化工設(shè)計(jì)-2金屬的力學(xué)性能課件

CHAP.2金屬的力學(xué)性能這一章主要討論外力對構(gòu)件所產(chǎn)生的內(nèi)效應(yīng)問題，包括：a.金屬材料在外力作用下的“表現(xiàn)”;b.外力作用下構(gòu)件產(chǎn)生的變形和內(nèi)力（下一章討論）要使構(gòu)件設(shè)計(jì)得既能滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定等要求，又使它尺寸小，重量輕，結(jié)構(gòu)合理，就必須既能分析變形內(nèi)力，又能了解構(gòu)件力學(xué)性能。在本章開始，首先討論試件（直桿）在拉力作用下產(chǎn)生的二類應(yīng)力（正應(yīng)力、剪應(yīng)力）及其效應(yīng)，然后在力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上觀察試件在整個(gè)受力過程中（中途卸載、反復(fù)加載）所表現(xiàn)出來的種種特性，引入了一系列材料的性能指標(biāo)，以便工程度量。第一章解決二個(gè)問題：一是分析復(fù)雜構(gòu)件受力問題；二是列平衡方程，求得各未知外力值。CHAP.2金屬的力學(xué)性能

1.彈性體的變形與內(nèi)力1）彈性變形與塑性變形取一等直徑的橡皮桿，在桿二端沿軸線方向作用一對拉力P，桿被拉長，拉長的程度與外力P大小成正比(前提)。只要外力P不超過一極限值這一范圍內(nèi)，去掉外力P，桿件即恢復(fù)。這種可完全恢復(fù)的變形―彈性變形。當(dāng)外力超過極限值，在外力作用下產(chǎn)生的變形不能恢復(fù)，也即試件產(chǎn)生永久變形―塑性變形。金屬材料在外力作用下，均能產(chǎn)生一定程度的彈性變形。CHAP.2金屬的力學(xué)性能2）內(nèi)力金屬產(chǎn)生彈性變形時(shí)，其內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間的相互位置發(fā)生改變，與此同時(shí)各質(zhì)點(diǎn)間相互作用力發(fā)生變化。這種質(zhì)點(diǎn)間相互作用力所發(fā)生的變化稱為內(nèi)力。內(nèi)力是由外力所引起的，其作用是力圖使各質(zhì)點(diǎn)恢復(fù)其原來位置。從平衡角度講，內(nèi)力伴隨著外力增加而增加以以抵抗外力對構(gòu)件的破壞。但是內(nèi)力的施加有一定限度，超過此極限，構(gòu)件發(fā)生破壞。

本章討論材料的機(jī)械性能，機(jī)械性能主要是在試件的拉（壓）過程中體現(xiàn)出來的主要性能指標(biāo)，也是通過試件的拉伸試件測得的，所以本章開始首先討論拉（壓）時(shí)討論試件變形與內(nèi)力，然后再介紹幾種機(jī)械性能指標(biāo)。CHAP.2金屬的力學(xué)性能2）內(nèi)力的度量軸力假想用一個(gè)與桿軸線垂直的平面m－m將桿截成二部分，這樣桿截面二邊相互作用于對方的內(nèi)力就“暴露”出來，二者大小相等，方向相反，S，S’代表著同一個(gè)內(nèi)力，如圖所示是拉伸內(nèi)力；如果P是壓縮力，那么S，S’方向就正好相反（<―,―>）―壓縮內(nèi)力。通常規(guī)定：伴隨拉伸變形產(chǎn)生的內(nèi)力取正值，其方向是離開截面向外指；伴隨壓縮變形產(chǎn)生的內(nèi)力取負(fù)值，其方向是指向截面。為了區(qū)分各種平面變形時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)力，將拉（壓）變形時(shí)橫截面上的內(nèi)力稱為軸力，用S表示。CHAP.2金屬的力學(xué)性能下面討論S大小的確定下圖所示受到P,Q1,Q2,Q3作用而處于平衡的直桿，現(xiàn)求m-m截面上的內(nèi)力。方法a.假想用一平面將桿從m-m處截開，然而取右半部分作為研究對象。b.列平衡方程：S‘=Q2+Q3（若取左側(cè)，可得相同結(jié)果）以上這種假想用一平面，將桿截成二段，取其中一段作為研究對象建立平衡方程，以求解內(nèi)力的方法，稱為截面法。用截面法求解內(nèi)力的依據(jù)―直桿某一截面上的軸力等于該截面一側(cè)作用于直桿上所有外力的代數(shù)和。外力中拉力取正，壓力取負(fù)。CHAP.2金屬的力學(xué)性能

