第二章_金属的力学性能_化工机械设备基础

1、1第二章第二章 金属的力学性能金属的力学性能 2杆件变形的基本形式杆件变形的基本形式345杆的受力简图为杆的受力简图为一、变形和内力一、变形和内力拉伸和压缩的弹性形变：拉伸和压缩的弹性形变：作用在杆件上的外力作用在杆件上的外力合力的作用线与杆件轴线重合，杆件变形是沿轴线合力的作用线与杆件轴线重合，杆件变形是沿轴线方向的伸长或缩短。增大外力，变形增加方向的伸长或缩短。增大外力，变形增加; ;减少外减少外力力, ,变形减少；去掉外力，恢复变形。变形减少；去掉外力，恢复变形。F FF F拉伸拉伸F FF F压缩压缩 第一节第一节 弹性体的变形和内力弹性体的变形和内力67F FF Fm mm m切切:

2、 : 假想沿假想沿m-mm-m横截面将杆切开横截面将杆切开1 1、截面法求内力、截面法求内力留留: : 留下左半段或右半段留下左半段或右半段F FF F代代: : 将抛掉部分对留下部分将抛掉部分对留下部分的作用用内力代替的作用用内力代替 F FN NF FN N平平: : 对留下部分写平衡方程求对留下部分写平衡方程求出内力的值出内力的值 0 xF0FFNFFN83 3、轴力正负号：、轴力正负号： 拉为正、压为负拉为正、压为负。 4 4、轴力图：、轴力图： 轴力沿杆件轴线的变化。轴力沿杆件轴线的变化。F FF Fm mm mF FF FF FN NF FN N 0 xF0FFNFFN2 2、轴力

3、：横截面上的内力、轴力：横截面上的内力 直杆受拉（压）时产生的直杆受拉（压）时产生的内力。内力。9已知已知F F1 1=10kN=10kN；F F2 2=20kN=20kN； F F3 3=35kN=35kN；F F4 4=25kN;=25kN;试画试画出图示杆件的轴力图。出图示杆件的轴力图。11 0 xFkN1011 FFNFN1F1解：解：1 1、计算各段的轴力。、计算各段的轴力。F1F3F2F4ABCDABAB段段kN102010212FFFNBCBC段段2233FN3F4FN2F1F2122FFFN 0 xF 0 xFkN2543 FFNCDCD段段2 2、绘制轴力图。、绘制轴力图。k

4、NNFx102510 10PQ(a)P-29(b)P/Q/QP11应力的概念应力的概念 工程上通常称内力分布集度为应力，即工程上通常称内力分布集度为应力，即应应力是指作用在单位面积上的内力值，它表示内力是指作用在单位面积上的内力值，它表示内力在某点的集度。力在某点的集度。 一般来说，杆件横截面上的应力不一定是一般来说，杆件横截面上的应力不一定是均匀分布的，为了表示截面上某点均匀分布的，为了表示截面上某点C C的应力，围的应力，围绕点绕点C C取一微面积取一微面积 ，如下图所示：，如下图所示： 12AQpm平均应力：平均应力：AQpA0lim应力：应力： - -剪应力正应力应力单位：应力单位：P

5、aPa或或MPaMPa （1N/m1N/m2 2）26/1a101mmNPMPa13现象现象：横向线：横向线1-11-1与与2-22-2仍为直线，且仍然垂直于杆件仍为直线，且仍然垂直于杆件轴线，只是间距增大，分别平移至图示轴线，只是间距增大，分别平移至图示1-11-1与与2-2-22位置。位置。平面假设平面假设：杆件变形前为平面的横截面在变形后仍为：杆件变形前为平面的横截面在变形后仍为平面，且仍然垂直于变形后的轴线平面，且仍然垂直于变形后的轴线 FFF14FFF推论推论：当杆件受到轴向拉伸：当杆件受到轴向拉伸( (压缩压缩) )时，自杆件表面到时，自杆件表面到内部所有纵向纤维的伸长（缩短）都相

