化工設(shè)備機械基礎(chǔ)CAI課件

化工設(shè)備機械基礎(chǔ)

第二章金屬材料的機械性能機械工程系過程裝備與控制工程教研室化工設(shè)備機械基礎(chǔ)

第二章金屬材料的機械性能1§2-1彈性體的變形與內(nèi)力材料的機械性能(或力學(xué)性能)—材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能。如：彈性、強度、韌性、硬度和塑性等。彈性變形—卸載后可完全恢復(fù)（消失）的變形。隨外力而增加。一切金屬在外力（不超過一定限度）作用下都能產(chǎn)生一定的彈性變形。塑性（殘余）變形—卸載后不能消失的變形。內(nèi)力—物體因受外力而變形（彈性），其內(nèi)部各質(zhì)點（原子）之間因相對位置改變而引起的相互作用力內(nèi)力由外力所引起，隨外力引起的彈性變形而增大，達到一定程度就會引起構(gòu)件破壞，因此分析內(nèi)力是解決強、剛度問題的基礎(chǔ)。

材料的機械性能多由拉壓試驗獲得，所以本章首先討論拉壓變形及其內(nèi)力?！?-1彈性體的變形與內(nèi)力材料的機械性能(或力學(xué)性能)—材料2

直桿—軸線（截面形心連線）為直線的桿件。

軸向拉壓的受力特點—外力作用線與桿軸重合；變形特點—沿軸向伸長或縮短。承受拉（壓）的桿件稱為拉（壓）桿。拉（壓）桿實例：連桿、活塞桿、壓力容器聯(lián)結(jié)法蘭的螺栓等?！?-2直桿在軸向拉伸和壓縮時的變形和內(nèi)力一、線應(yīng)變縱向變形量：（原長）拉：；壓：（縱向）線應(yīng)變：拉：ε＞0；壓：ε＜0直桿—軸線（截面形心連線）為直線的桿件。§2-2直桿3§2-2直桿在軸向拉伸和壓縮時的變形和內(nèi)力二、軸力截面法求內(nèi)力：（1）假想截開在需求內(nèi)力截面處將構(gòu)件假想截開，以任一部分為研究對象，舍棄另一部分。（2）畫受力圖包括舍棄部分對研究對象的內(nèi)力（3）列平衡方程求未知內(nèi)力由∑X=0得S-P=0→S=PS—截面m—m上分布內(nèi)力的合力，軸向拉壓時S沿軸向，故稱軸力。軸力S的符號規(guī)定：拉桿軸力為拉力，為正值：S＞0（離開截面）；壓桿軸力為壓力，為負值：S＜0（指向截面）

對多力桿，各截面軸力將各不相同，可用軸力圖表示。軸力圖—表示軸力沿截面位置（桿長）變化的圖?！?-2直桿在軸向拉伸和壓縮時的變形和內(nèi)力二、軸力S—截面m4例畫圖示桿件軸力圖。設(shè)

解：a）AB段軸力：∑X=0→-S1-Q+P=0→S1=P-Q=100-200=-100NBC段軸力：∑X=0→→-S2-Q=0→S2=-Q=-200N軸力圖如右。b）AB段：BC段：CD段：（拉）（拉）（壓）●結(jié)論：任一截面上的軸力，等于該截面一側(cè)所有軸向外力的代數(shù)和，其中背離該截面的外力為正，反之為負。例畫圖示桿件軸力圖。設(shè)解：a）b）BC段：CD段：5三、應(yīng)力構(gòu)件的強度不僅與內(nèi)力的大小有關(guān)，且與截面的大小有關(guān)，即構(gòu)件的強度取決于內(nèi)力集度—單位面積上內(nèi)力的大小，稱之為應(yīng)力。內(nèi)力在截面上未必均布，也未必與截面垂直。

在k點取一微小面積，上作用有內(nèi)力，則——上的平均應(yīng)力。

——k點的應(yīng)力。σ—正應(yīng)力或法向應(yīng)力。P之法向分量，與截面垂直。τ—剪應(yīng)力或切向應(yīng)力。P之切向分量，與截面相切。應(yīng)力的單位：Pa（N/m2）、Mpa（兆帕）、kMPa（千兆帕）三、應(yīng)力構(gòu)件的強度不僅與內(nèi)力的大小有關(guān)，且與截6四、簡單拉伸和壓縮時橫截面上的應(yīng)力拉壓變形滿足平面假設(shè)：變形前的橫截面變形后仍然保持為平面。

