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* 机电工程学院 Engineering?Materials 第一章 工程材料的力学性能 本章要点： 力学性能是指材料在外力作用时表现出来的性能。力学性能包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。硬度值可以间接地反映材料的强度、塑性和韧性以及材料在化学成分、金相组织和热处理工艺上的差异，因而硬度试验在工程上应用十分广泛。生产中常用的硬度试验是布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。 熟悉和掌握工程材料力学性能的重要性： 在机械设备及工具的设计、制造中选用工程材料时，大多以力学性能为主要依据。 一、载荷的概念： 材料在加工及使用过程中所受的外力。 载荷分类： 静 载 荷： 冲击载荷： 疲劳载荷： 静载荷是指大小不变或变动很慢的载荷； 冲击载荷是指突然增加的载荷； 疲劳载荷是指所经受的周期性或非周期性的动载荷(也称循环载荷)。 1.根据作用性质不同分 2.根据载荷作用方式不同 分为拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷等，如图1-1所示。 内力为材料受外力作用后，为保持其不变形，在材料 内部作用着与外力相对抗的力。 应力为单位截面积上的内力。 二、变形的概念： 材料受不同载荷作用而发生的几何形状和尺寸的变化。 变形的分类： 弹性变形 塑性变形 材料受拉伸载荷或压缩载荷作用时，其横截面积上的应力（?)按下式计算： 式中 , F——外力(N)；S——横截面积(m2)；σ——应力(Pa)，应力单位是Pa，1Pa＝1N／m2。当面积用mm2时，则应力可用MPa为单位。1MPa=1N／mm2＝106Pa 一、强度 材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度，强度大小通常用应力来表示。 §1.1 静载荷条件下材料的力学性能 抗拉强度是通过拉伸试验测定的。拉伸试验的方法是用静拉力对标准试样进行轴向拉伸，同时连续测量力和相应的伸长，直至断裂。根据测得的数据，即可求出有关的力学性能。 下面把试验作一简单介绍： 根据载荷作用方式不同，强度可分为抗拉强度(σb)、抗压强度(σbc)、抗弯强度(σbb)、抗剪强度(τb)和抗扭强度(τt)等五种。 一般情况下多以抗拉强度作为判别材料强度高低的指标。 (1)拉伸试样 拉伸试样的形状一般有圆形和矩形两类。在国家标准(GB397—86)中，对试样的形状、尺寸及加工要求均有明确的规定。 (2)力一伸长曲线 拉伸试验中记录的拉伸力对伸长的关系曲线叫做力一伸长曲线，也称拉伸图。 bz——缩颈阶段(局部塑性变形阶段) 当载荷达到最大值几时，试样的直径发生局部收缩，称为“缩颈”。试样变形所需的载荷也随之降低，这时伸长主要集中于缩颈部位，直至断裂。 oe——弹性变形阶段 试样变形完全是弹性的，卸载后试样即恢复原状。这种随载荷的作用而产生、随载荷的去除而消失的变形称为弹性变形。 es——屈服阶段 当载荷超过Fe时，若卸载的话，试样的伸长只能部分地恢复，而保留一部分残余变形。这种不能随载荷的去除而消失的变形称为塑性变形。这种在载荷不增加或略有减少的情况下，试样继续发生变形的现象叫做屈服。Fs称为屈服载荷。屈服后，材料将残留较大的塑性变形。 sb——强化阶段 在屈服阶段以后，欲使试样继续伸长，必须不断加载。随着塑性变形增大，试样变形抗力也逐渐增加，这种现象称为形变强化(或称加工硬化)。Fb为试样拉伸试验时的最大载荷。 工程上使用的材料，多数没有明显的屈服现象。对于低塑性材料，不仅没有屈服现象，而且也不产生“缩颈”，如球墨铸铁等。 (3) 强度指标 ①屈服点 试样在试验过程中，力不增加(保持恒定)仍能继续伸长(变形)时的应力称为屈服点，用符号σs表示 。 对于无明显屈服现象的材料，多测定其规定残余伸长应力值。?r表示试样卸除拉伸载荷后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。例如?r0.2表示规定残余伸长率达到0.2％时的应力，按下列公式计算： 机械零件在工作时如受力过大，则因过量的塑性变形而失效。当零件工作时所受的力，低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，则不会产生过量的塑性变形。材料的屈服点或规定残余伸长应力越高，允许的工作应力也越高，则零件的截面尺寸及自身质量就可以减少。因此，材料的屈服点或规定残余伸长应力是机械设计的主要依据，也是评定材料优劣的重要指标。 ②抗拉强度 材料在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度。用符号σb表示，按下列公式计算： 抗拉强度表示材料在拉伸载荷作用下的最大均匀变形的抗力。也是机械零件设计和选材的主要依据之一 二、塑性 断裂前材料产生永久变形的能力称为塑性。塑性指标也是由拉伸试验测得的。常用材料拉伸时最大的相对塑性变形(伸长率和断面收缩率)来表示。 (1)伸