第1章材料的力學(xué)性能

1、第1章 材料的力學(xué)性能 材料的性能是評(píng)價(jià)和選擇材料的依據(jù)。 學(xué)習(xí)材料課，應(yīng)當(dāng)熟悉各種常用材料的性能。1.1材料性能的分類 材料的性能使用性能工藝性能 材料的力學(xué)性能1.1材料的性能的分類1.1.1使用性能力學(xué)性能（機(jī)械性能）物理性能強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、疲勞強(qiáng)度等密度、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等化學(xué)性能抗氧化性、抗腐蝕性等 材料的力學(xué)性能1.1材料的性能的分類1.1.2工藝性能（加工的難易性）切削性能（可切削性）鍛壓性能（塑性）鑄造性能焊接性能（可焊性） 材料的力學(xué)性能1.2基本概念和術(shù)語1.2基本概念和術(shù)語力學(xué)性能材料受載荷作用時(shí)表現(xiàn)出的與變形、斷裂相關(guān)的一系列性能。載荷材料（或零件、構(gòu)件）所受的力

2、（N）或應(yīng)力。應(yīng)力材料（或零件、構(gòu)件）的單位面積上所受的力（N/m2)。 應(yīng)力的單位：Pa， 1Pa = 1N/m2 MP， 1MPa =106 Pa = 1N/mm2 材料的力學(xué)性能1.2基本概念和術(shù)語靜載荷大小和方向都不隨時(shí)間改變或緩慢變化的載荷。動(dòng)載荷大小或方向隨時(shí)間改變的載荷。 載荷 載荷 沖擊載荷 交變載荷 時(shí)間 時(shí)間 靜載荷 動(dòng)載荷 材料的力學(xué)性能1.2基本概念和術(shù)語材料受載荷作用時(shí)可能發(fā)生的現(xiàn)象：2.斷裂脆性斷裂韌性斷裂1.變形彈性變形塑性變形 材料的力學(xué)性能1.3拉伸試驗(yàn)1.3.拉伸試驗(yàn) 通過拉伸試驗(yàn)可以測定材料的強(qiáng)度、剛度和塑性。 材料的力學(xué)性能1.3拉伸試驗(yàn)oe段：彈性變形

3、，伸長量與L與拉力F成正比。S平臺(tái)：屈服現(xiàn)象，開始塑性變形。Sb段：均勻塑性變形。bk段：頸縮（局部塑性變形）K點(diǎn)：斷裂 低碳鋼拉伸曲線F拉力 L伸長量 材料的力學(xué)性能1.4強(qiáng)度1.4 強(qiáng)度 強(qiáng)度材料受靜載荷作用時(shí)，抵抗塑性變形和斷裂的能力。1. 屈服強(qiáng)度s 材料受靜載荷作用時(shí)，抵抗塑性變形的能力。 MPa 0SsSF 材料的力學(xué)性能1.4強(qiáng)度 如果材料所受的載荷達(dá)到或超過其屈服強(qiáng)度，材料就會(huì)發(fā)生塑性變形。 在設(shè)計(jì)和使用機(jī)器零件時(shí)，必須保證零件的工作載荷低于零件材料的屈服強(qiáng)度（工作s），否則零件就會(huì)發(fā)生塑性變形而失效。 材料的力學(xué)性能1.4強(qiáng)度2. 抗拉強(qiáng)度（強(qiáng)度極限）b 材料受靜載荷作用時(shí)，

4、抵抗斷裂的能力。 MPa 0bbSF 材料的力學(xué)性能1.4強(qiáng)度 如果材料所受的載荷達(dá)到或超過其抗拉強(qiáng)度，材料就會(huì)發(fā)生斷裂。 在設(shè)計(jì)和使用機(jī)器零件時(shí)，必須保證零件的工作載荷低于零件材料的抗拉強(qiáng)度（工作b），否則零件就會(huì)發(fā)生斷裂而失效。 材料的力學(xué)性能1.5剛度1.5 剛度 剛度材料受靜載荷作用時(shí)，抵抗彈性變形的能力。 衡量剛度大小的指標(biāo)是彈性模量E。在拉伸曲線上，E體現(xiàn)為oe 段的斜率。 材料的力學(xué)性能1.5剛度 常用材料的彈性模量E/MPa 在一定的載荷作用下，彈性模量（E）大的材料發(fā)生的彈性變形比較小。 材料的彈性模量是一個(gè)常數(shù)，不會(huì)因熱處理、合金化等外部條件而改變。鐵鎳鈦鋁銅鎂214000

5、2100001180107200013240045000 材料的力學(xué)性能1.6塑性1.6 1.6 塑性塑性 塑性材料在受載荷作用時(shí)，發(fā)生永久性變形的能力。 衡量材料塑性好壞的指標(biāo)有兩個(gè)：伸長率和斷面收縮率。1.延伸率 延伸率又稱伸長率，是試樣被拉斷后，塑性伸長量與試樣原始標(biāo)距長度的百分比：%100LLL001 材料的力學(xué)性能1.6塑性2. 斷面收縮率 斷面收縮率是試樣被拉斷后，頸縮處的橫截面積收縮量（S0-S1）與原始橫截面積S0之百分比： %100SSS 010 材料的力學(xué)性能1.6塑性 材料的、值越大，表明其塑性越好。 塑性在工程上的實(shí)用意義：1）塑性是變形加工（鍛壓）的條件。塑性較好的材

