第1章工程材料的力学性能

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1、第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 1工程材料机电学院 李延辉第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 2金属材料的力学性能金属材料的力学性能v静载时材料的力学性能静载时材料的力学性能静拉伸试验（弹性和刚度、强度、塑性）静拉伸试验（弹性和刚度、强度、塑性）硬度（布氏硬度、洛氏硬度）硬度（布氏硬度、洛氏硬度）v动载时材料的力学性能动载时材料的力学性能冲击韧性（冲击韧性（KU）疲劳强度疲劳强度v高温力学性能（蠕变、其它力学性能）高温力学性能（蠕变、其它力学性能）v断裂韧性断裂韧性第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 3v力学性能取决于什么？化学成分、微观结构。第一章 工程材料的力学

2、性能机电学院 李延辉 4第一节 材料的强度与塑性何谓强度？材料抵抗变形和断裂的能力。何谓塑性？断裂前材料产生永久变形的能力称为塑性。第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 5一、强度的分类第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 6拉伸试验第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 7两个概念应力与应变的表示方式第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 8拉伸应力-应变图1.弹性极限（e）表示材料保持弹性变形,不产生永久变形的最大应力,是弹性零件的设计依据。2.屈服点（s）表示金属开始发生明显塑性变形的抗力。3.强度极限(抗拉强度b)表示金属受拉时所能承受的最大应力。第一章 工程材料的

3、力学性能机电学院 李延辉 9拉伸应力-应变三个阶段1.弹性变形阶段 2.塑性变形阶段 3.断裂第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 10铸铁等材料没有明显的屈服现象,则用条件屈服点（0.2）来表示:产生0.2%残余应变时的应力值第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 11二、塑性断裂前材料产生永久变形的能力称为塑性,用伸长率和断面收缩率来表示。1.伸长率（）在拉伸试验中,试样拉断后,标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。2.断面收缩率（）v 试样拉断后,缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 12应力-应变曲线确定的力

4、学性能与指标v 应力：1.弹性模量 E=/是一个对组织不敏感的参数，取决于材料的本性，与显微组织无关。2.屈服强度s 负荷不增加而应变仍增大的现象称为屈服。3.抗拉强度b 材料承受的最大应力。第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 13应力-应变曲线确定的力学性能与指标v塑性 断后伸长率 =(L1-L0)/L0%断面收缩率 =(A0-A1)/A0%第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 14第二节 材料的硬度v硬度的定义 材料抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。工程上常用的硬度分类：1.布氏硬度（HB)2.洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)3.维氏硬度(

5、HV)第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 15布氏硬度第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 16布氏硬度试验第二节 材料的硬度第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 17布氏硬度的优缺点第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 18二、洛氏硬度第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 19第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 20硬度标尺与适用范围第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 21第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 22三、维氏硬度v 以49.03980.7N的负荷,将相对面夹角为136的方锥形金刚石压入材料表面,保持规定时间后，用测量压痕对角

6、线长度，再按公式来计算硬度的大小。v它适用于较大工件和较深表面层的硬度测定。维氏硬度尚有小负荷维氏硬度，试验负荷1.96149.03N，它适用于较薄工件、工具表面或镀层的硬度测定。第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 23第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 24第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 25第三节 材料的冲击韧度1.韧性？材料中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.冲击韧性？材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 26许多机械零件和工具在工作中,往往要受到冲击载荷的作用,如活塞销、锤杆、冲模和锻

7、模等.第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 27冲击韧度（KU）试验2 动载时材料的力学性能第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 28KAK/S J/cm2Ak=mg(H1-H2)其中：K（J/cm2）H（m）A（m2）m（kg）2 动载时材料的力学性能第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 29v冲击韧度随材料缺口的尖锐度、化学成分、晶粒大小等因素的变化而变化.同一种材料,其缺口越尖,晶粒越大则冲击韧度就越低第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 30材料的韧性随温度降低而下降。一些中低强度钢在某一温度以下有明显的冷脆性：冷脆性转化温度TK.脆性材料如陶瓷，一般不用冲击韧

8、度衡量其韧性第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 31第四节 材料的疲劳强度 轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力交变应力(也称循环应力也称循环应力)。在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为金属的疲劳断裂。疲劳破坏的发展过程疲劳破坏的发展过程:1.亚结构和显微结构发生变化，从而永久损伤形核。2.产生微观裂纹。3.微观裂纹长大并合并，形成“主导”裂纹。4.宏观主导裂纹稳定扩展。5.结构失稳或完全断裂。材料在交变应力下的

9、破坏，习惯上称为疲劳破坏。第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 33v材料承受的交变应力()与材料断裂前承受交变应力的循环次数(N)之间的关系可用疲劳曲线来表示。金属承受的交变应力越大,则断裂时应力循环次数N越少。当应力低于一定值时,试样可以经受无限周期循环而不破坏,此应力值称为材料的疲劳极限(亦叫疲劳强度)，用-1 表示。第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 34第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 35v疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。据统计，在机械零件失效中大约有80%以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以疲劳破坏经常造成重大事故，所以对于轴、齿轮、

