第一章工程材料的力学性能

第一章工程材料的力学性能第1页，共42页，2023年，2月20日，星期三材料的力学性能定义:

材料的力学性能是指材料在不同环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。

指标:

弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧性、断裂韧度和疲劳强度等。第2页，共42页，2023年，2月20日，星期三第一节静载时材料的力学性能*拉伸试验及拉伸曲线*拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义一.静拉伸试验第3页，共42页，2023年，2月20日，星期三微机屏显式液压万能试验机可用于各种金属材料，非金属材料的拉伸，压缩，弯曲，剪切等力学性能试验。

第4页，共42页，2023年，2月20日，星期三拉伸试样：GB6397-86规定《金属拉伸试样》有：圆形、矩形、异型及全截面．常用标准圆截面试样。长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0第5页，共42页，2023年，2月20日，星期三

低碳钢拉伸曲线拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线：第6页，共42页，2023年，2月20日，星期三op段：比例弹性变形阶段；pe段：非比例弹性变形阶段；平台或锯齿（s段）：屈服阶段；sb段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。b点：形成了“缩颈”。bk段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点断裂。断裂总伸长为Of，其中塑形变形Og(试样断后测得的伸长)，弹性伸长gf。Δl

FΔl

bΔl

uΔl

Fbbk

Fsso

g

fe

Fep

Fp拉伸曲线第7页，共42页，2023年，2月20日，星期三应力σ：单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积S0表示:F 载荷(N)σ=——(Mpa) S0 原始横截面积(mm2)应变ε：单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原始标距表示:

Δl 伸长量(mm)

ε=——

l0

原始长度(mm)应力－应变曲线（σ-ε曲线）:形状和拉伸曲线相同，单位不同σbσsσeεσ应力与应变曲线第8页，共42页，2023年，2月20日，星期三二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义1．刚度和弹性

刚度材料在受力时，抵抗弹性变形的能力。

E=σ/ε杨氏弹性模量

GPa,MPa

本质是：反映了材料内部原子结应力的大小，组织不敏感的力系指标。

弹性：材料不产生塑性变形的情况下，所能承受的最大应力。

比例极限：σp=Fp/Ao

应力――应变保持线性关系的极限应力值

第9页，共42页，2023年，2月20日，星期三2.刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。弹性模量：弹性下应力与应变的比值,表示材料抵抗弹性变形的能力。即：

E=σ/ε材料的E越大，刚度越大；E对组织不敏感；零件的刚度主要决定于E，也与形状、截面等有关。E=σ/ε

1.弹性:金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。弹性变形:随载荷撤除而消失的变形。（一）、弹性与刚度第10页，共42页，2023年，2月20日，星期三弹性极限:

Fe弹性极限载荷(N)

σe=(Mpa)

S0

试样原始横截面积(mm2)σe

e第11页，共42页，2023年，2月20日，星期三（二）强度:

材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。种类:

抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。

1、屈服点与屈服强度:

产生明显塑性变形的最低应力值.

Fs

σs

=

(MPa)

S0试样屈服时的载荷(N)试样原始横截面积(mm2)σs第12页，共42页，2023年，2月20日，星期三

屈服强度(塑性变形量为0.2%，微量塑性变形)σ0.2：试样产生残余塑性变形0.2%时的应力试样产生0.2%残余塑性变形第13页，共42页，2023年，2月20日，星期三

屈服强度(塑性变形量为0.2%，微量塑性变形)

F0.2

σ0.2

=

(MPa)

S

0

试样原始横截面(mm2)试样产生0.2%残余塑性变形时的载荷(N)

屈服点σs、屈服强度σ0.2是零件设计的主要依据；也是评定金属强度的重要指标之一。第14页，共42页，2023年，2月20日，星期三它表示材料抵抗断裂的能力。是零件设计的重要依据；也是评定金属强度的重要指标之一。

F

b

试样断裂前的最大载荷(N)

σb

=

(MPa)

S

0

试样原始横截面积(mm2)σbσsσe2、抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力。第15页，共42页，2023年，2月20日，星期三（三）、塑性:是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。

1、断面收缩率:

是指试样拉断处横截面积的收缩量Δ

S与原始横截面积S0之比。2、伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量Δ

L

与原始标距L0之比。

S0-S1

ψ=——-—×100%S0

l1

-

l0

δ=——-—×100%l0第16页，共42页，2023年，2月20日，星期三δ<2~5% 属脆性材科δ≈5~10% 属韧性材料δ>10% 属塑性材料思考:同一材料δ5＞