變形后的橫向線、仍然為直線，且垂直于桿軸。根據(jù)平面假設(shè)可以斷定拉桿所有縱向纖維的伸長量均相等。由于材料是均勻的，各縱向纖維性質(zhì)相同，其所受力也一樣，所以橫截面上內(nèi)力均布，各點應(yīng)力均相等：σ=S/A拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負。（A為橫截面積）四、簡單拉伸和壓縮時橫截面上的應(yīng)力拉壓變形滿足平面假設(shè)：變形7

例：受力情況如圖，截面積A=5cm2。求：1、畫軸力圖；2、求最大正應(yīng)力σmax。

解：1、畫軸力圖AB段：BC段：

CD段：2、求最大正應(yīng)力例：受力情況如圖，截面積A=5cm2。求：1、畫軸力圖；28五、拉壓桿斜截面上的應(yīng)力α—斜截面mk的外法線與桿軸x間夾角。逆時針為正。由于各縱向纖維伸長量相等，所以斜截面應(yīng)力為均布。由可得A—橫截面積；F—桿所受拉力?！獧M截面上應(yīng)力—恒＞0—斜截面上的正應(yīng)力——最大正應(yīng)力發(fā)生在橫截面上?！苯孛嫔系募魬?yīng)力。五、拉壓桿斜截面上的應(yīng)力α—斜截面mk的外法線與桿軸x間夾角9五、拉壓桿斜截面上的應(yīng)力兩平行截面mk和切下的薄片的受力情況如圖：規(guī)定：作用在一個薄片兩個截面上的剪應(yīng)力組成的力偶如果是順時針的，則剪應(yīng)力τ為正值，反之為負值。（）五、拉壓桿斜截面上的應(yīng)力兩平行截面mk和切下的薄片的受10剪應(yīng)力互等定理剪應(yīng)力互等定理：在（過某一點）相互垂直的兩個截面上，剪應(yīng)力必然成對存在且數(shù)值相等，方向則共同指向或背離兩平面的交線。在k處取一單元體，其受力情況如下：PP剪應(yīng)力互等定理剪應(yīng)力互等定理：在（過某一點）相11§2-3材料的機械性能一、低碳鋼（含C＜0.25%）1、性能試驗與分析靜拉伸試驗中將材料制成圓（或矩）形截面試件：兩端粗—便于裝夾、防止在裝夾部分破壞。試驗段—中間較細等截面部分。其長度稱為標(biāo)距。

GB228：《金屬拉力試驗法》規(guī)定：圓截面試件：=10d或5d，規(guī)定d=10mm；矩形截面試件：=11.3

或5.65將試件裝到試驗機上，開動機器，使之受到從零開始逐漸增加的拉力P，自動繪圖儀便繪出P—曲線：拉伸曲線或拉伸圖。

§2-3材料的機械性能一、低碳鋼（含C＜0.25%）稱為標(biāo)距12§2-3材料的機械性能為消除試件尺寸影響，反映材料本身的性質(zhì)，可取P—拉力；—試件原始橫截面積。正應(yīng)力：線應(yīng)變：—縱向變形量；—標(biāo)距原長。繪成曲線。曲線大致分為四個階段：§2-3材料的機械性能為消除試件尺寸影響，反映材料本身的性質(zhì)13§2-3材料的機械性能（1）彈性階段:ob段變形為彈性—卸載后完全消失?！獜椥詷O限。彈性階段所能承受的最大應(yīng)力。Q235A（A3）鋼oa段為斜直線—比例階段。在此階段應(yīng)力與應(yīng)變成正比：—直線oa之斜率。拉壓彈性模量。

