第3章 材料的力学性能1分析.ppt

第三章 材料的力学性能 最常用的力学性质 人类最早利用的材料性质就是力学性质 材料的力学性质—是指材料在外应力作用下的行为。 形变—材料在外力作用下发生形状和尺寸的变化，称为形变。 最常用的力学性质包括： 最常用的力学性质 ①抗拉强度σb —表示材料最大的抵抗能力。 ②屈服强度σs —材料开始发生塑性变形时对应的应力。 ③弹性模量E —描述应力和应变之间的比例关系。 ④延伸率δ—表征材料的塑性程度。 ⑤断面伸缩率Ψ— ⑥冲击韧性αk —抗冲击的能力（主要用于低温） ⑦硬度G—描述材料软硬的程度等。 ⑧疲劳— 使用寿命。 力学性能 材料的强度是材料力学性能中最重要的一项，尤其对于结构材料来说，材料的强度更是决定该材料是否胜任实际要求的关键。所以设计和生产在室温及高温、低温下都具有相对强度的材料有着十分重要的实际意义。 力学性能 决定材料强度的关键因素 1. 原子之间的结合力 我们对原子之间的键合类型和结合力难以施加什么影响，难以去改变键合类型和结合力来强化材料。在这方面，一般常见的方法就是形成新的相（因为新相中的原子键合类型和结合力自然不同）。 力学性能 2. 位错 我们有很多方法来影响材料中的位错，通过影响位错的运动来达到强化材料的目的。所以可以说，近代金属物理领域中的最大成果就是关于材料中的位错的研究。 力学性能 提高材料屈服强度的方法很多： （1）通过热处理方法—方便，但要求它在固态下发生相变，满足这种要求的合金包括在固态下经历有序—无序转变的合金，伴随这一过程出现的材料强化称为有序强化，它在许多方面类似于沉淀强化。通常利用的与热处理有关的强化方式是过饱和固溶体的沉淀强化和共析分解反应的共析强化。如果该材料的相图中没有共析相变反应，自然不可能采用共析分解强化。 力学性能 （2）对于没有塑性变形的脆性材料，无法利用冷加工方法来强化材料。 表征材料力学性能的最常用的参数是拉伸试验所得到的屈服强度和断裂强度。弯曲试验常用来表示脆性材料的拉伸性能。硬度试验也可在一定程度上表示材料的拉伸强度。但是，即使材料工作的应力低于断裂强度或屈服强度，也并不意味着材料的使用就一定安全。如果材料所受的负载是动态而不是静态的，就要用冲击韧性来表示它的抗断裂性能。 力学性能 由于材料中总是免不了有裂纹产生，此时要用断裂韧性来表示这些裂纹在材料中的扩展行为。如果材料在高温下使用，即使它所受应力远远低于屈服应力，也可能发生塑性形变。此时要用蠕变强度来表示材料的性能。还有，如果所受应力为循环状态，那么材料的安全性也会打折扣。此时要用到疲劳强度的概念。 力学实验与材料性能 选材原则： ①分析材料使用环境—判断材料应具有什么性能? ②材料应具有—强度、刚度、韧性？ ③材料承受的载荷—周期性变化的、冲击、高温？ 拉伸实验 试验机：一般常用机械拉伸机、液压拉伸机。 拉伸实验 弯曲试验 对于塑性材料来说，工程应力—应变曲线通常会出现一个最大值。这个值就是塑性材料的抗拉强度。材料发生断裂时的工程应力却比较低，这是因为颈缩的出现减少了实际承载负荷的截面积。 对于大多数脆性材料来说，材料断裂发生在最大负载状态下，此时抗拉强度和断裂强度相等。对于极脆的材料，例如陶瓷，其屈服强度、抗拉强度和断裂强度完全相等，如图所示。 弯曲试验 硬度试验 定义：表示材料抵抗他物压入的能力。它在机械制造中具有特殊的意义。由硬度可大体推测材料的其它性质，如强度限、塑性等，利用硬度还可检查材料性质是否均匀以及构件表面处理的情况。 常用的硬度试验： 布氏硬度：只能测硬度小于HB450的材料 洛氏硬度：可测各种材料的硬度。但由于在不同硬度范围内所采用的标尺不同，所测硬度值不能直接换算。HRC一般最大为70。 为了使不同硬度材料有一个连续一致的硬度指标，所以引入了维氏硬度。HV可以到2000以上。而HRC70=HV1037；HB450≈HRC47。 冲击试验 一种材料可能具有很高的抗拉强度，但是在冲击负载条件下却可能无法应用。例如， 45﹟钢抗拉强度为σb=600kg/cm2、 αK =2.5kgm/cm2, 但起重机的吊钩就不能使用，要用20﹟钢（σb=410kg/cm2、 αK =5kgm/cm2）。 冲击试验 对于具有体心立方结构的碳钢来说，当温度低至一定值时，其冲击韧性会显著降低。例如，低碳钢A3（Q235）冲击韧性随温度的降低而减小，当温度降低到某一数值时，冲击韧度值突然降低（低碳钢的临界温度约为－30℃～－40℃），见图所示。所以起