例題2－1，求圖示（a），（b）1－1，2－2，3－3截面上的軸力。P=P’=100N,Q=Q’=200N.先看（a）圖，1－1截面，S1-1=P－Q=100－200=－100N（壓）（S1-1是壓縮軸力,指向與假設(shè)相反）2－2截面，S2-2=Q=－200N（壓）11

再看（b）圖S1-1=P’=100N(拉)（此時(shí)取左半部分作為對象方便）S2-2=P－Q=100－200=－100N(壓)S3-3=P=100N(拉)（取右半部分）CHAP.2金屬的力學(xué)性能

b.應(yīng)力同樣的外力作用在不同大小截面上，其效果肯定不同，而其軸力相等，必須分析內(nèi)力沿截面如何分布的問題，并定量表示內(nèi)力在該截面某一點(diǎn)處的密集程度，因此必須引入“應(yīng)力”概念。如圖所示，截面任意點(diǎn)K處取一微小面積,上作用有內(nèi)力P稱為該截面在K點(diǎn)處的總應(yīng)力，

P的方向就是的方向CHAP.2金屬的力學(xué)性能

1）桿件在發(fā)生拉伸變形時(shí)，其橫截面原來與軸線垂直的平面，變形后仍為平面（平面假設(shè)）（其外廓線仍為圓周線）2）二個(gè)相鄰橫截面之間只發(fā)生沿軸線方向相對移動(dòng)，而不發(fā)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)如果把桿看作是由無數(shù)根縱向纖維組成的話，那么實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明每一根縱向纖維的伸長值都相同。因而可以斷定，受軸向力作用的桿件，其橫截面上的內(nèi)力沿截面均勻分布，截面上各點(diǎn)的應(yīng)力相等。c.簡單拉伸時(shí)截面上的應(yīng)力為了分析直桿在簡單拉伸時(shí)內(nèi)力在截面上的分布情況，取一等直桿，圓截面直桿在桿中間任意二個(gè)橫截面n－n，m－m處畫上數(shù)條于軸線平行的直線1－1，2－2，3－3…..在桿的兩端作用一對軸向拉力P，得出以下結(jié)論:CHAP.2金屬的力學(xué)性能——拉（壓）時(shí)直桿截面上正應(yīng)力大小計(jì)算公式S：該截面的軸力，A：截面面積。

“+”－拉伸應(yīng)力，“－”－壓縮應(yīng)力由此可以解釋不同粗細(xì)桿件受到同樣大小外力時(shí)，其破壞效果不同的現(xiàn)象。CHAP.2金屬的力學(xué)性能oabcdf曲線――拉伸曲線拉伸曲線反映了材料拉伸過程中總的外載P和試件長度伸長量間的關(guān)系，但是這條曲線對相同材料不同的尺寸所作的結(jié)果不同，也就是說曲線與試件尺寸有關(guān)，為了消除尺寸影響，將P，改用無量綱因子。CHAP.2金屬的力學(xué)性能（2）曲線

為了消除試件尺寸影響，將曲線改成曲線，即材料的應(yīng)力－應(yīng)變曲線。（3）試驗(yàn)結(jié)果分析把整個(gè)拉伸過程分成四個(gè)階段。

CHAP.2金屬的力學(xué)性能a.彈性變形階段（ob段），a點(diǎn)是比例極限值，嚴(yán)格上只有oa段應(yīng)力－應(yīng)變成正比，―材料的比例極限，由于a，b點(diǎn)很接近，不嚴(yán)格區(qū)分，如果在試件上加載，使其應(yīng)力不超過b點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力時(shí)，那么卸載后試件將完全恢復(fù)原來形狀，把b點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)力值稱為材料的彈性極限。ob段，應(yīng)力、應(yīng)變近似成正比，，E―材料的彈性模量虎克定律可以寫成虎克定律的又一形式CHAP.2金屬的力學(xué)性能b.屈服階段bc段應(yīng)力超過彈性極限后，曲線上升坡度變緩，在C點(diǎn)附近，應(yīng)變不斷增加而應(yīng)力不變，說明此時(shí)材料抵抗變形的能力消失了，材料這時(shí)對外力“屈服”了，并把出現(xiàn)這種現(xiàn)象的最低應(yīng)力值成為材料的屈服極限。當(dāng)后出現(xiàn)的變形是不可恢復(fù)的變形―塑性變形。塑性變形的產(chǎn)生要基于產(chǎn)生一定量的彈性變形為前提。反映材料抵抗塑性變形能力的高低，稱為屈服極限。CHAP.2金屬的力學(xué)性能c.強(qiáng)化階段cd段過了屈服階段，曲線又繼續(xù)上升，材料又恢復(fù)了抵抗變形的能力―材料的強(qiáng)化。在強(qiáng)化階段，上升的曲線很平緩，產(chǎn)生大比例的塑性變形伴隨小比例的彈性變形。至d點(diǎn)，P，均達(dá)到最大值，此階段的伸長仍然是均勻的。

