西工大 工程材料 第三章 工程材料力學(xué)性能.

1、l工程材料的力學(xué)性能是指工程材料受外力作用時反映出來工程材料的力學(xué)性能是指工程材料受外力作用時反映出來的性能。的性能。l主要包括：主要包括：塑性與彈性，剛度、強度、硬度、沖擊韌性、塑性與彈性，剛度、強度、硬度、沖擊韌性、疲勞強度、蠕變性能疲勞強度、蠕變性能等等。等等。圖圖1 拉伸試驗機拉伸試驗機圖圖2 典型的拉伸應(yīng)力典型的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線彈性形變彈性形變 塑性形變塑性形變 斷裂斷裂 0第三章第三章 工程材料的力學(xué)性能工程材料的力學(xué)性能l彈性彈性：金屬材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去掉后能金屬材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去掉后能恢復(fù)其原來形狀的性能，稱為恢復(fù)其原來形狀的性能，稱為

2、彈性彈性，其大小與外力成正比其大小與外力成正比。l塑性塑性：金屬材料在外力作用下產(chǎn)生金屬材料在外力作用下產(chǎn)生永久變形永久變形，但不會引起，但不會引起金屬材料破壞的性能，稱為金屬材料破壞的性能，稱為塑性塑性。在外力去掉后，保留下來不可恢復(fù)的變形，稱為在外力去掉后，保留下來不可恢復(fù)的變形，稱為塑性變形塑性變形。塑性的大小與外力不成正比塑性的大小與外力不成正比。塑性指標的量化：根據(jù)塑性指標的量化：根據(jù)GB6397-86金屬拉伸試樣金屬拉伸試樣，在拉伸試驗機上進行。在拉伸試驗機上進行。第三章第三章 工程材料的力學(xué)性能工程材料的力學(xué)性能一般取殘余伸長量為一般取殘余伸長量為0.01%時的應(yīng)力為時的應(yīng)力為“

3、規(guī)定彈性極限規(guī)定彈性極限”，并以并以0.01表示。表示。e-彈性極限，彈性極限，s-屈服極限，屈服極限，b-抗拉強度，抗拉強度，k-斷裂強度。斷裂強度。在實際情況中，許多材料在在實際情況中，許多材料在-曲線上沒有水平段為，通曲線上沒有水平段為，通常采用常采用0.2、0.5來表示來表示屈服極限屈服極限。0.2 -表示產(chǎn)生表示產(chǎn)生0.2%塑性變形時的應(yīng)力作為屈服極限。塑性變形時的應(yīng)力作為屈服極限。 0.5 -同上。同上。第三章第三章 工程材料的力學(xué)性能工程材料的力學(xué)性能第三章第三章 工程材料的力學(xué)性能工程材料的力學(xué)性能一彈性和塑性一彈性和塑性金屬塑性指標的表示有兩種方法金屬塑性指標的表示有兩種方法

4、 延伸率延伸率 斷面收縮率斷面收縮率 和和越大，表示金屬的塑性越好。越大，表示金屬的塑性越好。 %10000lll%100SSS00第三章第三章 工程材料的力學(xué)性能工程材料的力學(xué)性能3.13.1拉伸試驗拉伸試驗l金屬材料受外力作用時抵抗金屬材料受外力作用時抵抗彈性變形彈性變形的能力，稱為的能力，稱為剛度剛度。E/l影響彈性模量的因素影響彈性模量的因素： 有時要求低有時要求低E（易彈性變形且變形能力大），如沙發(fā)墊（易彈性變形且變形能力大），如沙發(fā)墊子。子。 有時要求高有時要求高E（保持固有形狀能力強）（保持固有形狀能力強）,如主軸如主軸、鉆鉆桿桿。有時要求。有時要求比剛度比剛度（E/）大（輕而不

