基础学科工程材料第二章

1、 余海东余海东手手 机机 ： E-mail： 2. 金属材料的力学性能金属材料的力学性能2结晶结晶热处理热处理化学成分化学成分加工工艺加工工艺组织结构组织结构性能性能课程任务塑性变形塑性变形3金属材料的性能-案例4金属材料的性能-案例 TITANIC的沉没与船体材料的质量的沉没与船体材料的质量直接有关，材料的冲击韧性随温度下降直接有关，材料的冲击韧性随温度下降而下降，没有考虑到温度效应，在低温而下降，没有考虑到温度效应，在低温条件下韧性材料会变脆。条件下韧性材料会变脆。Titanic近代船用钢板近代船用钢板5金属材料的性能-案例6金属材料的性能使用性能工艺性能力学性能物理性能化学性能铸造性能锻

2、造性能切削性能焊接性能热处理弹性、刚度、强度、硬弹性、刚度、强度、硬度、塑性、疲劳强度度、塑性、疲劳强度制造工艺过程中材料适应加工的性能在使用条件下所表现出来的性能金属材料铸造成形获得优良铸件的能力。金属材料用锻压加工方法成形的适应能力。金属材料对焊接加工的适应性。用切削后的表面粗糙度和刀具寿命来表示。 考虑其淬透性, 即钢接受淬火的能力。7材料的力学性能(机械性能) 弹性和刚度：抗变形能力 强度抵抗塑性变形或断裂的能力 塑性断裂前金属材料产生永久变形的能力 冲击韧性材料抵抗冲击载荷作用的能力 疲劳强度金属经受交变低应力作用，不使金属断裂的 最大应力 硬度材料抵抗另一硬物体压入其内的能力，即

3、受压时抵抗局部塑性变形的能力力学性能材料在外加载荷作用时所表现出来的性能。力学性能材料在外加载荷作用时所表现出来的性能。8材料的力学性能常见载荷 拉伸载荷 剪切载荷Ski lift (photo courtesy P.M. Anderson)FF9材料的力学性能常见载荷Canyon Bridge, Los Alamos, NM 压缩载荷 弯曲载荷10 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。 外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。 外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。 五万吨水压机五万吨水压机材料的力学性能变形11弹性变形是可回复的变形!弹性变形2.加载Fdbonds stretc

4、h1. 初始3. 卸载初始状态Fd线弹性 非线弹性12塑性变形(金属)Fdd塑性 Fd弹性+塑性d塑性1. 初始2.加载3. 卸载塑性变形是不可回复的变形!13材料的力学性能单向拉伸试验拉伸是最基本的力学性能实验，通过拉伸能测定出材拉伸是最基本的力学性能实验，通过拉伸能测定出材料一些基本力学参数，如弹性模量、强度、塑性等。料一些基本力学参数，如弹性模量、强度、塑性等。力传感器位移传感器14低碳钢的应力低碳钢的应力- -应变曲线应变曲线工程应力工程应力 = P/F0工程应变工程应变 = (l-l0)/l0材料的力学性能应力应变曲线15材料的力学性能应力应变曲线q 弹性变形阶段（p点：弹性极限）q

5、 屈服阶段（ e点：屈服极限）q 强化阶段（ b点：强度极限）q 颈缩阶段q 断裂（K点：延伸率、断面收缩率）低碳钢的应力低碳钢的应力- -应变曲线应变曲线k16材料的力学性能17材料的力学性能弹性和刚度弹性和刚度弹性：指标为弹性极限，即材料承受最大弹性变形时的应力。刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量E。 ）（MPatgE18材料的力学性能强度强度强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。条件屈服强度0.2：残余变形量为0.2%时的应力值。抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。0.219塑性：金属材料在断裂前产生永久变形的能力。

6、 延伸率：%100001llld%100010 FFF 断面收缩率：d d5%5%脆性材料脆性材料d d5%5%塑性材料塑性材料 材料的力学性能20应力与应变工程应力0PA工程应变0ll真应力PA真应变0ln()ln(1)olldllll设材料不可压缩0 0A lAl0000APP leAAA l真应力与名义应力应变之间关系(1)材料的力学性能21材料的力学性能冲击韧性冲击韧性材料抵抗冲击载荷作用的能力材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧性。称为冲击韧性。 用摆锤冲击弯曲试验来测定。用摆锤冲击弯曲试验来测定。测得试样冲击吸收功，用符号测得试样冲击吸收功，用符号AkAk表示。表示。用冲击吸收功除

7、以试样缺口处用冲击吸收功除以试样缺口处截面积截面积S0 , S0 , 得到材料的冲击韧得到材料的冲击韧度度akak。数值越大数值越大, ,表明材料韧性越好。表明材料韧性越好。22韧性断口形貌韧性断口形貌（SEM）脆性断口形貌脆性断口形貌（SEM）材料的力学性能23细观尺度上的微孔洞形核细观尺度上的微孔洞形核球磨铸铁断口形貌球磨铸铁断口形貌 材料的力学性能24材料的力学性能 断裂韧性应力集中现象应力集中现象应力强度因子应力强度因子航天飞机航天飞机: Colombia (2003.2)25材料的力学性能 断裂韧性precrack应力强度因子应力强度因子KFSa(,/ )FF geometry a

8、b unitsof K :MPamor ksi in26bta材料的力学性能 断裂韧性断裂韧性载荷载荷-位移曲线位移曲线( ,)QiQKf a P27材料的力学性能疲劳强度疲劳强度28材料的力学性能疲劳强度材料的材料的S-N曲线曲线疲劳破坏断口形貌疲劳破坏断口形貌29材料的力学性能疲劳极限疲劳极限疲劳极限 0.5b载荷，尺寸，表面粗糙度，温度等30硬度：材料抵抗另一硬物体压入其内的能力 布氏硬度： HBS（钢球）、HBW（硬质合金） 洛氏硬度： HRA、HRB、HBC材料的力学性能31材料的力学性能布氏硬度布氏硬度:一定直径的钢球或硬质合金球在一定载荷作用下压一定直径的钢球或硬质合金球在一定载

9、荷作用下压入试样表面。测量压痕直径入试样表面。测量压痕直径, 计算硬度值。计算硬度值。优点：具有较高的测量精度，压坑面积大，能反映材料的平均特性优点：具有较高的测量精度，压坑面积大，能反映材料的平均特性 可以估算极限拉伸强度可以估算极限拉伸强度缺点：不能测量高硬度材料缺点：不能测量高硬度材料32 120HBS10/1000/30 表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。 压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。材料的力学性能33 硬度：材料抵抗另一硬物体压入其内的能力硬度：材料抵抗另一硬物体压入其内的能力, ,即材料受压时抵即材料受压时抵抗局部塑性变形的能力。抗局部塑性变形的能力。材料的力学性能34材料的力学性能洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度计采用金刚石压头(或钢球压头)， 加预载荷F0 ，压入深度h0 。再加主载荷F1 。卸去主载荷F1，测量其残余压入深度h, 用h与h0之差h来计算洛氏硬度值。硬度直接从硬度计表盘上读得。35符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。根据压头的种类和总载荷的大小洛氏硬度常用表示方式有: HRA、HRB、HRC洛氏硬度材料的力学性能