1材料的力學性能

1、 挑戰(zhàn)者號爆炸事故挑戰(zhàn)者號爆炸事故 55億億 1986年1月28日，“挑戰(zhàn)者”號航天飛機在升空后73秒之后發(fā)生爆炸墜毀，起因只是由于一個小密封圈出現(xiàn)故障，造成液態(tài)氫泄漏，最終引發(fā)大爆炸 該航天飛機的造價為45億美元，在用于事故調(diào)查、錯誤糾正、損失裝置更換的費用也花費了10億美元 使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。包括力學性能、物理性能和化學性能。 工藝性能：材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削性能等。第第2 2節(jié)節(jié) 工程材料的性能工程材料的性能 材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。 外力去處后能夠恢復的變形稱為彈性變形。 外力去處后不能恢復的變形

2、稱為塑性變形。 五萬噸水壓機五萬噸水壓機1.2.1 靜載時材料的力學性能靜載時材料的力學性能 拉伸試樣拉伸試樣拉伸試驗機拉伸試驗機應力應力 = P/F0應變應變 = (l-l0)/l01.2.1 靜載時材料的力學性能靜載時材料的力學性能 1、拉伸試驗與應力應變曲線拉伸試驗與應力應變曲線2、剛度與強度、剛度與強度 彈性：指標為彈性極限e，即材料承受最大彈性變形時的應力。 在應力應變曲線中，在應力應變曲線中，OA段為彈性變形階段，段為彈性變形階段，A點所對應的點所對應的應力為材料承受最大彈性變形時的應力，稱為彈性極限，用應力為材料承受最大彈性變形時的應力，稱為彈性極限，用 e表示。其中，表示。其中

3、，OA部分為斜直線，應力應變成比例關系，部分為斜直線，應力應變成比例關系，A點所對應的應力為保持這種比例關系的最大應力，稱為比例點所對應的應力為保持這種比例關系的最大應力，稱為比例極限，用極限，用 p表示。對大多數(shù)材料來講，表示。對大多數(shù)材料來講，A、A幾乎重合，故一幾乎重合，故一般不做區(qū)分。般不做區(qū)分。1.2.1 靜載時材料的力學性能靜載時材料的力學性能 彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強化材料的手段如熱處理、冷高而逐漸降低外，其他強化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對彈性模量的影響很小。可以通過熱加工、合

4、金化等對彈性模量的影響很小。可以通過增加橫截面積或改變截面形狀來提高零件的剛度。增加橫截面積或改變截面形狀來提高零件的剛度。 剛度：剛度：材料受力材料受力時抵抗彈性變形時抵抗彈性變形的能力。的能力。指標為指標為彈性模量彈性模量E。1.2.1 靜載時材料的力學性能靜載時材料的力學性能 強度：材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。 BC段，發(fā)生塑性變形而應力不增加，這種現(xiàn)象叫做屈服。B點對應的應力稱為屈服強度，用s表示。 有的材料的屈服強度不明顯，規(guī)定使用條件屈服強度0.2（殘余變形量為0.2%時的應力值）來標定。0.2 屈服強度反映材料抵抗永久變形的能屈服強度反映材料抵抗永久變形的能力，是最重要

5、的零件設計指標。力，是最重要的零件設計指標。1.2.1 靜載時材料的力學性能靜載時材料的力學性能 抗拉強度b：材料斷裂前所承受的最大應力值。 CD段為均勻塑性變形階段，應力隨著應變增加而增加，產(chǎn)生應變強化。超過D點后，式樣開始發(fā)生局部塑性變形，即出現(xiàn)頸縮，隨應變增加應力明顯下降，并在E點迅速斷裂。D點所對應的應力為抗拉強度b。l抗拉強度反映材料抵抗斷裂破壞的能力，也是零抗拉強度反映材料抵抗斷裂破壞的能力，也是零件設計的材料評價的重要指標。件設計的材料評價的重要指標。1.2.1 靜載時材料的力學性能靜載時材料的力學性能 塑性：材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。塑性：材料受力破壞前可承受最大

6、塑性變形的能力。指標為：指標為： 伸長率：斷面收縮率：斷面收縮率：斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象1.2.1 靜載時材料的力學性能靜載時材料的力學性能 3、塑性、塑性 說明： 用面縮率表示塑性比伸長率更接近真實變形。 直徑d0 相同時，l0，。只有當l0/d0 為常數(shù)時，塑性值才有可比性。 當l0=10d0 時，伸長率用 表示； 當l0=5d0 時，伸長率用5 表示。顯然5 時，無頸縮，為脆性材料表征 時，有頸縮，為塑性材料表征1.2.1 靜載時材料的力學性能靜載時材料的力學性能 4、硬度、硬度 材料抵抗表面局部塑性變形的能力。 布氏硬度HB布氏硬度計布氏硬度計1.2.1 靜載時材料