5、易變形），如航）大（輕而不易變形），如航空航天?？蘸教?。 彈性模量和構(gòu)件的尺寸有關(guān)，同種材料，作成不同形狀彈性模量和構(gòu)件的尺寸有關(guān)，同種材料，作成不同形狀的尺寸零件時，剛度變化很大。的尺寸零件時，剛度變化很大。第三章第三章 工程材料的力學(xué)性能工程材料的力學(xué)性能3.13.1拉伸試驗拉伸試驗三三. .強度強度l強度是金屬材料在外力作用下抵抗強度是金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形塑性變形的能力。的能力。l按外力性質(zhì)的不同可分為：屈服強度，抗拉強度，抗壓強度，抗彎強按外力性質(zhì)的不同可分為：屈服強度，抗拉強度，抗壓強度，抗彎強度，抗剪強度和抗扭強度等等。度，抗剪強度和抗扭強度等等。l屈服強度屈服強度s可

6、用下式表示，是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要指標可用下式表示，是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要指標 Ps表示試樣產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時承受的外力，單位：表示試樣產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時承受的外力，單位：Nn 抗拉強度抗拉強度b 用下式表示為用下式表示為 Pb表示試樣在斷裂時的最大拉力，單位：表示試樣在斷裂時的最大拉力，單位：N ；S0為試樣原始截面積為試樣原始截面積 ，單位：單位：m20SssP0SbbP第三章第三章 工程材料的力學(xué)性能工程材料的力學(xué)性能金屬材料抵抗硬物壓入其內(nèi)的能力。金屬材料抵抗硬物壓入其內(nèi)的能力。常用的硬度指標有：布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。常用的硬度指標有：布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。 1.布氏硬度（布氏硬度（HB）

7、l原理：原理：用直徑不等的球形壓頭（如用直徑不等的球形壓頭（如10.5或或2.5mm），以一定載荷壓入），以一定載荷壓入金屬表面從而測定硬度值。如圖所示。金屬表面從而測定硬度值。如圖所示。第三章第三章 工程材料的力學(xué)性能工程材料的力學(xué)性能3.2 硬度試驗硬度試驗1.布氏硬度（布氏硬度（HB）l實質(zhì)實質(zhì)：為壓入載荷與壓痕表面積的比值，即為壓入載荷與壓痕表面積的比值，即 HB =壓入載荷（壓入載荷（P）/壓痕表面積（壓痕表面積（ S ）l適用范圍適用范圍：HB一般只用于一般只用于 硬度硬度 450 的材料（鋼球壓頭）的材料（鋼球壓頭）“HBS”或或 650硬度硬度450的金屬材料（硬質(zhì)合金球壓頭的

8、金屬材料（硬質(zhì)合金球壓頭）“HBW”。l特點特點：壓痕面積較大，：壓痕面積較大，HB值比較真實。值比較真實。第三章第三章 工程材料的力學(xué)性能工程材料的力學(xué)性能3.2 硬度試驗硬度試驗2.2.洛氏硬度洛氏硬度（HR）l實質(zhì)：實質(zhì)：用鋼球或圓錐壓痕深度用鋼球或圓錐壓痕深度的大小表示材料的硬度值的大小表示材料的硬度值主要用于高硬度的主要用于高硬度的材料材料, ,根據(jù)壓頭材料及施加的載根據(jù)壓頭材料及施加的載荷不同可分為荷不同可分為和和壓痕較小，壓痕較小，HR值的真實值的真實性稍差。性稍差。第三章第三章 工程材料的力學(xué)性能工程材料的力學(xué)性能3.2 硬度試驗硬度試驗 3.維氏硬度維氏硬度（HV）l如圖所示

9、的方法，是采用金剛石如圖所示的方法，是采用金剛石的正四棱錐。的正四棱錐。l表示方法：表示方法：其其HV 硬度值可表示硬度值可表示為：為：HV = P/S (N/mm2)l特點：特點：正四棱錐幾乎不變形，值正四棱錐幾乎不變形，值比較精確，適用于薄板的硬度測比較精確，適用于薄板的硬度測試，但生產(chǎn)效率太低。試，但生產(chǎn)效率太低。第三章第三章 工程材料的力學(xué)性能工程材料的力學(xué)性能3.2 硬度試驗硬度試驗第三章第三章 工程材料的力學(xué)性能工程材料的力學(xué)性能3.3 3.3 沖擊韌性沖擊韌性l金屬材料在金屬材料在沖擊載荷作用沖擊載荷作用下，下，抵抗沖擊力的作用而抵抗沖擊力的作用而不被破壞的能力稱為不被破壞的能力

