材料化学教学课件PPT工程材料的力学性能.ppt

材料的力学性能,朱静 2009210468,材料化学第三章第二节,材料的力学性能,材料是在不同的外界条件下使用的，如在载荷、温度、介质、电场等作用下将表现出不同的行为，即材料的使用性能。使用性能主要包括：力学性能、物理性能和化学性能。,力学性能是指材料在载荷(外力)作用下所表现出的特性，也就是材料抵受外力作用的能力。 表征：强度，硬度，韧性等等,强度：是指材料在外力作用下抵抗变 形与断裂的能力。 塑性：是指材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。 通常材料的强度和塑性是根据国家标准(gb6397-86) 规定进行静拉伸试验测量得到的。,一、材料的强度与塑性,拉伸试样,应力-应变曲线,测量时施加恒定而缓慢的压力,测量装置,不同的力学材料，其应力-应变曲线不同。,应力-应变关系曲线的特点分析,起始阶段，材料受力作用而发生变形，当外力撤去后，可以恢复原状，为弹性形变。此时应力与应变呈线性关系。 =e 该式为虎克定律表达式，其中e为弹性模量或杨式模量。 e反映材料的坚硬程度或抵抗弹性形变的能力,弹性形变阶段,应力-应变关系曲线的特点分析,超过弹性极限后，应力与应变的直线关系被破坏。撤去外力后试样的变形只能部分恢复，而保留一部分参与变形，此时的材料进入弹塑性变形阶段。应力随应变增加继续增大，达到某一个值后反而下降，该值称为材料的屈服强度(s)，表示材料发生明显塑性形变的抗力。,弹塑性形变阶段,应力-应变关系曲线的特点分析,过了屈服点后，应力稍降后继续增大，试样发生明显而均匀的塑性变形。 当应力达到最大值即极限强度（b），均匀变形阶段即告终止，而后试样发生不均匀的塑性形变并形成颈缩，应力下降，最后达断裂应力（k）时，试样断裂。,塑性形变阶段,强度指标,1.弹性极限e ：是指材料由弹性过渡到弹-塑性变形的最大应力。 2.屈服强度s ：是指材料产生明显塑性变形时的应力。 3.抗拉强度b ：是指材料拉伸时所能承受的最大应力。,塑性指标：一般用伸长率()或断面收缩率()来反映材料塑性的好坏,1.延伸率 =(lf-l0)/l0 其中lf为试样拉断后的最后标距长度,2.断面收缩率： =(a0-af)/a0 其中a0为试样原始横截面积；af为断口处的横截面积。,延伸率越大，断面收缩率越大，材料的塑性（延展性）越好。 延展性好的材料具有较好的工艺容量。,测量方法：静载压入法 根据压头和载荷的不同，主要有布氏硬度(hb)、洛氏硬度(hr)和维氏硬度 (hv) 等。,定义：硬度反映了材料表面抵抗其他硬物压入的能力。,意义：硬度能较敏感地反映材料的成分与组织结构的变化，与强度、耐磨性以及工艺性能往往存在一定对应关系，故可用来检验原材料和控制冷热加工质量。,二、 材料的硬度,布氏硬度：1900年瑞典工程师布利涅尔（brinell）提出,将一定直径的淬火钢球或硬质合金球，在规定载荷下压入被测金属的表面，并保持一定时间，然后卸除载荷，以金属表面球形压痕单位面积上所承受载荷的大小来表示被测金属材料的硬度。,洛氏硬度：1919年美国洛克威尔提出。,用锥顶角120的金刚石圆锥体或淬火钢球作为压头，在一定试验力的作用下，将压头压入试样表面，经规定的保持时间后，卸除主试验力，根据残余压痕深度计算被测材料的硬度。洛氏硬度值可直接从硬度计读取。