第一章 材料的力学行为和性能1

主编：杨慧智出版社：机械工业出版社出版日期：2011年8月第三版材料科学制备绪论第12章机械零件用材料及成形工艺的选择材料理论基础常见工程材料材料基本成形工艺第一章材料的力学行为与性能

院系：机械工程学院主讲人：张玉碧联系方式箱：zhgyubi@第一章材料的力学行为和性能

本章重点：材料的强度、硬度、塑性、韧性等静态力学性能的基本概念及应用。

本章难点：低应力脆断和材料的断裂韧性。学习目标：熟悉常用力学性能指标的测试方法，掌握材料力学性能的表示方法及其应用。主要内容第一节在载荷作用下的力学行为第二节材料的静态力学性能第三节材料的动态力学性能第四节断裂韧性第五节材料的高、低温性能第一节材料在载荷作用下的力学行为

一、弹性变形、塑性变形和断裂材料在载荷作用下的行为，称之为力学行为。（1）弹性变形：去除外力，物体发生变形消失，回复原状的变形。（2）塑性变形：不能完全消失而一部分保留，进入塑性变形阶段。（3）断裂：塑性变形产生的裂纹进一步扩展导致断裂。韧性断裂和脆性断裂二、服役条件和应力和应变1、服役条件：指零件在工作过程中承受的温度、介质环境、加载速度和载荷作用方式。材料的高、低温性能，电场、磁场、辐射性能。应力：单位面积上所受的力。应变：单位长度的伸长量。二、服役条件和应力和应变第二节材料的静态力学性能一、拉伸试验及材料的强度与塑性左图为拉伸试验机下图为拉伸试验过程中试样的变形及断裂。由上图可知：在拉伸载荷作用下，试样的变形分为三个阶段：弹性变形阶段；塑性变形阶段；断裂阶段。在拉伸试验过程中，可测定的主要力学性能指标有：(1)屈服强度σs

,(2)抗拉强度σb,(3)弹性模量E，(4)断面收缩率Ψ,(5)断后伸长率δ。

F0.2

σ0.2=

(Mpa)

S0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)S0-Sk

ψ=×100%S0Fb

σb

=

(Mpa)

S0试样原始横截面(mm2)Fb

试样断裂前的最大载荷(N)

Lk–L0δ=×100%L0

δ<2~5%

属脆性材料，δ≈5~10%属韧性材料，δ>10%属塑性材料。其断口特征如图所示低碳钢力-拉伸曲线示意图低碳钢应力-应变曲线(a)陶瓷(b)低碳钢(c)橡皮的拉伸应力-应变曲线塑胶件的拉伸应力-应变曲线大理岩的三向压缩应力-应变曲线混凝土的拉伸应力-应变曲线合成纤维的拉伸应力-应变曲线铝合金的拉伸应力-应变曲线二、硬度硬度:指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力。1.布氏硬度（HBW）布氏硬度试验机布氏硬度试验机测试原理表示方法：120HBW10/1000/30；后面的数字依次表示：（1）球体直径；（2）试验力；（3）试验力保持时间（10~15s不标注）。主要用于测定组织粗大且不均匀的金属材料的硬度，如铸钢、铸铁、供应态钢材等。硬度标尺：HRA、HRB、HRC。其中C标尺最常用。在批量的成品或半成品质量检验中广泛使用.2.洛氏硬度2.洛氏硬度洛氏硬度表示方法：50HRC，80HRB，60HRA3.维氏硬度3.维氏硬度表示方法：如：640HV30/20测量精度高、范围广，但比较麻烦，主要用于研究工作。注：各硬度值之间大致有以下关系：布氏硬度值在200-600范围内，HBW≈10HRC；布氏硬度值小于450HBS，HBW≈HV参考书目：1、材料力学性能，刘春廷化，学工业出版社，2009年2、材料力学性能，时海芳，任鑫，北京大学出版社，2006年3、GB/T10623-2008金属材料力学性能试验术语，2008年课后习题：系统的了解各种金属材料的强度、硬度、的测试仪器及测试方法。欢迎进入下一节的学习谢谢大家！第三节材料的动态力学性能动载荷：指突加的、冲击性的及大小、方向随时间而变化的载荷。静载荷：加载方式不影响材料的变形行为，加载速率较慢的载荷。一、冲击韧性韧性：材料在断裂前吸收变形能量的能力。影响材料韧性的因素：材料自身、加载速率、应力状态、温度、介质等。冲击韧性：材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。工程中采用的表征方法：带缺口的试样，使之在冲击载荷下折断，计算其吸收的能量。第三节材料的动态力学性能试样冲断时所消耗的冲击吸收功Ak为:Ak=mgH–mgh(J)冲击韧度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疲劳断裂：材料在循环载荷的作用下，即使所受应力低于屈服强度也常常发生断裂，这种现象称之疲劳断裂。危害：没有明显的塑性变形，难以检测和预防。疲劳强度：表示材料经无数次应力循环仍不断裂的最大应力值，用以表征材料抵抗疲劳断裂的能力。测试方法：旋转弯曲疲劳试验。二、疲劳强度二、疲劳强度工程上规定，材料在循环应力作用下达到某一基数N而不断裂时，其最大应力就作为该材料的疲劳极限。光滑试样测得的疲劳强度用σ-1表示。疲劳曲线：材料所承受的应力与其断裂前的应力循环次数N的关系曲线称为疲劳曲线。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如何避免疲劳断裂：措施1：改善加载方式，加载在金属上的强度不能忽大忽小。措施1：改善零件的结构形式，避免尖角、降低表面粗糙度等避免应力集中。措施2：表面强化，表面淬火，表面热处理，化学热处理，喷丸，滚压，镀层等。第四节断裂韧性美国在二战期间有5000艘全焊接的“自由轮”，其中有238艘完全破坏，有的甚至断成两截。20世纪50年代，美国发射北极星导弹，其固体燃料发动机壳体采用了高强度钢D6AC,屈服强度为1400MPa，按照传统的