E值的大小反應(yīng)材料抵抗彈性變形能力的高低。不同材料的E值不同。對各種鋼：

虎克定律：當(dāng)應(yīng)力不超過材料的比例極限時，應(yīng)力與應(yīng)變成正比?！壤龢O限。比例階段所能承受的最大應(yīng)力。將、代入可得：，即—虎克定律的又一形式。可用于計算縱向變形量。——抗拉抗壓剛度。§2-3材料的機械性能（1）彈性階段:ob段變形為彈性14§2-3材料的機械性能設(shè)：—桿件拉（壓）后的直徑；d—原來的直徑。則橫向變形量：拉：；壓：橫向應(yīng)變：拉：；壓：與總是異號。試驗證明：——橫向變形系數(shù)（泊松比）

常用材料的

、

值見P41表2-1?！?-3材料的機械性能設(shè)：—桿件拉（壓）后的直徑；d—原來15§2-3材料的機械性能（2）屈服階段：bc段應(yīng)力超過后出現(xiàn)應(yīng)變增加很快而應(yīng)力在很小范圍內(nèi)波動，曲線出現(xiàn)一段接近水平的小鋸齒線段。這種應(yīng)力變化不大應(yīng)變卻顯著增加（材料好像失去了對變形的抵抗能力）的現(xiàn)象，稱為屈服或流動。此階段變形大部分為塑性或殘余變形——卸載后不能消失?！鲃樱O限。屈服階段的最低應(yīng)力。Q235鋼。達到屈服極限后材料將出現(xiàn)顯著的塑性變形，致使構(gòu)件不能正常工作，所以

是衡量塑性材料強度的重要指標(biāo)。

§2-3材料的機械性能（2）屈服階段：bc段應(yīng)16§2-3材料的機械性能

經(jīng)過屈服階段以后，材料又恢復(fù)了抵抗變形的能力，要使材料繼續(xù)變形必須增加拉力，這種現(xiàn)象稱為材料的強化?！獜姸葮O限。強化階段最高點所對應(yīng)的應(yīng)力。為材料所能承受的最大應(yīng)力。為塑性材料重要強度指標(biāo)。Q235鋼：此階段試件橫向尺寸有明顯縮小。（3）強化階段cd段§2-3材料的機械性能經(jīng)過屈服階段以后，材料又恢復(fù)了抵17§2-3材料的機械性能（4）局部變形（頸縮）階段：df段過d點后，局部截面急劇縮小，出現(xiàn)“頸縮”現(xiàn)象，因此試件繼續(xù)伸長所需拉力也相應(yīng)減小，用原始截面算出的應(yīng)力也隨之減小，降至f點試件被拉斷。斷后彈性變形消失，塑性變形依然保留，標(biāo)具由原長變?yōu)椋瑱M截面積由原始值變?yōu)椋〝嗫谔帲?。定義：

—延伸率（相對伸長率）—截面收縮率

、表示材料直到被拉斷時塑性變形所能達到的最大程度。＞5%—塑性材料。低碳鋼（=20~30%，=60~70%）、Cu、等。

＜5%—脆性材料。鑄鐵、玻璃等。§2-3材料的機械性能（4）局部變形（頸縮）階段：df段182、冷作硬化冷作硬化—在常溫下將材料預(yù)先加載到強化階段（e點，eo1為卸載線）然后卸載，當(dāng)再次加載時（為加載線）比例極限提高但塑性（為）降低的現(xiàn)象。工程上利用冷作硬化提高構(gòu)件在彈性階段的承載能力，如起重用的鋼索、建筑用的鋼筋采用冷拔工藝提高強度；噴丸、滾壓等表面強化處理。

零件在加工中產(chǎn)生的冷作硬化稱為加工硬化，給下一步加工帶來困難。

冷作硬化可經(jīng)退火予以消除。2、冷作硬化冷作硬化—在常溫下將材料預(yù)先加載到19二、其它材料的拉伸曲線1、無屈服階段塑性材

只有彈性和強化階段，又能產(chǎn)生很大塑性變形。

國標(biāo)規(guī)定以產(chǎn)生0.2%的塑性變形所對應(yīng)的應(yīng)力作為材料的名義屈服極限，用

表示。其確定方法如右圖所示。二、其它材料的拉伸曲線1、無屈服階段塑性材

只有彈性和強化階20二、其它材料的拉伸曲線2、脆性材料鑄鐵、玻璃鋼、陶瓷等。直到被拉斷無明顯塑性變形，無屈服無頸縮，拉到一定程度即突然斷裂。拉斷時之應(yīng)力稱為抗拉強度極限。

