第1章 材料的力学性能 (课堂PPT)

第1章材料的力学性能,材料的性能是评价和选择材料的依据。学习材料课，应当熟悉各种常用材料的性能。1.1材料性能的分类,1,材料的力学性能1.1材料的性能的分类,2,材料的力学性能1.1材料的性能的分类,3,材料的力学性能1.2基本概念和术语,1.2基本概念和术语力学性能材料受载荷作用时表现出的与变形、断裂相关的一系列性能。载荷材料（或零件、构件）所受的力（N）或应力。应力材料（或零件、构件）的单位横截面积上所受的力（N/m2)。应力的单位：Pa，1Pa=1N/m2MP，1MPa=106Pa=1N/mm2,4,材料的力学性能1.2基本概念和术语,静载荷大小和方向都不随时间改变或缓慢变化的载荷。动载荷大小或方向随时间改变的载荷。载荷载荷冲击载荷交变载荷时间时间静载荷动载荷,5,材料的力学性能1.2基本概念和术语,材料受载荷作用时可能发生的现象：,6,材料的力学性能1.3拉伸试验,1.3.拉伸试验通过拉伸试验可以测定材料的强度、刚度和塑性。,7,材料的力学性能1.3拉伸试验,oe段：弹性变形，伸长量与L与拉力F成正比。S平台：屈服现象，开始塑性变形。Sb段：均匀塑性变形。bk段：颈缩（局部塑性变形）K点：断裂,低碳钢拉伸曲线F拉力L伸长量,8,材料的力学性能1.4强度,1.4强度强度材料受静载荷作用时，抵抗塑性变形和断裂的能力。1.屈服强度s材料受静载荷作用时，抵抗塑性变形的能力。MPa,9,材料的力学性能1.4强度,如果材料所受的载荷达到或超过其屈服强度，材料就会发生塑性变形。在设计和使用机器零件时，必须保证零件的工作载荷低于零件材料的屈服强度（工作s），否则零件就会发生塑性变形而失效。练习（见下页）,10,材料的力学性能1.4强度,练习：要制造一根受拉力的圆杆，已知圆杆直径为20mm，拉力为93kN。现有两种钢，其中Q235钢的s为235MPa；45钢的s为355MPa。用这两种钢来制造此圆杆，是否都能保证不发生塑性变形？解：圆杆所受应力为：若选用Q235钢制造制造此圆杆，其s，会发生塑性变形；选用45钢制造制造此圆杆，其s，能保证不发生塑性变形。,11,材料的力学性能1.4强度,2.抗拉强度（强度极限）b材料受静载荷作用时，抵抗断裂的能力。MPa,12,材料的力学性能1.4强度,如果材料所受的载荷达到其抗拉强度，材料就会发生断裂。在设计和使用机器零件时，必须保证零件的工作载荷低于零件材料的抗拉强度（工作b），否则零件就会发生断裂而失效。,13,材料的力学性能1.5刚度,1.5刚度刚度材料受静载荷作用时，抵抗弹性变形的能力。衡量刚度大小的指标是弹性模量E。在拉伸曲线上，E体现为oe段的斜率。,14,材料的力学性能1.5刚度,常用材料的弹性模量E/MPa在一定的载荷作用下，弹性模量（E）大的材料发生的弹性变形比较小。材料的弹性模量是一个常数，不会因热处理、合金化等外部条件而改变。,15,材料的力学性能1.6塑性,1.6塑性塑性材料在受载荷作用时，在断裂之前发生永久性变形的能力。,16,材料的力学性能1.6塑性,衡量材料塑性好坏的指标：1.延伸率延伸率又称伸长率，是试样被拉断后，塑性伸长量与试样原始标距长度的百分比：,17,材料的力学性能1.6塑性,2.断面收缩率断面收缩率是试样被拉断后，颈缩处的横截面积收缩量（S0-S1）与原始横截面积S0之百分比：,18,材料的力学性能1.6塑性,材料的、值越大，表明其塑性越好。材料的塑性在工程上的实用意义：1）塑性是变形加工（锻压）的条件。