7、的力學性能靜載時材料的力學性能 壓頭為鋼球時，布氏硬度用符號HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。 壓頭為硬質(zhì)合金球時，用符號HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。l符號符號HBS或或HBW之前的數(shù)字表示硬度之前的數(shù)字表示硬度值值, 符號后面的數(shù)字按順序分別表示球符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。如體直徑、載荷及載荷保持時間。如 120HBS10/1000/30表示直徑為表示直徑為10mm的鋼球在的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下）載荷作用下保持保持30s測得的布氏硬度值為測得的布氏硬度值為120。布氏硬度壓痕布氏硬度壓痕1.2.1 靜

8、載時材料的力學性能靜載時材料的力學性能 布氏硬度布氏硬度 布氏硬度的優(yōu)點：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。 缺點：壓痕大，不能用于太薄件、成品件 及比壓頭還硬的材料。 適于測量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼, 鑄鐵及有色金屬的硬度。 材料的b與HB之間的經(jīng)驗關系： 對于低碳鋼: b(MPa)3.6HB 對于高碳鋼：b(MPa)3.4HB 對于鑄鐵： b(MPa)1HB或 b(MPa) 0.6(HB-40)HB b(MPa)鋼黃銅球墨鑄鐵1.2.1 靜載時材料的力學性能靜載時材料的力學性能 h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計洛氏硬度計洛氏硬度洛氏硬度 洛氏硬度用符號HR表示，HR=k-(h1-h

9、0)/0.002 根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個標尺，常用的標尺為A、B、C。 1.2.1 靜載時材料的力學性能靜載時材料的力學性能 符號符號HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標尺。前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標尺。lHRA用于測量高硬度材料用于測量高硬度材料, 如硬質(zhì)如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。合金、表淬層和滲碳層。lHRB用于測量低硬度材料用于測量低硬度材料, 如有色如有色金屬和退火、正火鋼等。金屬和退火、正火鋼等。lHRC用于測量中等硬度材料，如調(diào)用于測量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。質(zhì)鋼、淬火鋼等。l洛氏硬度的優(yōu)點：洛氏硬度的優(yōu)點：操作簡便，壓痕操作簡便，壓痕小，適用范圍

10、廣。小，適用范圍廣。l缺點：缺點：測量結果分散度大。測量結果分散度大。鋼球壓頭與鋼球壓頭與金剛石壓頭金剛石壓頭洛氏硬度壓痕洛氏硬度壓痕1.2.1 靜載時材料的力學性能靜載時材料的力學性能 特別提示 零(構)件服役的環(huán)境是多種多樣的，對于工程上的零部件絕大多數(shù)是承受動載荷的作用，如汽車發(fā)動機里的連桿、曲軸等部件就是這種情況。因此。研究材料的動載力學性能才能接近實際情況。以便為解決實際工程問題提供了更適合的評價方法。 1、沖擊韌性、沖擊韌性 是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。力。l指標為沖擊指標為沖擊韌性值韌性值ak(通通過沖擊實驗過沖擊實驗測得測得)。1

11、.2.2 材料的動載力學性能材料的動載力學性能 沖擊試驗測定原理沖擊試驗測定原理 2、多次沖擊在實際中，零件經(jīng)過一次沖擊即發(fā)生斷裂的情況極少。許多零件總是在很多次沖擊之后才會斷裂，且所承受的沖擊能量也遠小于一次沖斷的能量。這種沖擊稱做多次沖擊。大能量一次沖擊時，其沖擊抗力主要取決于塑性；而小能量多次沖擊時，其多沖抗力則主要取決于強度。 1.2.2 材料的動載力學性能材料的動載力學性能 3、疲勞、疲勞 材料在低于s的重復交變應力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。 隨材料承受的交變應力值的下降，其斷裂時應力循環(huán)次數(shù)N值增加。材料在規(guī)定次數(shù)應力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時的最大應力稱為疲勞極限。對稱循環(huán)交變的疲勞極限用