δ10？δδuδbσbσsσeεσEδ塑性指标不直接用于计算，但任何零件都需要一定塑性。防止过载断裂；塑性变形可以缓解应力集中、削减应力峰值。第17页，共42页，2023年，2月20日，星期三延伸率

延伸率与试样尺寸有关；δ5、δ10(L0=5d,10d)思考:同一材料δ5＞

δ10？断面收缩率

>时，无颈缩，为脆性材料表征；

<时，有颈缩，为塑性材料表征。断裂后拉伸试样的颈缩现象第18页，共42页，2023年，2月20日，星期三拉力试样的原标距长度为50mm，直径为10mm，经拉力试验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为71mm，颈缩区的最小直径为4.9mm，试求该材料的伸长率和断面收缩率的值？练习题一解：δ５=[（71-50）/50]x100%=42%S0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2)S1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2)Ψ=[(S0-S1)/S0]x100%=24%第19页，共42页，2023年，2月20日，星期三某工厂买回一批材料（要求：бs≥230MPa；бb≥410MPa；δ5≥23%；ψ≥50%）．做短试样（ｌ0=5ｄ0；ｄ0=10mm）拉伸试验，结果如下：Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;问买回的材料合格吗？练习题二第20页，共42页，2023年，2月20日，星期三解：根据试验结果计算如下：бs＝Fs／s０＝(19x1000)/(3.14x52)=242 ＞230MPa бb＝Fb／s０＝(34.5x1000)/(3.14x52)=439.5＞410MPa δ5＝[Δl

／l0]x100%＝[(63.1-50)/50]x100%=26.2%＞23%ψ＝[ΔS

／S0]x100%＝60.31%＞50%材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格。某工厂买回一批材料（要求：бs≥230MPa；бb≥410MPa；δ5≥23%；ψ≥50%）．做短试样（ｌ0=5ｄ0；ｄ0=10mm）拉伸试验，结果如下：Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;问买回的材料合格吗？第21页，共42页，2023年，2月20日，星期三二、材料的硬度抵抗外物压入的能力，称为硬度――综合性能指标。1．布氏硬度：第22页，共42页，2023年，2月20日，星期三压头为钢球时，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。压头为硬质合金时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。第23页，共42页，2023年，2月20日，星期三布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。

符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如: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。第24页，共42页，2023年，2月20日，星期三h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计10HRC≈HBS2．洛氏硬度：第25页，共42页，2023年，2月20日，星期三2．洛氏硬度按压头和载荷的不同，有：B、C、A三种：表1-1①HRA硬、薄试件，如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。②HRB轻金属，未淬火钢，如有色金属和退火、正火钢等。③HRC较硬，淬硬钢制品；如调质钢、淬火钢等。洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。缺点：测量结果分散度大。第26页，共42页，2023年，2月20日，星期三维氏硬度试验原理维氏硬度计3.维氏硬度第27页，共42页，2023年，2月20日，星期三维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点：既可测量由极软到极硬的材料的硬度，又能互相比较。既可测量大块材料、表面硬化层的硬度，又可测量金相组织中不同相的硬度。

第28页，共42页，2023年，2月20日，星期三

材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。第二节动载时材料的力学性能一、冲击韧度第29页，共42页，2023年，2月20日，星期三冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图第30页，共42页，2023年，2月20日，星期三试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:

Ak=mgH–mgh(J)

冲击韧度值ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。

AK

ak

=(J/cm²)S0第31页，共42页，2023年，2月20日，星期三ak值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状。ak值高，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性材料。材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。第32页，共42页，2023年，2月20日，星期三二、疲劳强度表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。第33页，共42页，2023年，2月20日，星期三疲劳强度

（80%的断裂由疲劳造成）疲劳：承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化，交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。第34页，共42页，2023年，2月20日，星期三钢材的循环次数一般取N=107有色金属的循环次数一般取

N=108钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:

σ-1

=(0.45～0.55)σb第35页，共42页，2023年，2月20日，星期三疲劳强度σ-1

：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。条件疲劳极限：经受107应力循环而不致断裂的最大应力值。陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低，金属材料疲劳强度较高，纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能。影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余应力等。第36页，共42页，2023年，2月20日，星期三1943年美国T-2油轮发生断裂第37页，共42页，2023年，2月20日，星期三轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳断口通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。第38页，共42页，2023年，2月20日，星期三第三节材料的断裂韧性

1．问题的提出低应力脆断――断裂力学断裂韧性是量度材料抵抗裂纹失稳扩展阻力的物理量,是材料抵抗应力脆性断裂的韧性参数.

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