第一章 材料的力学性能73008.ppt

35 35 第一章 材料的力学性能 教学目标: １．了解材料的主要力学性能指标：屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性等力学性能及其测试原理； ２．强调各种力学性能指标的生产实际意义； ３．了解工程材料的物理性能、化学性能及工艺性能。　 金属的力学性能 定义 :金属材料的力学性能是指金属材料在不同环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。 指标 : 强度、刚度、弹性 、塑性 、 硬度、冲击韧性 、断裂韧度和疲劳强度等。 材料的其他性能 物理性能： 密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等； 化学性能： 耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等； 工艺性能： 铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性、热处理工艺性等。 材料性能一览表 第一节 强度和塑性 一、拉伸实验与拉伸曲线 1.拉伸试样 GB6397-86规定《金属拉伸试样》有： 圆形、矩形、异型及全截面． 常用标准圆截面试样。 长试样：L0=10d0; 短试样：L0=5d0 强度和塑性 op段：比例弹性变形阶段； pe段：非比例弹性变形阶段； 平台或锯齿（s段）：屈服阶段； sb段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。 b点：形成了“缩颈”。 bk段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点断裂。 断裂总伸长为Of，其中塑形变形Og(试样断后测得的伸长)，弹性伸长gf。 4.应力与应变曲线 二、强度和刚度 2.刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。 弹性模量：弹性下应力与应变的比值,表示材料抵抗弹性变形的能力。即：E=σ / ε 材料的E越大，刚度越大； E对组织不敏感； 零件的刚度主要决定于E，也与形状、截面等有关。 屈服强度的意义 2.屈强比（屈服强度与抗拉强度之比），衡量材料产生塑性变形的倾向，作为金属材料冷塑性变形加工和确定机件缓解应力集中防止脆性断裂的参考依据。 3.屈服强度和抗拉强度的比值增大，不利于应力集中部位通过局部塑性变形使应力重新分布、缓解应力集中，可能导致脆性断裂。 绝大多数零件工作时都不允许产生明显的塑性变形。 但也不能追求尽量高的屈服强度，根据具体的形状、尺寸及工作条件选择合适的屈服极限。 (2)抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力。 塑性好的材料可表示最大均匀变形的抗力，塑性差的材料即是其断裂抗力。 标志其在承受拉伸载荷时的实际承载能力，是高分子材料和陶瓷材料选材的重要依据。 表示材料抵抗断裂的能力。 是零件设计的重要依据；也是评定金属强度的重要指标之一。 (1)布氏硬度 HB ( Brinell-hardness ) (1)布氏硬度 HB ( Brinell-hardness ) (1)布氏硬度 HB ( Brinell-hardness ) (2)洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness ) (3)维氏硬度 HV( diamond penetrator hardness ) (3) 维氏硬度: (4) 里氏硬度: 冲击韧性( notch toughness ): 疲劳强度( fatigue strength ): 1943年美国T-2油轮发生断裂 断裂韧度: 高低温力学性能: 磨损性能: 比强度 ( specific strength ):材料的强度值与密度值之比疲劳断裂属于低应力脆断断裂时的应力远低于材料静载下的抗拉强度，甚至屈服强度；无论是韧性材料还是脆性材料断裂前均无明显的塑性变形，无征兆、突然发生的脆性断裂，危险性极大。机械零件的断裂失效中80%为疲劳断裂。 低应力脆断：由材料中的宏观裂纹扩展造成低于屈服强度的脆性断裂。 宏观裂纹：冶金缺陷（气孔、缩松、非金属夹杂）加工裂纹（热处理裂纹、焊接裂纹）使用裂纹（疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹） 断裂韧度：表征材料抵抗裂纹失稳扩展能力的力学指性能，KIC。 应力强度因子KI越大，裂纹尖端的应力场越强。 应用：设计，结构设计和材料选择。校核，计算临界裂纹尺寸，校核结构安全性。开发材料，设计材料的组织结构， 高温力学性能：蠕变，较高温度下，材料随时间延长逐渐发生缓慢塑性变形的现象，会导致蠕变断裂。金属、陶瓷在0.3~0.5倍熔点时会蠕变。高分子材料在室温就会蠕变。蠕变变形很小，只要求使用期限内不发生断裂。 低温力学性能：冷脆，温度降较低时，材料的硬度和强度增加，塑性和韧性下降，发生脆性断裂。金属和高分子材料较明显，陶瓷除外。 低温脆断，开始后极快速发展，事先无明显征兆。材料的抗脆断设计应使其使用温度高于其韧脆转变温度。 * * 拉伸试样 2.拉伸过程 拉伸试样的颈缩现象 拉伸试验机 3.拉伸曲线 Δl F Δl b Δl u Δl Fb b k Fs so g f