塑性较好的材料才可以进行变形加工。2）塑性好的材料，不易脆断，应用时安全性比较好。,19,材料的力学性能1.7硬度,1.7硬度硬度用来衡量材料软硬程度的性能指标。测试硬度的方法有多种，相应的也有多种硬度指标。,20,材料的力学性能1.7硬度,1.布氏硬度HB1）试验原理以压力F将直径为D的球形压头压入材料表面，形成直径为d的压痕，以压痕单位面积上承受的压力大小来衡量材料的硬度。,F,21,材料的力学性能1.7硬度,kgf/mm2式中F试验压力，kgf；S压痕面积，mm2；D压头直径，mm；d压痕直径，mm。,22,材料的力学性能1.7硬度,2）标注示例120HBS10/1000/30500HBW5/7503）特点和应用范围（1）试验结果较准确，数据的重复性较好；（2）操作较繁琐；（3）试验压力较大，压痕大，可能损坏薄壁零件;（4）适合于测试厚度较大的、较软的原材料、毛坯。,23,材料的力学性能1.7硬度,2.洛氏硬度HR1）试验原理用一定的压力将压头压入材料表面，以压痕深度来衡量材料的硬度。洛氏硬度计的指示表直接显示出硬度值。压痕越浅，硬度值越大，表明材料硬度越高。,试验原理示意图,洛氏硬度计,24,材料的力学性能1.7硬度,2）几种常用的洛氏硬度标尺,25,材料的力学性能1.7硬度,3）洛氏硬度的特点（1）测试操作简便，效率高；（2）适应的材料种类较多；（3）压痕小，对零件损伤小；（4）测试准确度和数据重复性稍差；（5）HRA、HRB、HRC测试值不能直接对比。例如:不能认为60HRB代表的硬度高于40HRC。,26,材料的力学性能1.7硬度,3.其它硬度维氏硬度、肖氏硬度，等等。,27,材料的力学性能1.7硬度,4.硬度试验的应用1）对于有耐磨性要求的零件，其硬度是主要的质量指标。2）多数金属材料的硬度与强度有一定正比关系。在实际工作中，常常通过测试零件的硬度来换算出强度，既简便，成本又低。,28,材料的力学性能1.7硬度,黑色金属硬度及强度换算表,钢的HBS与b的换算关系：b0.36HBS,29,30,材料的力学性能1.8冲击韧性,1.8冲击韧性ak有些零件在工作时会受冲击载荷。如冲压模、錾子、飞机起落架等。材料的强度、塑性等在静载荷下测定的力学性能指标，不能体现材料的抗冲击性能。冲击韧性ak材料受冲击载荷时，抵抗断裂的能力。,31,材料的力学性能1.8冲击韧性,冲击韧性试样,冲击试验示意图,冲击试验机,32,材料的力学性能1.8冲击韧性,33,材料的力学性能1.8冲击韧性,冲击韧性ak在数值上等于冲断试样消耗的能量AK与试样缺口处横截面积S之比：J/cm2冲击韧性高的材料，使用安全性好。,34,材料的力学性能1.8冲击韧性,材料脆断引发的事故,35,材料的力学性能1.9疲劳强度,1.9疲劳强度1.9.1材料的疲劳现象演示自行车。提问疲劳零件（材料）在交变载荷长时间作用下，产生裂纹并逐渐扩展，最终导致突然断裂的现象。实例在裂纹萌生和扩展的较长一段时间中，是不易被发现的，而最终的断裂是在瞬间发生的。因此，疲劳现象对于运行中的机器，尤其对飞行中的飞机，是危害性极大的事故隐患。据统计，机器零件的断裂有80%是疲劳引起的。,36,材料的力学性能1.9疲劳强度,1.9.2疲劳强度疲劳强度-1材料在受交变载荷时，抵抗疲劳破坏的能力。钢的疲劳强度与抗拉强度有一定的比例关系：-10.4b,37,材料的力学性能1.9疲劳强度,1.9.3提高零件抗疲劳性的措施疲劳裂纹通常在零件薄弱部位的表面萌生。下列方法能提高零件抗疲劳