是衡量脆性材料強度的唯一指標(biāo)。脆性材料很低，所以不宜作承拉件。鑄鐵曲線無明顯直線部分，彈性模量E隨應(yīng)力大小改變，通常以割線代替曲線開始部分，稱為割線彈性模量。如右圖所示。二、其它材料的拉伸曲線2、脆性材料鑄鐵、玻璃鋼、陶瓷等。21三、材料在壓縮時的機械性質(zhì)金屬材料壓縮試件做成圓柱形，為避免壓彎，取

混凝土、石料、木材等非金屬材做成立方體。1、塑性材屈服前曲線與拉伸時重合（但越壓越扁，并不會壓潰，所以測不到強度極）。所以塑性材料一般不作壓縮試驗。三、材料在壓縮時的機械性質(zhì)金屬材料壓縮試件做成圓柱形，為避免22三、材料在壓縮時的機械性質(zhì)2、脆性材料壓縮時的曲線與拉伸相似。如鑄鐵：無明顯直線部分，也無屈服階段，在很小的塑性變形下即被突然壓壞。破斷面與軸線約成角（說明最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在斜截面上，鑄鐵正是在這一面上被剪斷的：）。脆性材料的抗壓強度比抗拉強度高3-4倍，所以鑄鐵等宜做承壓件。如機床床身、機座、軸承座等。三、材料在壓縮時的機械性質(zhì)2、脆性材料壓縮時的曲線與拉伸相23四、溫度對材料機械性能的影響P102以上討論的是材料在常溫下的機械性能。在高溫或低溫下材料性質(zhì)與常溫下將有所不同。高溫影響（1）高溫對短期靜載試驗的影響——P102圖7-3低碳鋼：溫度↑→E↓抵抗彈性變形的能力下降；、↓高于400℃測不出；400℃以上不能使用。先上升然后急劇下降；↑抵抗橫向變形能力下降。(2)高溫對長期加載的影響①高溫蠕變—在高溫下承載的構(gòu)件(碳鋼超過,合金鋼超過),雖然載荷大小不變,變形(塑性)卻隨時間不斷增加的現(xiàn)象?！褚鹜庥^尺寸改變。如：汽輪機葉片與輪殼相碰而打碎。四、溫度對材料機械性能的影響P102以上討24四、溫度對材料機械性能的影響P102

②應(yīng)力松弛—由于蠕變使彈性變形逐漸轉(zhuǎn)化為塑性變形，從而引起構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力減小的現(xiàn)象。是一種特殊的蠕變現(xiàn)象。●高溫容器法蘭聯(lián)結(jié)螺栓松弛后使法蘭與墊片間壓緊力減小而發(fā)生泄漏（密封失效）；汽輪機轉(zhuǎn)子與軸之間的緊配合松脫。蠕變速度與溫度和應(yīng)力成正比。在允許的最大變形量一定時，蠕變速度越高，工作壽命越短。③材料的高溫強度指標(biāo)A、蠕變極限—在一定高溫下，為使蠕變速度不超過一定值時所允許的最大應(yīng)力，稱為該溫度、該蠕變速度下材料的蠕變極限。B、持久強度限—在一定高溫下，在規(guī)定時間內(nèi)t不發(fā)生斷裂所允許的最高應(yīng)力，稱為材料在該溫度下經(jīng)歷時間為t的持久強度限?！癜l(fā)生蠕變的試件，經(jīng)過一段時間將發(fā)生斷裂。四、溫度對材料機械性能的影響P102②應(yīng)力松弛25四、溫度對材料機械性能的影響P102

2、低溫影響低碳鋼、低合金鋼→→具有低溫脆性（冷脆現(xiàn)象）不銹鋼、銅、鋁等無此現(xiàn)象。四、溫度對材料機械性能的影響P1022、低溫影響低碳鋼26§2-4金屬的缺口沖擊、彎曲和硬度試驗一、沖擊試驗1、應(yīng)力集中的概念P32、P100

