第一章工程材料的力學(xué)性能

第一章工程材料的力學(xué)性能第一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四材料的力學(xué)性能定義:

材料的力學(xué)性能是指材料在不同環(huán)境（溫度、介質(zhì)）下，承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力等）時(shí)所表現(xiàn)出的力學(xué)特征。

指標(biāo):

彈性、剛度、強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性、斷裂韌度和疲勞強(qiáng)度等。第二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)靜載時(shí)材料的力學(xué)性能*拉伸試驗(yàn)及拉伸曲線*拉伸曲線所確定的力學(xué)性能指標(biāo)及意義一.靜拉伸試驗(yàn)第三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四微機(jī)屏顯式液壓萬能試驗(yàn)機(jī)可用于各種金屬材料，非金屬材料的拉伸，壓縮，彎曲，剪切等力學(xué)性能試驗(yàn)。

第四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四拉伸試樣：GB6397-86規(guī)定《金屬拉伸試樣》有：圓形、矩形、異型及全截面．常用標(biāo)準(zhǔn)圓截面試樣。長(zhǎng)試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0第五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四

低碳鋼拉伸曲線拉伸機(jī)上，低碳鋼緩慢加載單向靜拉伸曲線：第六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四op段：比例彈性變形階段；pe段：非比例彈性變形階段；平臺(tái)或鋸齒（s段）：屈服階段；sb段：均勻塑性變形階段，是強(qiáng)化階段。b點(diǎn)：形成了“縮頸”。bk段：非均勻變形階段，承載下降，到k點(diǎn)斷裂。斷裂總伸長(zhǎng)為Of，其中塑形變形Og(試樣斷后測(cè)得的伸長(zhǎng))，彈性伸長(zhǎng)gf。Δl

FΔl

bΔl

uΔl

Fbbk

Fsso

g

fe

Fep

Fp拉伸曲線第七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四應(yīng)力σ：?jiǎn)挝幻娣e上試樣承受的載荷。這里用試樣承受的載荷除以試樣的原始橫截面積S0表示:F 載荷(N)σ=——(Mpa) S0 原始橫截面積(mm2)應(yīng)變?chǔ)牛簡(jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量。這里用試樣的伸長(zhǎng)量除以試樣的原始標(biāo)距表示:

Δl 伸長(zhǎng)量(mm)

ε=——

l0

原始長(zhǎng)度(mm)應(yīng)力－應(yīng)變曲線（σ-ε曲線）:形狀和拉伸曲線相同，單位不同σbσsσeεσ應(yīng)力與應(yīng)變曲線第八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四二、拉伸曲線所確定的力學(xué)性能指標(biāo)及意義1．剛度和彈性

剛度材料在受力時(shí)，抵抗彈性變形的能力。

E=σ/ε楊氏彈性模量

GPa,MPa

本質(zhì)是：反映了材料內(nèi)部原子結(jié)應(yīng)力的大小，組織不敏感的力系指標(biāo)。

彈性：材料不產(chǎn)生塑性變形的情況下，所能承受的最大應(yīng)力。

比例極限：σp=Fp/Ao

應(yīng)力――應(yīng)變保持線性關(guān)系的極限應(yīng)力值

第九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四2.剛度：將材料抵抗彈性變形的能力稱為剛度。彈性模量：彈性下應(yīng)力與應(yīng)變的比值,表示材料抵抗彈性變形的能力。即：

E=σ/ε材料的E越大，剛度越大；E對(duì)組織不敏感；零件的剛度主要決定于E，也與形狀、截面等有關(guān)。E=σ/ε

1.彈性:金屬材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形,當(dāng)外力去掉后能恢復(fù)到原來形狀及尺寸的性能。彈性變形:隨載荷撤除而消失的變形。（一）、彈性與剛度第十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四彈性極限:

Fe彈性極限載荷(N)

σe=(Mpa)

S0

試樣原始橫截面積(mm2)σe

e第十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四（二）強(qiáng)度:

材料在載荷作用下抵抗永久變形和破壞的能力。種類:

抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度等。

1、屈服點(diǎn)與屈服強(qiáng)度:

產(chǎn)生明顯塑性變形的最低應(yīng)力值.

Fs

σs

=

(MPa)

S0試樣屈服時(shí)的載荷(N)試樣原始橫截面積(mm2)σs第十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四

屈服強(qiáng)度(塑性變形量為0.2%，微量塑性變形)σ0.2：試樣產(chǎn)生殘余塑性變形0.2%時(shí)的應(yīng)力試樣產(chǎn)生0.2%殘余塑性變形第十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四

屈服強(qiáng)度(塑性變形量為0.2%，微量塑性變形)

F0.2

σ0.2

=

(MPa)

S

0

試樣原始橫截面(mm2)試樣產(chǎn)生0.2%殘余塑性變形時(shí)的載荷(N)

屈服點(diǎn)σs、屈服強(qiáng)度σ0.2是零件設(shè)計(jì)的主要依據(jù)；也是評(píng)定金屬?gòu)?qiáng)度的重要指標(biāo)之一。第十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四它表示材料抵抗斷裂的能力。是零件設(shè)計(jì)的重要依據(jù)；也是評(píng)定金屬?gòu)?qiáng)度的重要指標(biāo)之一。

F

b

試樣斷裂前的最大載荷(N)

σb

=

(MPa)

S

0

試樣原始橫截面積(mm2)σbσsσe2、抗拉強(qiáng)度：試樣在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力。第十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四（三）、塑性:是指材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。

1、斷面收縮率:

