[理学]1金属的力学性能.ppt

　概 述 1.1 刚度与弹性 评价材料力学性能最简单和最有效的方法就是测定材料的拉伸曲线，在GB/T 6397—1986《金属拉伸试验试样》中对试样的形状、尺寸及加工要求均有明确的规定，如图1-1所示。 若以A0表示试样的原始横截面积，以d0表示试样的原始直径，则当试件总长度L＝10d０＝11.3 时，称为长试样；当Ｌ＝5d０＝5.65 时，称为短试样。将标准试样施加轴向拉伸载荷，使之发生变形直至断裂，便可得到试样应变ε（试样原始标距的增量Δl＝l－l0与原始标距l0之比）随应力σ（外力与试样原始横截面积之比）变化的关系曲线，称为应力—应变曲线。图1-2为低碳钢的应力—应变曲线。 1.2 强度与塑性 1.2.1 强度 材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为强度。根据加载方式不同，强度指标有许多种，如屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。其中以拉伸试验测得的屈服强度和抗拉强度两个指标应用最多。 1.3 硬度 硬度是金属力学性能的一个重要指标，是指材料抵抗局部塑性变形的能力。硬度高，材料的耐磨性就好。硬度与强度之间有一定的内在联系，但测硬度比较简便迅速；而且测量硬度可以在零件的非工作面上直接测量，不会损坏零件。 材料的硬度采用压入法测定。根据测量方法不同，常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。用各种方法所测得的硬度值可通过硬度对照表换算，详见附表1。 1.4 韧性 1.4.1 冲击韧性 上面所述的力学性能指标，都是在缓慢加载即静载的条件下测得的。但构件往往会受到冲击载荷，如飞机起落架在起飞和降落时会受到很大的冲击载荷，发动机轴在发动机启动或变速时也会受到冲击载荷。所以，研究材料在受到冲击载荷时的性能也十分必要。 1.5 疲 劳 强 度 1.5.1 疲劳断裂特征 许多零件，如直升飞机的旋翼、发动机的轴和叶片、各种齿轮、弹簧等，在工作中受到反复改变大小或同时改变大小和方向的“交变载荷”。零件在交变载荷作用下，虽然其应力比材料的抗拉强度小，甚至比屈服强度还小，但是在长期使用的某一时刻也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳断裂。 1.6 蠕变及蠕变—疲劳断裂 蠕变断裂是材料在应力和温度共同作用下发生的一种断裂方式。而有些高温部件在工作条件下同时承受恒定载荷和交变载荷的作用（如燃气轮机的涡轮盘），这种情况下发生的断裂方式称为蠕变—疲劳断裂。它们是燃气涡轮发动机高温部件（如涡轮叶片、涡轮盘等）的主要失效形式之一。 习题和思考题 1.1 金属材料的力学性能指的是什么性能？常用的力学性能包括哪些方面的内容？ 1.2 衡量金属材料强度、塑性及韧性用哪些性能指标？各用什么符号和单位表示？ 1.3 什么情况下使用材料的名义屈服强度概念，它是如何定义的？ 1.4 伸长率和断面收缩率，哪个更能准确反映材料的塑性？为什么？ 1.5 强度和硬度分别是从什么角度衡量材料的性能的？ 1.6 可否通过增加零件的尺寸来提高其弹性模量？ 为了研究裂纹对材料断裂强度的影响，把刻有不同深度刻痕的试件进行拉伸试验，画出如图1-10所示的裂纹深度a与实际断裂强度的关系曲线，且有公式K=σc 成立。对某种材料来说，K是一个常数，也是材料力学性能的指标，表示材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力，称为断裂韧性。 a 1.4.2 断裂韧性 图1-10断裂强度与裂纹深度的关系曲线示意图 1.4.2 断裂韧性 如图1-11所示，零件在一定特征的交变载荷作用下，首先在零件的薄弱环节，如应力集中或缺陷（划伤、夹渣、显微裂纹等）处产生微细的裂纹，这种微细裂纹称为疲劳源。随着交变载荷循环次数的增加，疲劳源裂纹不断开合，同时裂纹逐步扇形扩展，形成疲劳扩展区。由于裂纹在扩展过程中反复开合，两个裂纹面相互挤压和摩擦，所以疲劳扩展区的形貌比较光亮，很像贝壳的内表面，所以也叫光滑区，这是疲劳扩展区的最明显特征。 1.5.1 疲劳断裂特征 当扩展区达到一定的临界尺寸时，构件剩余截面面积较小，在交变载荷的某次拉伸力的作用下，材料应力超过抗拉强度，这时零件会发生突然的脆性断裂，最后脆断的区域称为瞬间断裂区，由于这一区域断口表面比较粗糙，所以也叫粗糙区。多数情况下，疲劳裂纹源位于构件表面，如图1-11(a)所示。但有些情况下，裂纹源会在构件内部，同样断口也存在上述三个区域，如图1-11(b)所示。 1.5.1 疲劳断裂特征 图1-11疲劳断裂断口照片 1.5.1 疲劳断裂特征 材料的疲劳强度是由疲劳试