工程材料的力学性能

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.弹性模量EOA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。/Ees0.2•4.抗拉强度σb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δ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ψ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%100001LLL%100010SSS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：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450HBS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。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第二节材料的硬度硬度标尺硬度符号压头类型初载荷P0/N主载荷P1/N应用举例AHRA金刚石圆锥98.07490.3碳化物、硬质合金、表面淬火钢等BHRB1.588mm钢球98.07882.6软钢、退火钢、铜合金等CHRC金刚石圆锥98.071373淬火钢、调质钢等表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2/1.8554/vHVFAFd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。载荷范围/N实验名称P≥49.03维氏硬度试验1.961≤P＜49.03小负荷维氏硬度试验0.09807≤P＜1.961显微维氏硬度试验表1-2维氏硬度的测定方法(GB/T4340.1-1999)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αk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：Ak=mg(H1-H2)单位：J冲击韧度：αk=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σ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σ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σr表示(r为应力比)。对于对称循环交变应力的疲劳极限用σ-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裂韧性。油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关。第五节材料的断裂韧度材料不发生脆断的条件：IICKK第五节材料的断裂韧度应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。aYKICCICaYK断裂韧性：材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。C为断裂应力，aC为临界裂纹半长，单位为MN/m3/2