是指試樣拉斷處橫截面積的收縮量Δ

S與原始橫截面積S0之比。2、伸長(zhǎng)率:是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長(zhǎng)量Δ

L

與原始標(biāo)距L0之比。

S0-S1

ψ=——-—×100%S0

l1

-

l0

δ=——-—×100%l0第十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四δ<2~5% 屬脆性材科δ≈5~10% 屬韌性材料δ>10% 屬塑性材料思考:同一材料δ5＞

δ10？δδuδbσbσsσeεσEδ塑性指標(biāo)不直接用于計(jì)算，但任何零件都需要一定塑性。防止過載斷裂；塑性變形可以緩解應(yīng)力集中、削減應(yīng)力峰值。第十七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四延伸率

延伸率與試樣尺寸有關(guān)；δ5、δ10(L0=5d,10d)思考:同一材料δ5＞

δ10？斷面收縮率

>時(shí)，無頸縮，為脆性材料表征；

<時(shí)，有頸縮，為塑性材料表征。斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象第十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四拉力試樣的原標(biāo)距長(zhǎng)度為50mm，直徑為10mm，經(jīng)拉力試驗(yàn)后，將已斷裂的試樣對(duì)接起來測(cè)量，若最后的標(biāo)距長(zhǎng)度為71mm，頸縮區(qū)的最小直徑為4.9mm，試求該材料的伸長(zhǎng)率和斷面收縮率的值？練習(xí)題一解：δ５=[（71-50）/50]x100%=42%S0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2)S1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2)Ψ=[(S0-S1)/S0]x100%=24%第十九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四某工廠買回一批材料（要求：бs≥230MPa；бb≥410MPa；δ5≥23%；ψ≥50%）．做短試樣（ｌ0=5ｄ0；ｄ0=10mm）拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如下：Fs=19KN，F(xiàn)b=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;問買回的材料合格嗎？練習(xí)題二第二十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四解：根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算如下：бs＝Fs／s０＝(19x1000)/(3.14x52)=242 ＞230MPa бb＝Fb／s０＝(34.5x1000)/(3.14x52)=439.5＞410MPa δ5＝[Δl

／l0]x100%＝[(63.1-50)/50]x100%=26.2%＞23%ψ＝[ΔS

／S0]x100%＝60.31%＞50%材料的各項(xiàng)指標(biāo)均合格，因此買回的材料合格。某工廠買回一批材料（要求：бs≥230MPa；бb≥410MPa；δ5≥23%；ψ≥50%）．做短試樣（ｌ0=5ｄ0；ｄ0=10mm）拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如下：Fs=19KN，F(xiàn)b=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;問買回的材料合格嗎？第二十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四二、材料的硬度抵抗外物壓入的能力，稱為硬度――綜合性能指標(biāo)。1．布氏硬度：第二十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四壓頭為鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金時(shí)，用符號(hào)HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。第二十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。適于測(cè)量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼,鑄鐵及有色金屬的硬度。

符號(hào)HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間。如:120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為120。第二十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四h1-h0洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度計(jì)10HRC≈HBS2．洛氏硬度：第二十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四2．洛氏硬度按壓頭和載荷的不同，有：B、C、A三種：表1-1①HRA硬、薄試件，如硬質(zhì)合金、表面淬火層和滲碳層。②HRB輕金屬，未淬火鋼，如有色金屬和退火、正火鋼等。③HRC較硬，淬硬鋼制品；如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，壓痕小，適用范圍廣。缺點(diǎn)：測(cè)量結(jié)果分散度大。第二十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度計(jì)3.維氏硬度第二十七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：既可測(cè)量由極軟到極硬的材料的硬度，又能互相比較。既可測(cè)量大塊材料、表面硬化層的硬度，又可測(cè)量金相組織中不同相的硬度。

第二十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四

材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。第二節(jié)動(dòng)載時(shí)材料的力學(xué)性能一、沖擊韌度第二十九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖第三十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功Ak為:

Ak=mgH–mgh(J)

沖擊韌度值ak就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。

AK

ak

=(J/cm2)S0第三十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四ak值低的材料叫做脆性材料，斷裂時(shí)無明顯變形，金屬光澤，呈結(jié)晶狀。ak值高，明顯塑變，斷口呈灰色纖維狀，無光澤，韌性材料。材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變溫度。材料的使用溫度應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。第三十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四二、疲勞強(qiáng)度表示材料經(jīng)無數(shù)次交變載荷作用而不致引起斷裂的最大應(yīng)力值。第三十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四疲勞強(qiáng)度

（80%的斷裂由疲勞造成）疲勞：承受載荷的大小和方同隨時(shí)間作周期性變化，交變應(yīng)力作用下，往往在遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限，甚至小于屈服極限的應(yīng)力下發(fā)生斷裂。第三十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取

N=107有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取

N=108鋼材的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系:

σ-1

=(0.45～0.55)σb第三十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四疲勞強(qiáng)度σ-1

：材料經(jīng)無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最高應(yīng)力值。條件疲勞極限：經(jīng)受107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：循環(huán)應(yīng)力特征、溫度、材料成分和組織、夾雜物、表面狀態(tài)、殘余應(yīng)力等。第三十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四1943年美國(guó)T-2油輪發(fā)生斷裂第三十七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）疲勞斷口通過改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進(jìn)行表面強(qiáng)化等方法可提高材料疲勞抗力。第三十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)材料的斷裂韌性

1．問題的提出低應(yīng)力脆斷――斷裂力學(xué)斷裂韌性是量度材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展阻力的物理量,是材料抵抗應(yīng)力脆性斷裂的韌性參數(shù).

I第三十九