6、同。内部所有纵向纤维的伸长（缩短）都相同。结论结论：应力在横截面上是均匀分布的：应力在横截面上是均匀分布的( (即横截面上各即横截面上各点的应力大小相等点的应力大小相等) )，应力的方向与横截面垂直，即，应力的方向与横截面垂直，即为正应力为正应力 15ASAF16简单拉伸直杆斜面上作用的应力简单拉伸直杆斜面上作用的应力cosApFcoscosAFp2coscos p2sin2sincossin p172coscos p2sin2sincossin p18纵向变形纵向变形lllAFll llEAEA为抗拉刚度为抗拉刚度EAlFlNE虎克定律虎克定律线应变线应变E E为弹性模量为弹性模量, ,材料

7、抵抗弹性变形材料抵抗弹性变形的能力的能力 第二节第二节 材料的力学性能材料的力学性能19横向变形横向变形bbbbb泊松比泊松比横向线应变横向线应变钢材的钢材的E E 约为约为2 210105 5MPaMPa，约为约为0.250.250.330.3320一一 拉伸实验拉伸实验常温、静载常温、静载2-42-41 1 试件的准备和试件的进行试件的准备和试件的进行2122oabcef明显的四个阶段明显的四个阶段1 1、弹性阶段弹性阶段obobP比例极限比例极限Ee弹性极限弹性极限tanE2 2、屈服阶段屈服阶段bcbc（失去抵（失去抵抗变形的能力）抗变形的能力）s屈服极限屈服极限3 3、强化阶段强化阶

8、段cece（恢复抵抗（恢复抵抗变形的能力）变形的能力）强度极限强度极限b4 4、颈缩阶段颈缩阶段efefPesb2 2 实验结果的整理实验结果的整理23比例极限比例极限 p： =E - 关系是线性、弹性的。关系是线性、弹性的。： ： 斜率斜率,反映材料抵抗弹性变形的能力。反映材料抵抗弹性变形的能力。oabcefPsbtanE24oabcefPsb弹性极限弹性极限 e：弹性，弹性，abab段为段为非线性。非线性。 e e与与 p p数值相近。数值相近。 ： 材料是否出现塑性变形的重要强度指标。材料是否出现塑性变形的重要强度指标。2526%100010AAA 5%, 如低碳钢、低合金钢、青铜等如低

9、碳钢、低合金钢、青铜等.： 5%, 如铸铁、硬质合金、石料等。如铸铁、硬质合金、石料等。 opesybk颈缩颈缩k 1A1A027：弹性模量弹性模量E E: : 材料抵抗弹性变形的能力材料抵抗弹性变形的能力屈服强度屈服强度 s - 材料发生屈服材料发生屈服强度极限强度极限 b b - -材料发生破坏材料发生破坏：延伸率延伸率 和和/ /或或面缩率面缩率 。28oabcefPesb29无无 s s, 无颈缩，无颈缩， 强度指标强度指标 b。弹性阶段弹性阶段 - 间也可有非线性关系。间也可有非线性关系。可以没有屈服平台，可以没有屈服平台，名义屈服名义屈服极限极限 0.2为为产生产生0.2%塑性应变

10、时的应力。塑性应变时的应力。(%) 0(MPa)10 20500200A3钢钢(Q235)16Mn 500 0(%)(MPa)20010.5灰铸铁灰铸铁玻璃钢玻璃钢 0(%)(MPa)20050020铝合金铝合金球墨铸铁球墨铸铁青铜青铜30常温、静载常温、静载二二 压缩实验压缩实验31屈服极限屈服极限S比例极限比例极限p弹性极限弹性极限e 拉伸与压缩在屈拉伸与压缩在屈服阶段以前完全相服阶段以前完全相同。同。E E - - 弹性模量弹性模量1 1 塑性材料（低碳钢）的压缩实验塑性材料（低碳钢）的压缩实验32obtbc 脆性材料的抗拉与抗压脆性材料的抗拉与抗压性质不完全相同性质不完全相同 压缩时的