10、稱為沖擊韌性沖擊韌性。l沖擊韌性包括：沖擊韌性包括：彎曲沖擊韌性彎曲沖擊韌性、拉力沖擊韌性拉力沖擊韌性、壓壓縮沖擊韌性縮沖擊韌性、扭轉(zhuǎn)沖擊韌性扭轉(zhuǎn)沖擊韌性、多次沖擊韌性多次沖擊韌性。本節(jié)。本節(jié)主要介紹彎曲沖擊韌性。主要介紹彎曲沖擊韌性。l表示方法：表示方法：沖擊韌性常用一次擺捶彎曲沖擊試驗測沖擊韌性常用一次擺捶彎曲沖擊試驗測定，數(shù)值上可表示為定，數(shù)值上可表示為SkkAk - 沖擊值或沖擊韌性Ak- 折斷試樣需消耗的沖擊功，J S- 試樣缺口處的原始截面積，m2第三章第三章 工程材料的力學(xué)性能工程材料的力學(xué)性能3.3 3.3 沖擊韌性沖擊韌性l實驗圖實驗圖第三章第三章 工程材料的力學(xué)性能工程材料

11、的力學(xué)性能3.3 3.3 沖擊韌性沖擊韌性l影響的因素：影響的因素：試樣形狀，表面粗糙度，內(nèi)部微觀組織，試驗的試樣形狀，表面粗糙度，內(nèi)部微觀組織，試驗的環(huán)境溫度。環(huán)境溫度。沖擊韌性是大能量一次沖擊情況下獲得的，不符沖擊韌性是大能量一次沖擊情況下獲得的，不符合小能量多次沖擊的實際情況，因此，一般只作合小能量多次沖擊的實際情況，因此，一般只作為選材的參考，不直接用于強度計算。為選材的參考，不直接用于強度計算。由于對組織缺陷很敏感，所以在生產(chǎn)上，用于檢由于對組織缺陷很敏感，所以在生產(chǎn)上，用于檢驗合金冶煉、熱加工、熱處理工藝的質(zhì)量。驗合金冶煉、熱加工、熱處理工藝的質(zhì)量。第三章第三章 工程材料的力學(xué)性能

12、工程材料的力學(xué)性能3.3 3.3 沖擊韌性沖擊韌性l不同材料沖擊韌性不同材料沖擊韌性圖圖8 8 不同材料沖擊韌性與溫度關(guān)系曲線示意圖不同材料沖擊韌性與溫度關(guān)系曲線示意圖第三章第三章 工程材料的力學(xué)性能工程材料的力學(xué)性能 3.4 疲勞強度疲勞強度1 1、定義：定義：在在交變載荷交變載荷作用下的許多零件，如曲軸，連桿，彈作用下的許多零件，如曲軸，連桿，彈簧等，往往會在低于該材料屈服強度的情況下發(fā)生斷裂，簧等，往往會在低于該材料屈服強度的情況下發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為疲勞破壞疲勞破壞。2 2、疲勞強度疲勞強度則是指金屬材料在交變載荷作用下不產(chǎn)生疲勞破則是指金屬材料在交變載荷作用下不產(chǎn)生疲勞

13、破壞的最大應(yīng)力壞的最大應(yīng)力r 。應(yīng)力對稱循環(huán)疲勞強度應(yīng)力對稱循環(huán)疲勞強度-1 3 3、疲勞強度可在專用疲勞試樣機上進行。根據(jù)交變載荷應(yīng)力疲勞強度可在專用疲勞試樣機上進行。根據(jù)交變載荷應(yīng)力與斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)可繪制成疲勞曲線。與斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)可繪制成疲勞曲線。4 4、影響疲勞斷裂的因素影響疲勞斷裂的因素： 材料中的雜質(zhì)、表面劃痕、微裂痕、應(yīng)力集中。材料中的雜質(zhì)、表面劃痕、微裂痕、應(yīng)力集中。 提高疲勞強度的途徑：避免應(yīng)力集中、改善表面質(zhì)量。提高疲勞強度的途徑：避免應(yīng)力集中、改善表面質(zhì)量。 第三章第三章 工程材料的力學(xué)性能工程材料的力學(xué)性能 據(jù)統(tǒng)計在機械零件失效據(jù)統(tǒng)計在機械零件失效 中大約有

