷保保持時(shí)時(shí)間（載荷荷時(shí)間間10~15s不標(biāo)標(biāo)注））。120HBS10/1000/3042布氏硬硬度的的特點(diǎn)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：：測(cè)量誤誤差小小，數(shù)數(shù)據(jù)穩(wěn)穩(wěn)定。。缺點(diǎn)：：壓痕大大，不不能用用于太太薄件件、成成品件件比壓壓頭還還硬的的材料料。適于測(cè)測(cè)量退火、、正火火、調(diào)調(diào)質(zhì)鋼鋼、鑄鑄鐵及及有色色金屬屬的硬硬度。。材料的的b與HB之間間的經(jīng)經(jīng)驗(yàn)關(guān)關(guān)系：：對(duì)于低低碳鋼鋼：b(MPa)≈3.6HB對(duì)于高高碳鋼鋼：b(MPa)≈3.4HB對(duì)于鑄鑄鐵：：b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈0.6(HB-40)43洛氏硬硬度用壓痕痕的深深度來(lái)來(lái)確定定硬度度值。。洛氏硬硬度用用符號(hào)號(hào)HR表示，，HR=k-(h3-h1)/0.002，k＝100,130h3-h1洛氏硬硬度測(cè)測(cè)試示示意圖圖洛氏硬硬度計(jì)計(jì)HR(B)HR(A,C,D)44適用范范圍根據(jù)壓壓頭類類型和和主載載荷不不同，，分為為九個(gè)個(gè)標(biāo)尺尺（A~H,K），，常用的的標(biāo)尺尺為A、B、C、D。HRA用于測(cè)測(cè)量高高硬度度材料料,如如硬硬質(zhì)合合金、、表淬淬層和和滲碳碳層。。HRB用于測(cè)測(cè)量低低硬度度材料料,如如有有色金金屬和和退火火、正正火鋼鋼等。。HRC用于測(cè)測(cè)量中中等硬硬度材材料，，如調(diào)調(diào)質(zhì)鋼鋼、淬淬火鋼鋼等。。HRD用于測(cè)測(cè)量薄薄板件件、表表面處處理的的硬度度，如如薄鋼鋼板、、中等等厚度度表面面硬化化零件件45表示方方法在符號(hào)HR之前的的數(shù)字字表示示硬度度值,符符號(hào)后后面的的為標(biāo)標(biāo)尺類類型。。90HRA？？？90HRB46洛氏硬硬度的的特點(diǎn)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：：操作簡(jiǎn)簡(jiǎn)便，，壓痕痕小，，適用用范圍圍廣,可在在工件件表面面或較較薄金金屬上上試驗(yàn)驗(yàn)。缺點(diǎn)：：測(cè)量結(jié)結(jié)果分分散度度大，，不夠夠準(zhǔn)確確，不不同標(biāo)標(biāo)尺無(wú)無(wú)簡(jiǎn)單單換算算關(guān)系系。洛氏硬硬度法法是目目前工工廠中中應(yīng)用用最廣泛泛的測(cè)試試方法法47維氏硬硬度維氏硬硬度計(jì)計(jì)維氏硬硬度壓壓痕48維氏硬硬度試試驗(yàn)原原理用相對(duì)對(duì)面間間夾角角為136°的的金剛剛石正正棱錐錐壓頭頭，在在規(guī)定定載荷荷下保保持一一定時(shí)時(shí)間后后，測(cè)測(cè)量壓壓痕對(duì)對(duì)角線線長(zhǎng)度度d,最后后計(jì)算算出壓壓痕表表面積積上的的平均均壓力力，即即維氏氏硬度度值。。查表得得到所所測(cè)硬硬度值值維氏硬硬度試試驗(yàn)原原理49維氏硬硬度表表示方方法維氏硬硬度用用符號(hào)號(hào)HV表示示，符號(hào)號(hào)前的的數(shù)字字為硬硬度值值，后后面的的數(shù)字字按順順序分分別表表示載載荷值值及載載荷保保持時(shí)時(shí)間（載荷時(shí)間間10~15s不標(biāo)標(biāo)注）。540HV30540HV40/2550維氏硬度的的特點(diǎn)維氏硬度保保留了布氏氏硬度和洛洛氏硬度的的優(yōu)點(diǎn)加載小，壓壓入深度淺淺適用于表面面硬化層連續(xù)一致的的標(biāo)尺缺點(diǎn)：測(cè)定方法較較麻煩，工工作效率較較洛氏法低低51其他維氏硬硬度儀根據(jù)載荷范范圍的不同同，維氏硬硬度還有兩兩種測(cè)試方方法顯微維氏硬硬度試驗(yàn)小負(fù)荷維氏氏硬度試驗(yàn)驗(yàn)小負(fù)荷維氏硬度計(jì)顯微維氏硬度計(jì)52疲勞與疲勞勞極限材料在低于s的重復(fù)交變應(yīng)力作作用下產(chǎn)生生裂紋或發(fā)生生斷裂的現(xiàn)現(xiàn)象稱為疲勞。