12、-1表示。鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107，有色金屬合金為108。疲勞應力示意圖疲勞應力示意圖1.2.2 材料的動載力學性能材料的動載力學性能 1-疲勞源、疲勞源、2-疲勞裂紋疲勞裂紋擴展區(qū)和擴展區(qū)和3-瞬時斷裂區(qū)瞬時斷裂區(qū) 疲勞斷口示意圖疲勞斷口示意圖金屬的疲勞極限受到很金屬的疲勞極限受到很多因素的影響，主要有多因素的影響，主要有工作條件、表面工作條件、表面狀態(tài)、材質(zhì)、殘余內(nèi)應狀態(tài)、材質(zhì)、殘余內(nèi)應力等。改善零件的結構力等。改善零件的結構形狀，避免應力集中，形狀，避免應力集中，降低零件表面粗糙度值降低零件表面粗糙度值以及采取各種表面強化以及采取各種表面強化的方法，都能提高零件的方法，都能提高零件的疲勞

13、極限的疲勞極限 1.2.2 材料的動載力學性能材料的動載力學性能 特別提示零(構)件服役的環(huán)境是多種多樣的，如有的零件在高溫下工作，有的零件在低溫下工作，那么在室溫下測定的性能指標就不能代表它在高溫或低溫下的性能。屈服強度與抗拉強度與溫度有很大關系，一般溫度升高，材料強度降低。蠕變是指材料在長時間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。由于蠕變變形而最后導致金屬材料的斷裂稱為蠕變斷裂 蠕變極限是指在給定溫度T(單位)下和規(guī)定的試驗時間t(單位h)內(nèi)，使試樣產(chǎn)生一定蠕變伸長量所能承受的最大應力。持久強度是指材料在給定溫度T (單位)和規(guī)定的持續(xù)時間t(單位h)內(nèi)引起斷裂的最大應力值， 1

14、1高溫機械性能高溫機械性能1.2.3材料的高、低溫力學性能材料的高、低溫力學性能冷脆：脆性斷裂有以下特征：脆斷都是屬于低應力破壞，其破壞應力往往遠低于材料的屈服極限；一般都發(fā)生在較低的溫度，通常發(fā)生脆斷時的材料的溫度均在室溫以下20；脆斷發(fā)生前，無預兆，開裂速度快，為音速的1/3；發(fā)生脆斷的裂紋源是構件中的應力集中處。2低溫機械性能低溫機械性能1.2.3材料的高、低溫力學性能材料的高、低溫力學性能韌脆轉變溫度韌脆轉變溫度 材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱韌脆轉變。發(fā)生韌脆轉變的溫度范圍稱韌脆轉變溫度。 材料的使用溫度應高于韌脆轉變溫度。韌體心立方金屬具

15、有韌脆轉體心立方金屬具有韌脆轉變溫度，而大多數(shù)面心立變溫度，而大多數(shù)面心立方金屬沒有。方金屬沒有。1.2.2 材料的動載力學性能材料的動載力學性能 TITANIC建造中的建造中的Titanic 號號TITANIC的沉沒的沉沒與船體材料的質(zhì)量與船體材料的質(zhì)量直接有關直接有關1.2.2 材料的動載力學性能材料的動載力學性能 Titanic 號鋼板號鋼板（左圖）（左圖）和和近代船用鋼板近代船用鋼板（右圖）（右圖）的沖擊試驗結果的沖擊試驗結果Titanic近代船用鋼板近代船用鋼板1.2.2 材料的動載力學性能材料的動載力學性能 材料中總是存在缺陷，常見的缺材料中總是存在缺陷，常見的缺陷是裂紋。在應力作

16、用下，裂紋將陷是裂紋。在應力作用下，裂紋將發(fā)生擴展，一旦擴展失穩(wěn)，就會發(fā)發(fā)生擴展，一旦擴展失穩(wěn)，就會發(fā)生低應力脆性斷裂。生低應力脆性斷裂。 材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴展的能材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴展的能力稱為斷裂韌性。力稱為斷裂韌性。1943年美國年美國T-2油輪發(fā)生油輪發(fā)生斷裂斷裂裂紋擴展的基本形式裂紋擴展的基本形式 工程上有時會出現(xiàn)材料在遠低工程上有時會出現(xiàn)材料在遠低于抗拉強度的情況下發(fā)生斷裂的于抗拉強度的情況下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象?，F(xiàn)象。1.2.4 材料的斷裂韌性材料的斷裂韌性 引入一個描述裂紋尖端附近應力場強度的指標應力強度引入一個描述裂紋尖端附近應力場強度的指標應力強度因子因子23/mMN研究表明，斷裂應力研究