金属材料的力学性能课件

第1章金属材料的力学性能,金属材料的力学性能是指在承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时，对变形与断裂的抵抗能力及发生形变的能力。常用的力学性能有：强度、刚度、弹性、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳极限等。,上图中d0为试样的直径，L0为标距长度。按国家标准，拉伸试样有长试样（L010d0）和短试样（L05d0）两种。,1.1强度与塑性,1.1.1拉伸试验与拉伸曲线1.拉伸试验,HT-2402-100KN电脑伺服控制材料实验机,拉伸试样的颈缩现象,（一）弹性与塑性,弹性：金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能回复其原来形状的性能，叫做弹性。弹性变形：随着外力消失而消失的变形，叫做弹性变形。塑性：金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致引起破坏的性能叫做塑性。塑性变形：在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形，叫做塑性变形。,2.拉伸曲线,（1）弹性变形：,材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来形状，这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形。,（2）塑性变形:,材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形，称为塑性变形。,2.拉伸曲线,(3)应力应变曲线（-曲线）：形状和拉伸曲线相同，单位不同。,(1)应力：单位面积上试样承受的载荷。,F:载荷(N),S0:原始横截面积(mm2),下图是低碳钢的力-伸长曲线，图中纵坐标表示力拉伸力F，单位为N；横坐标表示绝对伸长量l，单位为mm。当载荷不超过Fe时，拉伸曲线OE为一斜直线，即试样的伸长量与拉伸力（载荷）成正比。如果卸除拉伸力，试样能完全恢复到原来的形状和尺寸，材料处于弹性变形阶段。,2.拉伸曲线,当拉伸力超过Fe后，试样将进一步伸长，此时若卸除拉伸力，试样不能恢复到原来的形状，这种拉伸力消失后仍继续保留的变形叫做塑性变形。当拉伸力达到Fs时，拉伸力不增加，试样的变形仍继续进行，这种现象称为屈服。当拉伸力继续增加到某一最大值Fb时，试样的局部截面缩小，产生“缩颈”现象。此后，变形主要集中在缩颈处，所能承受的拉伸力迅速下降，达到Fk时，试样在缩颈处断裂。,2.拉伸曲线,2.拉伸曲线,二、通过拉伸试验测得的性能指标,刚度、强度,塑性,弹性模量E：表示引起单位变形时所需要的应力。即材料的E越大，产生的弹性变形越小，刚度越大。E值主要取决于材料的本性;提高刚度的方法是增加横截面积或改变截面形状。,=E,1.1.2刚度,刚度表征金属材料抵抗弹性变形的能力。,a.屈服点、屈服强度：表征金属材料对产生明显塑性变形的抗力。,屈服点是指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力，用S表示。,屈服现象：S点,S=FS/S0(N/mm2=Mpa),强度金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。,1.1.3强度,1.屈服强度和规定残余伸长强度当载荷增达到s点时，拉伸曲线出现了平台，即试样所承受的载荷几乎不变，但塑性变形不断增加，这种现象称为屈服。屈服点是指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力。用s表示。,计算公式:,应用：制作机械零件和工程构件时的选材和设计的依据。,1.1.3强度,强度金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。,0.2=F0.2/S0,2.抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力。,b=Fb/S0,选用原则：若不允许发生过量的塑性变形，以屈服强度S、0.2为依据；若零件在使用时只要求不发生破坏，以抗拉强度b来设计。,衡量指标断后伸长率和断面收缩率,塑性金属材料在静载荷作用下产生塑性变形而不致引起破坏的能力,1.1.4塑性,1.伸长率（）,l1试样拉断后的标距,mm;,l0试样的原始标距,mm。,试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。,2.断面收缩率（）,S0试样原始横截面积,mm2；,S1颈缩处的横截面积,mm2。,、越大，材料塑性越好。,试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。,说明：直径d0相同时，l0，。只有当l0/d0为常数时，塑性值才有可比性。当l0=10d0时，伸长率用表示；当l0=5d0时，伸长率用5表示。显然5用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。时，无颈缩，为脆性材料表征107不疲劳破坏,断裂,断裂点,不断裂,2疲劳强度许多零件如曲轴、齿轮、连杆、弹簧等在交变载荷作用下工作，发生断裂时的应力远低于该材料的屈服强度，这种现象叫疲劳破坏。据统计，80%机件失效是由于疲劳破坏。疲劳强度金属材料在无数次交变载荷作用下而不致于引起断裂的最大应力。,材料的疲劳强度通常在旋转对称弯曲疲劳试验机上测定疲劳曲线,即交变应力与断裂前的循环次数N之间的关系。有色金属N108，钢材N107不疲劳破坏疲劳曲线疲劳破坏原因:材料有杂质,表面划痕,能引起应力集中（指受力构件由于几何形状、外形尺寸发生突变而引起局部范围内应力显著增大的现象）,导致微裂纹,裂纹扩展致使零件不能承受所加载荷突然破坏.,不断裂,断裂点,疲劳试验原理示意图,1.4.3提高疲劳极限的途径,1）在零件结构设计中尽量避免尖角，缺口和截面突变，以免产生应力集中而由此产生疲劳裂纹；2)提高零件表面加工质量，减少疲劳源；3)采用各种表面强化处理，如表面淬火、喷丸等。,三、金属材料的性能：,1、使用性能：,指材料在使用过程中所表现的性能，主要包括力学性能、物理性能和化学性能。物理性能：密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性。如，飞机上使用的零件要求比重轻；电机、电器用零件要考虑导电性，等等。化学性能：室温或高温时抵抗各种化学作用的能力，也称化学稳定性，包括耐酸性、耐碱性、抗氧化性等等。如，化工设备、医疗器械要求化学稳定性好。,同时，各种金属材料存在各不相同的使用性能。因此：1）我们必须首先熟悉各种金属材料的主要性能。2）才能根据不同的技术要求，选择合适的金属材料。比如