把即將出現(xiàn)頸縮的最高點(diǎn)處應(yīng)力（也即d點(diǎn)處應(yīng)力）規(guī)定為材料抵抗斷裂能力的大小，稱為強(qiáng)度極限，，反映材料強(qiáng)度的指標(biāo)。d.頸縮階段df段當(dāng)載荷達(dá)到最大后，試件某個(gè)部位處直徑突然變細(xì)，稱之為“頸縮（bottleneck）”現(xiàn)象，這時(shí)繼續(xù)變形，所需P變小，（原始載荷）也變小，因此曲線下降，至f點(diǎn)，試件斷裂。CHAP.2金屬的力學(xué)性能

試件拉斷后，應(yīng)力不再存在，同時(shí)彈性應(yīng)變消失，fg//oa，被拉斷以后試件由于存在塑性變形而不能恢復(fù)原來長度。測出長度l1(拉斷試件對接起來)，引入―材料的相對延伸率。值反映材料在斷裂前所能經(jīng)受的最大塑性變形量。是判斷塑性好壞的指標(biāo)，其值較大的材料稱為塑性材料，反之則是脆性材料。但是二種材料在一定條件下也會轉(zhuǎn)化，上述值的測定是依據(jù)常溫、靜載經(jīng)簡單拉伸試驗(yàn)測得，依據(jù)這樣值區(qū)分塑性好壞不是絕對的影響材料塑性好壞還取決于溫度、受力狀況等諸多因素。衡量塑性好壞的另一指標(biāo)，截面收縮率Ao―原始截面面積，A1――拉斷后頸縮處測得的截面面積。材料的塑性是指金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。 ―塑性指標(biāo)，CHAP.2金屬的力學(xué)性能

2）其它材料的拉伸曲線前面討論的是低C鋼（壓力容器常用鋼），下圖畫出了部分錳鋼、鎳鋼、青銅得曲線?？梢钥闯?，無明顯屈服平臺，規(guī)定產(chǎn)生0.2％塑性應(yīng)變相對應(yīng)的應(yīng)力值作為材料的屈服極限，用表示。而對于鑄鐵，陶瓷等脆性材料，只有彈性變形階段，斷裂是突然發(fā)生的。CHAP.2金屬的力學(xué)性能3）壓縮時(shí)材料的機(jī)械性質(zhì)試件形狀與拉伸時(shí)有些不同，對于金屬試件，要用圓柱形，非金屬，用立方體。

（1）塑性材料的壓縮試驗(yàn)屈服階段前，與拉伸完全相同，由于塑性良好材料在壓縮時(shí)不會發(fā)生斷裂，故無斷裂階段，測量不出強(qiáng)度極限。其它指標(biāo)壓縮時(shí)與拉伸時(shí)相同。一般可不做塑性材料的壓縮試驗(yàn)。，CHAP.2金屬的力學(xué)性能（1）脆性材料的壓縮試驗(yàn)特點(diǎn)：a.無明顯直線部分和屈服階段，很小的應(yīng)變就出現(xiàn)斷裂;b.其抗壓性能遠(yuǎn)好于抗拉性能，常利用其承壓性能做機(jī)座、支座、壓墊等;c.與拉伸不同，斷口與軸線成45o。說明受壓時(shí)與軸線成45o的各斜截面上作用著最大剪應(yīng)力，導(dǎo)致斷裂?？梢酝ㄟ^復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)受力分析討論而得。CHAP.2金屬的力學(xué)性能，b.對長期加載影響蠕變（creep）現(xiàn)象―碳鋼在超過400oC的高溫下承受外力時(shí)，雖然外力大小不變，但是構(gòu)件的變形卻隨著時(shí)間的延續(xù)而不斷增長，而且這種變形是塑性變形。發(fā)生蠕變條件：1高溫；2應(yīng)力。溫度由工藝條件決定，因此須控制應(yīng)力。

CHAP.2金屬的力學(xué)性能（2）低溫對材料機(jī)械性能