工程材料的力学性能

1、第一章 工程材料的力学性能,第一节 材料的强度和塑性,材料的三种变形： 弹性变形无破坏、可回复的变形 塑性变形无破坏、不可回复的变形 断裂有破坏、不可回复的变形,第一节 材料的强度和塑性,强度：金属材料在外力作用下抵抗塑性 变形和断裂的能力。,第一节 材料的强度和塑性,塑性：金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力 。,第一节 材料的强度和塑性,拉伸试验和拉伸曲线,第一节 材料的强度和塑性,低碳钢的应力-应变曲线,拉伸试样,拉伸试验机,应力 = F/S 应变 = (L-L0)/L0,第一节 材料的强度和塑性,低碳钢的应力-应变曲线,第一节 材料的强度和塑性,衡量强度的性能指标：,1. 弹

2、性模量E OA段斜率即为材料的E： 2. 弹性极限 弹性变形阶段所承受的最大应力值，MPa 。 3. 屈服点 材料产生屈服现象时的最小应力值，MPa。有些金属材料，如高碳钢、铸铁等，在拉伸试验中没有明显的屈服现象。所以国标中规定，以试样的塑性变形量为试样标距长度的0.2%时的应力作为屈服强度，用 表示。屈服强度反映材料抵抗永久变形的能力，是最重要的零件设计指标之一。,4.抗拉强度b 变形超过D点后，试样开始发生局部塑性变形，即出现颈缩，随应变增加，应力明显下降，并迅速在E点断裂。D点所对应的应力为材料断裂前所承受的最大应力，称为抗拉强度。抗拉强度反映材料抵抗断裂破坏的能力，也是零件设计和评价材

3、料的重要指标。,第一节 材料的强度和塑性,退火态低碳钢的应力应变曲线,第一节 材料的强度和塑性,1纯金属, 2脆性材料, 3高弹性材料,其他材料的应力应变曲线,第一节 材料的强度和塑性,衡量塑性的性能指标：,1. 伸长率 试样拉断后标距长度的伸长量与原始标距长度的百分比 ： 2. 断面收缩率 试样拉断后，缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比 ：,第一节 材料的强度和塑性,第二节 材料的硬度,硬度：材料抵抗其他硬物压入其表面的能力。硬度是衡量材料软硬程度的指标，它表示材料在外力作用下抵抗局部塑性变形的能力。 布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度,第二节 材料的硬度,1. 布氏硬度HB,测量压头：

4、直径为D的淬火钢球或硬质合金球,第二节 材料的硬度,当压头为钢球时,布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450 HBS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650HBS以下的材料。 表示方法：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。 优点：测量误差小、数据稳定。 缺点：压痕大，不能用于太薄件或成品件。最常用的钢球压头适于测定退火钢、正火钢、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。

5、,第二节 材料的硬度,图1-5 洛氏硬度的试验原理,在初载荷和总载荷（初载荷与主载荷之和）的先后作用下，将压头（金刚石圆锥体或钢球）压入试样表面，保持一定时间后卸除主载荷，用测量的残余压痕深度增量计算硬度值。,2. 洛氏硬度HR,第二节 材料的硬度,表1-1 常用洛氏硬度的符号、试验条件及应用,第二节 材料的硬度,实际测量时，硬度值可直接从洛氏硬度计的表盘上直接读出。,第二节 材料的硬度,优点：操作简便、压痕小、适用范围广。 缺点：测量结果分散度大。,将顶部两相对面具有规定角度（136）的正四棱锥体金刚石压头在载荷P的作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，所施加的载荷与压痕表面积的比值即

6、为维氏硬度。,3.维氏硬度HV,维氏硬度的试验原理,第二节 材料的硬度,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。,表1-2 维氏硬度的测定方法(GB/T 4340.1-1999),第二节 材料的硬度,第三节 材料的冲击韧度,1.韧性 材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力，是塑性和强度的综合表现。 2. 材料的冲击性能 以较高速度作用于零件上的载荷叫冲击载荷，材料抵抗冲击载荷的能力就叫冲击性能。,第三节 材料的冲击韧度,冲击韧度k 材料在冲击载荷作用下抵抗变形、断裂的能力。,一次摆锤冲击试验,冲击吸收功：A

7、k=mg(H1-H2) 单位：J 冲击韧度：k=Ak/S 单位：J/cm2,第三节 材料的冲击韧度,图1-8 标准夏比缺口冲击试样,第三节 材料的冲击韧度,图1-9 韧脆转变温度曲线示意图,第三节 材料的冲击韧度,材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内Ak值发生急剧下降的现象称为韧脆转变，发生韧脆转变的温度范围称为韧脆转变温度。,常在低温下服役的船舶、桥梁等结构材料的使用温度应高于其韧脆转变温度，如果使用温度低于韧脆转变温度，则材料处于脆性状态，可能发生低应力脆性破坏。,第三节 材料的冲击韧度,第四节 材料的疲劳强度,实际工作中的构件常常是在交变载荷的作用下，材料常常在远低于其屈服强

8、度的应力下发生断裂，这种现象称为疲劳。如发动机的轴、齿轮等均受交变载荷作用。实际服役的金属材料有90%是因为疲劳而破坏。疲劳破坏是脆性破坏，它的一个重要特点是具有突发性，因而更具灾难性。,第四节 材料的疲劳强度,1.交变应力 应力的大小和方向都随时间呈周期性循环变化。,几种常见的交变应力,第四节 材料的疲劳强度,2. 疲劳断裂 材料在交变应力作用下发生断裂的现象。,疲劳断裂的内燃机曲轴,第四节 材料的疲劳强度,材料承受的交变应力与断裂时应力循环次数N之间的关系可用疲劳曲线来描述。随下降，N值增加，材料经无数次应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳强度（疲劳极限),用r 表示(r为应力比)。

9、对于对称循环交变应力的疲劳极限用-1表示。,疲劳曲线示意图,3. 疲劳强度（疲劳极限）,第四节 材料的疲劳强度,实际应用中，作无限次应力循环的疲劳试验是不可能的，对于钢铁材料，一般规定疲劳极限对应的应力循环次数为107，有色金属为108。,疲劳断口的形貌：疲劳裂纹扩展区，疲劳源区，最后断裂区,第四节 材料的疲劳强度,提高疲劳强度的方法： 设计时，尽量避免尖角、缺口和截面突变，可避免应力集中引起的疲劳裂纹； 降低表面粗糙度，减少疲劳源 ； 采用表面强化的方法(如表面淬火、喷丸处理、表面滚压等)来提高疲劳强度。,第四节 材料的疲劳强度,第五节 材料的断裂韧度,断裂力学认为，材料中存在缺陷是绝对的，常见的缺陷是裂纹。在应力的作用下，这些裂纹将发生扩展，一旦扩展失稳，便会发生低应力脆性断裂。材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力称为断