11、强度极限远大压缩时的强度极限远大于拉伸时的强度极限于拉伸时的强度极限btbc2 2 脆性材料（铸铁）的压缩实验脆性材料（铸铁）的压缩实验3334三三 温度对材料的力学性能的影响温度对材料的力学性能的影响 1 1 温度对短时静载实验所得结果的影响温度对短时静载实验所得结果的影响 材料的塑性指标材料的塑性指标,随温度降低而减少，随温度降低而减少，E E、b b、s s 随温度降低而升高随温度降低而升高构件低温脆断构件低温脆断低温压力容器（温度低于低温压力容器（温度低于-20-20）352 2 高温时的蠕变与应力松弛高温时的蠕变与应力松弛 蠕变现象：蠕变现象：金属试件在金属试件在高温高温下承受某已固

12、定的下承受某已固定的应力应力时，时，试件会随着时间的延续而不断发生缓慢增长的塑性形试件会随着时间的延续而不断发生缓慢增长的塑性形变。变。 蠕变极限蠕变极限n n：在某高温下，为使试件在在某高温下，为使试件在1010万小时内万小时内的塑性应变值不超过的塑性应变值不超过1%1%，允许试件能够承受的最高，允许试件能够承受的最高应力值，单位应力值，单位MPaMPa。 持久强度持久强度（D D ）：试件在某高温下，在规定的试件在某高温下，在规定的时间内不断裂所允许试件承受的最高应力，单位时间内不断裂所允许试件承受的最高应力，单位MPa MPa 。 36应力松弛：应力松弛：总变形量保持不变，初始的总变形量

13、保持不变，初始的弹性变弹性变形形随时间的推移逐渐转化为随时间的推移逐渐转化为塑性变形塑性变形并引起构件并引起构件内应力减小的现象内应力减小的现象 37材料塑性随温度降低而下降材料塑性随温度降低而下降材料对微观缺性的敏感性材料对微观缺性的敏感性：材料或构件中：材料或构件中的微观缺陷对构件出现脆性断裂的影响的微观缺陷对构件出现脆性断裂的影响 四四 金属的缺口冲击实验金属的缺口冲击实验38 将带有缺口具有标准尺寸的长方形试件放在摆将带有缺口具有标准尺寸的长方形试件放在摆锤式冲击试验机上锤式冲击试验机上, ,利用摆锤下落时的冲击力利用摆锤下落时的冲击力, ,将试将试件冲断的一种试验件冲断的一种试验金属

14、的缺口冲击试验金属的缺口冲击试验39冲击功冲击功A Akvkv ：摆锤冲断试件所消耗的功摆锤冲断试件所消耗的功 材料的冲击韧性材料的冲击韧性a akvkv= A= Akvkv /F(J/cm/F(J/cm2 2）40 冷脆现象冷脆现象：温度降低，：温度降低， A Akvkv , , a akvkv值下降值下降脆性转变温度脆性转变温度：防止材料出现脆性断裂，：防止材料出现脆性断裂，对明显冷脆现象的材料规定的温度。对明显冷脆现象的材料规定的温度。41五五. . 硬度的概念硬度的概念金属材料表面抵抗其它硬物压入的能力。金属材料表面抵抗其它硬物压入的能力。 硬度高材料强度也高，耐磨性较好；硬度高材料强度也高，耐磨性较好；综合性能指标。综合性能指标。42 常用硬度指标：常用硬度指标： 布氏硬度（布氏硬度（HBS);HBS); 洛氏硬度（洛氏硬度（HRAHRA、HRBHRB、HRC);HRC); 硬度和强度间有一定关系：硬度和强度间有一定关系： 如：低碳钢如：低碳钢b b36HBS;36HBS;43