工程中的構(gòu)件不都是等截面桿。如機械零件上常有溝槽、螺紋、圓孔、鍵槽和臺階等，使構(gòu)件截面發(fā)生突變。應(yīng)力集中—由于截面突然變化而引起的應(yīng)力局部增大的現(xiàn)象。應(yīng)力集中系數(shù)：

—發(fā)生應(yīng)力集中截面上的最大應(yīng)力；—被削弱截面上的平均應(yīng)力?！?-4金屬的缺口沖擊、彎曲和硬度試驗一、沖擊試驗應(yīng)力集中—272、應(yīng)力集中的影響（1）塑性材料承受靜載荷時可以不考慮應(yīng)力集中的影響（有緩和應(yīng)力集中的作用。或?qū)?yīng)力集中有自限性）。（2）應(yīng)力集中會使組織均勻的脆性材料的承載能力大為降低——無屈服階段，在最大應(yīng)力處首先產(chǎn)生裂紋（達到強度極限時），在裂紋尖端又形成新的應(yīng)力集中（角越尖越嚴重），最終導(dǎo)致整個構(gòu)件破壞。2、應(yīng)力集中的影響（1）塑性材料承受靜載荷時可以不考慮282、應(yīng)力集中的影響（3）組織不均勻的脆性材料可不考慮應(yīng)力集中影響——如鑄鐵。因其組織內(nèi)部存在著導(dǎo)致應(yīng)力集中的片狀石墨，所以構(gòu)件尺寸變化引起的應(yīng)力集中對承載能力的影響就不大明顯了。（4）不管是塑性還是脆性材料，承受交變載荷時必須考慮應(yīng)力集中的影響?！獞?yīng)力集中促使疲勞裂縫的形成，導(dǎo)致疲勞破壞。2、應(yīng)力集中的影響（3）組織不均勻的脆性材料可不考慮應(yīng)力293、缺口沖擊試驗沖擊—極短的時間內(nèi)速度發(fā)生極大的變化。如汽錘鍛造、落錘打樁、高速飛輪突然剎車等均屬沖擊問題。沖擊物在極短的時間內(nèi)速度發(fā)生很大變化，有時甚至降低為零，表示獲得很大的負值加速度。因而在沖擊物和受沖構(gòu)件之間必然作用有很大的作用和反作用力——沖擊載荷。沖擊試驗：——沖擊功。為剩余能量?！獩_擊韌性。即沖斷試件缺口處單位橫截面積所消耗的功。F為試件缺口處的橫截面積3、缺口沖擊試驗沖擊—極短的時間內(nèi)速度發(fā)生極大的變化。如汽錘30

3、缺口沖擊試驗試件上的缺口是為了造成應(yīng)力集中，使斷裂從這里開始。試件發(fā)生斷裂使一個裂紋發(fā)生和擴展的過程，在裂紋向前發(fā)展的道路上如果塑性變形發(fā)生在它的前面，就可以阻止裂紋的長驅(qū)直入。它要繼續(xù)發(fā)展，就要消耗更多的能量。因此沖擊韌性值的高低，決定于材料有無迅速塑性變形的能力。韌性高的材料一般都有較高的塑性指標(biāo)，但塑性較高的材料卻不一定都有高的韌性。其所以如此，就是因為在靜載荷下能夠緩慢塑性變形的材料，在動載荷下不一定能迅速塑性變形。4、沖擊韌性能說明的問題（1）材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力。（2）材料對微觀缺陷的敏感性—防止材料在低溫下工作時出現(xiàn)低應(yīng)力脆性斷裂。冷脆現(xiàn)象—低溫下沖擊韌性降低的現(xiàn)象。低碳鋼和低合金鋼有此現(xiàn)象，不銹鋼、銅、鋁無此現(xiàn)象。3、缺口沖擊試驗試件上的缺口是為了造成應(yīng)力集31

二、彎曲試驗（冷彎試驗。冷不是指低溫）目的：檢查試件承受塑性變形的能力。

在試件背面不出現(xiàn)裂紋的條件下,彎心直徑d越小、試件彎曲角越大，則試件承受塑性變形的能力越強。化工設(shè)備上主要做鋼板或鋼板