,洛氏硬度的分类,hra hrb hrc 压头 : 金刚石 直径为 金刚石 圆锥体 1.58mm钢球 圆锥体 总载荷 /n : 588.37 980.67 1471.07 应用 ： 高硬度 较软材料， 淬火钢 材料，如 如退火钢， 等硬材料 硬质合金 铜铝等 范围： 60-88hra 20-100hrb 20-70hrc,维氏硬度的试验原理与布氏硬度相同，但维氏硬度试验是用两面夹角为136的金刚石四棱锥体作为压头。试验时测出压痕对角线长度以计算压痕的表面积，以f/a的数值表示维氏硬度值。,维氏硬度：英国的维克斯vickers公司,hv=0.189f/d2(mpa),维氏硬度载荷小，压痕深度浅，适应于测量较薄的材料或表面硬化层的硬度，所以维氏硬度广泛用来测定金属镀层、薄片金属以及化学热处理后的表面硬度。,压痕面积大，能反映较大范围的组成的平均性能，数据稳定，准确，重复性强,布氏硬度,洛氏硬度,维氏硬度,优点,缺点,硬度值可直接读出，简便，压痕小，可在关键表面进行实验。,代表性差，测量有局部性,压痕清晰，数据准确可靠，载荷小，压痕浅，适用范围广，薄件、表面层、软硬材料均适用。,硬度值测定麻烦,压痕直径测量麻烦，不适于成品、薄件,定义：韧性是指材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力，是材料强度和塑性的综合表现。 衡量材料韧性的力学性能指标称之为韧度。我们考察较多的是材料的冲击韧性和断裂韧性，与之对应的力学性能指标为冲击韧度（k）和断裂韧度（kic）。,三、材料的韧性,定义：冲击韧性是用来评价材料在冲击载荷作用下的脆断倾向的，它是指材料在冲击加载下吸收塑性变形功和断裂功的能力。冲击韧度为其力学性能指标，表示单位面积吸收的冲击功，用一次摆锤冲击试验法来测定。（k=ak /a）,冲击韧性,意义：用来反映材料对一次或少次大能量冲击破坏的抵抗能力和在此工作条件下材料对缺口的敏感性。,材料内部的裂纹往往会导致材料发生低应力脆断，针对这种情况，通常采用断裂韧度kic来评定。 kic是材料抵抗裂纹失稳扩展能力的度量，反映了材料抵抗低应力脆断的能力。,断裂韧性,kic=yca1/2,y-与裂纹形状及加载方式有关的量 c - 裂纹失稳扩展的应力，即断裂应力 a-材料内部裂纹长度的一半,材料冲击韧度的大小除了与材料本身特性，如化学成分、显微组织等有关外，还受试样尺寸、缺口形状、加工粗糙度和实验环境等影响。,材料的断裂韧度与材料本身的性质有关，与材料的成分、成型工艺有关；而与裂纹的形状、尺寸及外应力的大小无关。,影响韧度的因素,四、材料的疲劳强度,疲劳断裂的概念 材料在循环受力下，在某点或某些点产生局部永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。,疲劳断裂的特点 (1)断裂时的应力远低于材料静载下的抗拉强度，甚至屈服强度, 疲劳断裂属低应力脆断。 (2)断裂前无论是韧性材料还是脆性材料均无明显的塑性变形，是一种无预兆、突然发生的断裂，因此危险性极大。,疲劳断裂的基本过程,(1)裂纹的产生：由于材料本身的各种缺陷和结构等原因，使零件受力时局部产生应力集中，形成疲劳裂纹源，达到一定条件时，产生裂纹。 (2)裂纹扩展：裂纹形成后，在交变应力作用下将不断扩展。 (3) 断裂：随着疲劳裂纹的扩展，有效承载面逐渐减小，当应力达到材料的断裂强度或断裂韧度时，发生快速断裂。,疲劳抗力指标 疲劳强度 （疲劳极限）材料在“无数”次重复交变载荷的作用下而不破坏的最大应力。 疲劳强度在疲劳试验机上测定，试验时，钢材的循环次数以107为基数；有色金属以108为基数。,影响因素,(1)材料本质：材料的成分、组织