6、料才可以進(jìn)行變形加工。2）塑性好的材料，不易脆斷，應(yīng)用時(shí)安全性比較好。 材料的力學(xué)性能1.7硬度1.7 硬度 硬度用來衡量材料軟硬程度的性能指標(biāo)。 測試硬度的方法有多種，相應(yīng)的也有多種硬度指標(biāo)。 材料的力學(xué)性能1.7硬度1.布氏硬度 HB1）試驗(yàn)原理 以壓力F 將直徑為D的球形壓頭壓入材料表面，形成直徑為d的壓痕，以壓痕單位面積上承受的壓力大小來衡量材料的硬度。F 材料的力學(xué)性能1.7硬度 kgf/mm2 式中 F 試驗(yàn)壓力，kgf ； S 壓痕面積， mm2 ； D 壓頭直徑，mm ； d 壓痕直徑，mm 。 )(22dDDD2FSFHB2dDDDS22)( 材料的力學(xué)性能1.7硬度2）標(biāo)注

7、示例 120HBS 10/1000/30 500HBW 5/7503）特點(diǎn)和應(yīng)用范圍（1）試驗(yàn)結(jié)果較準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)的重復(fù)性較好；（2）操作較繁瑣；（3）試驗(yàn)壓力較大，壓痕大，可能損壞薄壁零件;（4）適合于測試厚度較大的原材料、毛坯。 材料的力學(xué)性能1.7硬度2. 洛氏硬度 HR1）試驗(yàn)原理 用一定的壓力將壓頭壓入材料表面，以壓痕深度來衡量材料的硬度。 洛氏硬度計(jì)的指示表直接顯示出硬度值。壓痕越淺，硬度值越大，表明材料硬度越高。 試驗(yàn)原理示意圖洛氏硬度計(jì) 材料的力學(xué)性能1.7硬度2）幾種常用的洛氏硬度標(biāo)尺標(biāo)尺標(biāo)注符號(hào)壓頭類型試驗(yàn)壓力數(shù)值有效范圍適用對(duì)象 AHRA 金剛石 圓錐 60 kgf (588

8、.4 N) 20-88HRA 很硬的材料，如鋼的表面硬化層、硬質(zhì)合金等。 BHRB 鋼球 100 kgf （980.7 N) 20-100HRB 較軟的材料，如退火的鋼、銅合金、鋁合金等。 CHRC 金剛石 圓錐 150 kgf (1471 N) 20-70HRC 較硬的材料，如淬火的鋼件 材料的力學(xué)性能1.7硬度3）洛氏硬度的特點(diǎn)（1）測試操作簡便，效率高；（2）適應(yīng)的材料種類較多；（3）壓痕小，對(duì)零件損傷?。唬?）測試準(zhǔn)確度和數(shù)據(jù)重復(fù)性稍差；（5）HRA、HRB、HRC測試值不能直接對(duì)比。例如:不能認(rèn)為60HRB代表的硬度高于40HRC。 材料的力學(xué)性能1.7硬度3.其它硬度 維氏硬度、肖

9、氏硬度，等等。4.硬度試驗(yàn)的應(yīng)用1）對(duì)于有耐磨性要求的零件，其硬度是主要的質(zhì)量指標(biāo)。2）多數(shù)金屬材料的硬度與強(qiáng)度有一定正比關(guān)系。在實(shí)際工作中，常常通過測試零件的硬度來換算出強(qiáng)度，既簡便，成本又低。 材料的力學(xué)性能1.7硬度 黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算表 鋼的HBS與b的換算關(guān)系： b 0.36 HBS 材料的力學(xué)性能1.8 沖擊韌性 1.8 沖擊韌性 ak 有些零件在工作時(shí)會(huì)受沖擊載荷。如沖壓模、鏨子、飛機(jī)起落架等。 材料的強(qiáng)度、塑性等在靜載荷下測定的力學(xué)性能指標(biāo)，不能體現(xiàn)材料的抗沖擊性能。 沖擊韌性 ak材料受沖擊載荷時(shí)，抵抗斷裂的能力。 材料的力學(xué)性能1.8 沖擊韌性 沖擊韌性試樣沖擊試驗(yàn)示意

10、圖沖擊試驗(yàn)機(jī) 材料的力學(xué)性能1.8 沖擊韌性 材料的力學(xué)性能1.8 沖擊韌性 沖擊韌性ak在數(shù)值上等于沖斷試樣消耗的能量AK 與試樣缺口處橫截面積S之比： J/cm2 沖擊韌性高的材料，使用安全性好。SAakk 材料的力學(xué)性能1.8 沖擊韌性材料脆斷引發(fā)的事故 材料的力學(xué)性能1.9 疲勞強(qiáng)度 1.9 疲勞強(qiáng)度1.9.1 材料的疲勞現(xiàn)象疲勞零件（材料）在交變載荷長時(shí)間作用下，產(chǎn)生裂紋并逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致突然斷裂的現(xiàn)象。 在裂紋萌生和擴(kuò)展的較長一段時(shí)間中，是不易被發(fā)現(xiàn)的，而最終的斷裂是在瞬間發(fā)生的。因此，疲勞現(xiàn)象對(duì)于運(yùn)行中的機(jī)器，尤其對(duì)飛行中的飛機(jī)，是危害性極大的事故隱患。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)器零件的斷裂有80%是疲勞引起的。 材料的力學(xué)性能1.9 疲勞強(qiáng)度1.9.2 疲勞強(qiáng)度 疲勞強(qiáng)度-1材料在受交變載荷時(shí)，抵抗疲勞破壞的能力。 鋼的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度有一定的比例關(guān)系： -1 0.4b 材料的力學(xué)性能1.9 疲勞強(qiáng)度1.9.3 提高零件抗疲勞性的措施 疲勞裂紋通常在零件薄弱部位