10、轴承、叶片、弹簧等承受交变载荷的零件要选择疲劳强度较好的材料来制造。第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 36提高疲劳强度的措施v 疲劳裂纹主要形成于构件表面和应力集中部位。故提高疲劳强度应从以下方面着手：第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 37提高疲劳强度的措施第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 38部分工程材料的疲劳极限部分工程材料的疲劳极限-1（MPa）2 动载时材料的力学性能第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 39第五节 材料的断裂韧度断裂是工程上最危险的失效形式。特点：（a）突然性或不可预见性；（b）低于屈服力，发生断裂；（c）由宏观裂纹扩展引起。工程上

11、，常采用加大安全系数；浪费材料。但过于加大材料的体积，不一定能防止断裂。发展出断裂力学断裂力学的研究范畴：把材料看成是裂纹体，利用弹塑性理论，研究裂纹尖端的应力、应变，以及应变能分布；确定裂纹的扩展规律；建立裂纹扩展的新的力学参数（断裂韧度）。第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 40一、裂纹扩展的基本形式 1、张开型（I型）2、滑开型（II型）3、撕开型（III型）裂纹的扩展常常是组合式，I型的危险性最大。第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 41应力场强度因子KI 裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定其位置(,)外,还与强度因子K有关,对于确定的一点,其应力分量就由K决定.KI可

12、以反映应力场的强弱。称之为应力场强度因子。通式：a1/2裂纹长度；Y裂纹形状系数（无量纲量）；一般Y=12aYKI rKI 2 第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 42KI=Ya1/2 式中：Y_裂纹的几何形状因子;_外加应力（N/mm2）；a_裂纹的半长（mm）；KI_ 强度因子（MPam1/2或MNm-3/2）当KI达到临界值KIC时，零件内裂纹将发生失稳扩展失稳扩展而出现低应力脆性断裂低应力脆性断裂，而KIKIC时，零件安全可靠。K1C即为断裂韧度。4 断裂韧性第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 43常见工程材料的断裂韧度常见工程材料的断裂韧度K1C值（值（MNm-3/2

13、）4 断裂韧性第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 44 根据KI=Ya1/2KIC的临界判据知：为使零件不发生脆断，设计者可以控制三个参数：材料的断裂韧度KIC、名义工作应力和零件内的裂纹长度a，它们之间的定量关系能直接用于设计计算，可以解决以下三方面的工程实际问题：4 断裂韧性第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 451）根据零件的实际工作应力和其内可能的裂纹尺寸a，确定材料应有的断裂韧度KIC，为正确选材提供依据；2）根据零件所使用的材料断裂韧度KIC及已探伤出的零件内存在的裂纹尺寸a，确定零件的临界断裂应力C，为零件最大承载能力设计提供依据；3）根据已知材料的断裂韧度KIC

14、和零件的实际工作应力，估算断裂时的临界裂纹长度aC，为零件的裂纹探伤提供依据。4 断裂韧性第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 46物理性能物理性能:物理性能，不仅对工程材料的选用来说，有着重要的意义；而且也会对材料的加工工艺产生一定的影响。（一）密度（二）热学性能 熔点；热容；热膨胀；热传导（三）电学性能 电阻率；电阻温度系数；介电性（四）磁学性能 磁导率；饱和磁化强度Ms和磁矫顽力c5 材料的物理化学性能第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 47化学性能：化学性能：材料在生产、加工和使用时，均会与环材料在生产、加工和使用时，均会与环境介质发生化学反应境介质发生化学反应，从而使其

15、性能恶化从而使其性能恶化或功能丧失。或功能丧失。（一）化学腐蚀（一）化学腐蚀（二）电化学腐蚀（二）电化学腐蚀 (三）提高零件耐蚀性的主要措施铝三）提高零件耐蚀性的主要措施铝5 材料的物理化学性能第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 48 材料的工艺性能：材料的工艺性能：本课程则主要解决材料本身与其工艺性能的关系，主要加工工艺性能是：一铸造性能二锻造性能三焊接性能四切削加工性能五热处理性能6 材料的工艺性能第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 49课后作业：1、解释概念：b、s、E、HRC、KU2、将钟表发条拉成一直线后，将力释放，钟表发条可能发生什么变形？第一章 工程材料的力学性能机电学院 李延辉 501.某室温下使用的一紧固螺栓在工作时发现紧固力下降，试分析材料的何种性能指标没有达到要求？提出主要的可能解决措施。2.对自行车座位弹簧进行设计和选材，应涉及到材料的哪些主要性能指标？3.实际生产中，为什么零件设计图上一般是提出硬度技术要求而不是强度或塑性值？4.一般认为铝、铜合金的耐蚀性优于普通钢铁材料，试分析在潮湿性环境下铝与铜的接触面上发生腐蚀现象的原因。习 题