14、中大約有80%以上屬于疲以上屬于疲 勞破壞，而且疲勞勞破壞，而且疲勞破壞前沒有明顯的變形，所以疲破壞前沒有明顯的變形，所以疲 勞勞 破壞經(jīng)常造成重大事故破壞經(jīng)常造成重大事故 l疲勞強度極限可根據(jù)疲勞曲線確定。疲勞強度極限可根據(jù)疲勞曲線確定。l鋼鋼:10:107 7周次、非鐵（有色）金屬材料周次、非鐵（有色）金屬材料:10:108 8周次。周次。 圖圖3-9 典型的疲勞曲線典型的疲勞曲線疲勞極限疲勞極限 r （ 3 ）第三章第三章 工程材料的力學(xué)性能工程材料的力學(xué)性能3.5 3.5 蠕變試驗蠕變試驗1 1 定義：定義：材料長時間在材料長時間在恒溫恒溫、恒應(yīng)力恒應(yīng)力作用下，緩慢產(chǎn)生塑作用下，緩慢產(chǎn)

15、生塑性變形并導(dǎo)致材料斷裂的現(xiàn)象稱為性變形并導(dǎo)致材料斷裂的現(xiàn)象稱為蠕變?nèi)渥?。蠕變過程可用。蠕變過程可用蠕變曲線描述。蠕變曲線描述。2 2 蠕變曲線蠕變曲線第三章第三章 工程材料的力學(xué)性能工程材料的力學(xué)性能3.5 3.5 蠕變試驗蠕變試驗3、蠕變曲線特征、蠕變曲線特征l蠕變曲線分為三個階段：蠕變曲線分為三個階段：l-減速蠕變階段。隨時間增長，蠕變速率逐漸減小減速蠕變階段。隨時間增長，蠕變速率逐漸減小l-恒速蠕變階段。用變形速率表示恒速蠕變階段。用變形速率表示l-加速蠕變階段。當(dāng)蠕變速率增大到加速蠕變階段。當(dāng)蠕變速率增大到 d點，產(chǎn)生斷裂。點，產(chǎn)生斷裂。dtd 第三章第三章 工程材料的力學(xué)性能工程材

16、料的力學(xué)性能3.5 3.5 蠕變試驗蠕變試驗4 4、高溫下蠕變性能指標、高溫下蠕變性能指標 高溫下蠕變性能指標有高溫下蠕變性能指標有蠕變極限蠕變極限與與持久強度持久強度兩種。兩種。1) 1) 蠕變極限蠕變極限: :指材料在高溫長期載荷作用下，抵抗指材料在高溫長期載荷作用下，抵抗塑性變形塑性變形的能力。表示有兩種方法的能力。表示有兩種方法：l法：在給定溫度下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定蠕變速率時的應(yīng)法：在給定溫度下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定蠕變速率時的應(yīng)力作為蠕變強度力作為蠕變強度. 表示在表示在600，蠕變速率為，蠕變速率為1x10-5時的應(yīng)力為時的應(yīng)力為 500MPa.TuMPa5006001015第三章第三章 工程材料的力學(xué)性能工程材料的力學(xué)性能3.5 3.5 蠕變試驗蠕變試驗法：在給定溫度和規(guī)定的試驗時間內(nèi)，使試樣產(chǎn)生法：在給定溫度和規(guī)定的試驗時間內(nèi)，使試樣產(chǎn)生一定蠕變伸長量的應(yīng)力作為蠕變極限，用一定蠕變伸長量的應(yīng)力作為蠕變極限，用 表示。表示。 表示在表示在800，500小時內(nèi)，引起小時內(nèi)，引起0.2% 變形量的應(yīng)力為變形量的應(yīng)力為200 MPa 。2) 2) 持久強度持久強度:指材料在高溫長期載荷作用下指材料在高溫長期載荷作用下抵抗斷裂抵抗斷裂的能的能力，用力，用 表示。表示。 表示在表示在800，經(jīng)經(jīng)100小時斷裂的應(yīng)力為小時斷裂的應(yīng)力為120