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工程材料与材料成形基础 * 工程材料与材料成形基础 2-* 第 一 章 金属的力学性能 工程材料的性能可分为： 使用性能 —— 在正常工作条件下，材料应具备的性能 力学性能，物理性能，化学性能 工艺性能 —— 材料在加工制造中表现出的性能，显示了加工制造的难易程度 铸造性，锻造性，焊接性，切削加工性，热处理性 经济性 原材料价格，加工费用，采购与管理费用 * 工程材料与材料成形基础 2-* 材料的工艺性能 * 工程材料与材料成形基础 2-* * 工程材料与材料成形基础 2-* 材料的力学性能 —— 材料在外力作用下表现出的性能，显示了材料抵抗外力的能力。 （材料的力学性能通常是在试验室内模拟生产条件来确定合适的试验方法。利用不同的试验方法来确定材料的力学行为特征及评定材料力学性能的指标。这些性能指标是材料设计、材料选用、工艺评定以及材料检验的重要依据。） 常用的力学性能有：强度，塑性，硬度，冲击韧度， 疲劳极限和断裂韧度，弹性，刚度 * 工程材料与材料成形基础 2-* 静拉伸试验 * 工程材料与材料成形基础 2-* 拉伸曲线 弹性变形——外力去除后能完全消失的变形 塑性变形——外力去除后不能消失的变形 变形过程： oe为纯弹性变形阶段 外力去除后试样完全恢复原状 e以上为弹塑性变形阶段 es为屈服阶段 外力不增加，试样明显伸长 sb为大量塑性变形阶段 外力增加不多，试样明显伸长 bk为缩颈阶段 试样出现集中变形，抵抗外力能力下降 ob为均匀变形 F(N) Fb Fs Fe o L % * 工程材料与材料成形基础 2-* 应力-应变曲线（σ-ε曲线） 变换： F/S0 = σ (MPa) S0 为试样原始截面积(mm2) L/ L0 = ε （%） L0 为试样标距长度 转化： 纵坐标：以应力σ表示，横坐标：以应变ε表示， 这时的曲线与试样的尺寸无关。从σ-ε曲线中可以得到两个重要的力学性能指标：强度，塑性。 怎样比较不同材料抵抗外力能力的大小？ p e s b * 工程材料与材料成形基础 2-* 强度 —— 材料抵抗变形和破坏的能力 比例极限：外力与变形成正比时的最大应力 σp = Fp/So 弹性极限：保持纯弹性变形的最大应力 σe = Fe/So 屈服强度：产生屈服时的应力（屈服点） σs = Fs/So 用于有明显屈服现象的材料 规定残余伸长应力：产生0.2%残余伸长率时的应力 σr0.2 过去叫条件屈服强度： σ0.2 抗拉强度：断裂前最大载荷时的应力（强度极限） σb = Fb/So * 工程材料与材料成形基础 2-* 塑性 —— 产生塑性变形而不断裂的能力 断后伸长率（延伸率） δ = [( L1 - L0 )/ L0 ]╳100% 断面收缩率 ψ = [( S0 - Sk )/S0 ] ╳100% δ和ψ越大，材料的塑性越好 塑性对材料的意义： 提高安全性 便于压力加工成型 * 工程材料与材料成形基础 2-* 冲击试验 * 工程材料与材料成形基础 2-* 冲击韧度 冲击韧度 αk = Ak/SN （J/cm2） Ak —— 冲击功 （摆锤冲断试样所失去的能量，即对试样断裂所作的功） SN —— 试样缺口处截面积 冲击韧度反应了材料抵抗冲击载荷的能力 冲击韧度对材料的意义： αk 对材料内部缺陷很敏感，可用来鉴定材料的冶金质量、热加工质量 αk 随温度降低而下降，可用来评定材料的冷脆现象 αk 韧脆转变温度 ℃ * 工程材料与材料成形基础 2-* 泰坦尼克的教训 * 工程材料与材料成形基础 2-* 疲劳极限 交变应力：大小、方向随时间 周期性变化的应力 疲劳现象：材料在交变载荷长期作用下，无明显塑性变形就断裂 重复应力：方向不随时间变化 t σ t σ 疲劳试验 疲劳曲线 疲劳极限 —— 材料经无限多次应力循环而不断裂的最大应力。它表 示材料抵抗疲劳断裂的能力。 纯弯曲疲劳极限用σ-1表示 * 工程材料与材料成形基础 2-* 断裂韧度 影响材料疲劳极限的因素： 工作条件（温度、环境、频率、……） 零件外形（尺寸变化、粗糙度、缺口、……） 材质（组织、缺陷、夹杂、……） 2a σ σ 应力场强度因子 KI =Yσ(a)1/2 Y 是裂纹形状系数 σ是外加拉应力