材料在規(guī)定次數(shù)對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生生斷裂時(shí)的最大應(yīng)應(yīng)力稱為疲勞極限。用-1表示。D鋼鐵材料規(guī)規(guī)定次數(shù)為為107，有色金屬屬合金為108。53各種材料的的疲勞極限限陶瓷低低脆脆，表面面缺陷或裂裂紋金屬好好，-1=40%~50%拉高分子較較好，-1=20%~30%拉復(fù)合材料高高-1=70%~80%拉思考哪種材材料的耐疲疲勞性好？？54改善疲勞強(qiáng)強(qiáng)度的方法法（表面處處理）機(jī)械處理，，如噴丸（（合金）、、冷滾壓、、研磨和拋拋光；熱處理，如如火焰和感感應(yīng)加熱淬淬火；滲、鍍處理理，如氮化化和電鍍等等。55蠕變?cè)诟邷鼗蜉^大靜負(fù)荷的作用下產(chǎn)產(chǎn)生緩慢塑性變形的的現(xiàn)象稱為為蠕變。金屬材料高溫蠕變300~400℃陶瓷高溫高載荷荷壓縮蠕變變高分子材料料粘彈性蠕變變56蠕變變形、、蠕變極限限和持久強(qiáng)強(qiáng)度蠕變變形——由蠕變變產(chǎn)生的塑性變形蠕變極限——在給定定溫度下和規(guī)定的的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，是試樣樣產(chǎn)生一定定蠕變伸長(zhǎng)量的應(yīng)力，用符號(hào)（MPa））表示。持久強(qiáng)度——在給定定溫度經(jīng)規(guī)定時(shí)間發(fā)生斷裂的的應(yīng)力，用符號(hào)（MPa））表示。表征征材料在高高溫載荷長(zhǎng)長(zhǎng)期作用下下抵抗斷裂裂的能力。。57蠕變與應(yīng)力力和溫度的的關(guān)系58沖擊韌性沖擊韌性———材料抵抵抗沖擊載載荷作用而而不破壞的的能力。沖擊韌性的的指標(biāo)為沖沖擊韌性值值A(chǔ)k（又名，沖擊擊吸收功）。Ak一般通過(guò)擺錘式一次次性沖擊實(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)得。59沖擊實(shí)驗(yàn)在忽略摩擦擦和阻尼等等條件下，，擺錘沖斷斷試樣所做做的功———沖擊韌性性值A(chǔ)k對(duì)材料組織織敏感，并并且受溫度度影響較大大。60韌脆轉(zhuǎn)變溫溫度材料的沖擊擊韌性隨溫溫度下降而而下降。韌在某一溫度度范圍內(nèi)沖擊韌性性值急劇下降的現(xiàn)象象稱韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變的溫度度范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變溫溫度。材料的使用用溫度應(yīng)高高于韌脆轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變溫度。61斷裂韌性低應(yīng)力斷裂裂——許用應(yīng)應(yīng)力下的脆脆性斷裂——由于內(nèi)部部微裂紋斷裂韌性——材料抵抵抗內(nèi)部微微裂紋失穩(wěn)穩(wěn)擴(kuò)展的能能力。應(yīng)力強(qiáng)度因因子KⅠ——描述裂裂紋尖端附附近應(yīng)力場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)度的指指標(biāo)，單位位MPa·m1/2。KⅠC——斷裂韌韌度裂紋擴(kuò)展形形式KⅠC,KⅡC,KⅢC裂紋擴(kuò)展的基本形式62斷裂韌度的的特點(diǎn)是材料固有有的性能指指標(biāo)與裂紋的大大小、形狀狀、外加應(yīng)應(yīng)力無(wú)關(guān)取決于材料料的成分、、內(nèi)部組織織和結(jié)構(gòu)是強(qiáng)度和韌韌性的綜合合體現(xiàn)