工程材料與成型工藝基礎(chǔ)第一章

工程材料與成型工藝基礎(chǔ)第一章第一頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日第一章材料的力學(xué)行為和性能

本章重點(diǎn)：

材料的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等力學(xué)性能的基本概念及應(yīng)用。

本章難點(diǎn)：

低應(yīng)力脆斷和材料的斷裂韌性。

學(xué)習(xí)目標(biāo)：

熟悉常用力學(xué)性能指標(biāo)的測(cè)試方法，掌握材料力學(xué)性能的表示方法及其應(yīng)用。第二頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日主要內(nèi)容第一節(jié)在載荷作用下的力學(xué)行為第二節(jié)材料的靜態(tài)力學(xué)性能第三節(jié)材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能第四節(jié)斷裂韌性第三頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)材料在載荷作用下的力學(xué)行為

一、彈性變形、塑性變形和斷裂材料在載荷作用下的行為，稱之為力學(xué)行為。當(dāng)外力作用在固體物質(zhì)上時(shí)，隨外力增加，物體會(huì)逐漸改變其原始形狀和尺寸而發(fā)生變形，外力增加到一定數(shù)值后，物體將發(fā)生斷裂，所以變形和斷裂是固體物質(zhì)受載時(shí)，隨外力的增加而產(chǎn)生的普遍現(xiàn)象。第四頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日二、應(yīng)力和應(yīng)變應(yīng)力：?jiǎn)挝幻娣e上所受的力。應(yīng)變：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量。第五頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日第二節(jié)材料的靜態(tài)力學(xué)性能一、拉伸試驗(yàn)及材料的強(qiáng)度與塑性左圖為拉伸試驗(yàn)機(jī)下圖為拉伸試驗(yàn)過(guò)程中試樣的變形及斷裂。第六頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日第七頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日由上圖可知：在拉伸載荷作用下，試樣的變形分為三個(gè)階段：彈性變形階段；塑性變形階段；斷裂階段。在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，可測(cè)定的主要力學(xué)性能指標(biāo)有：屈服強(qiáng)度σs，抗拉強(qiáng)度σb，彈性模量E，斷后伸長(zhǎng)率δ和斷面收縮率Ψ。Fs

σs

=

(Mpa)

S0試樣屈服時(shí)的載荷(N)試樣原始橫截面積(mm2)第八頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日F0.2

σ0.2=

(Mpa)

S0試樣原始橫截面(mm2)試樣產(chǎn)生0.2%殘余塑性變形時(shí)的載荷(N)Fb試樣斷裂前的最大載荷(N)

σb=

(Mpa)

S0試樣原始橫截面積(mm2)S0-Sk

ψ=×100%S0第九頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日Lk–L0δ=×100%L0

δ<2~5%屬脆性材料，δ≈5~10%屬韌性材料，δ>10%屬塑性材料其斷口特征如圖所示。第十頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日二、硬度硬度是指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力。1.布什硬度（HBW）第十一頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日表示方法：120HBW10/1000/30；后面的數(shù)字依次表示：（1）球體直徑；（2）試驗(yàn)力；（3）試驗(yàn)力保持時(shí)間（10~15s不標(biāo)注）。主要用于測(cè)定組織粗大且不均勻的金屬材料的硬度，如鑄鋼、鑄鐵、供應(yīng)態(tài)鋼材等。第十二頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日硬度標(biāo)尺：HRA、HRB、HRC。其中C標(biāo)尺最常用。在批量的成品或半成品質(zhì)量檢驗(yàn)中廣泛使用.2.洛氏硬度第十三頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日3.維氏硬度表示方法：如：640HV30/20測(cè)量精度高、范圍廣，但比較麻煩，主要用于研究工作。注：各硬度值之間大致有以下關(guān)系：布氏硬度值在200-600范圍內(nèi)，HBW≈10HRC；布氏硬度值小于450HBS，HBW≈HV第十四頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日第三節(jié)材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能一、沖擊韌性材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。第十五頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊吸收功Ak為:

Ak=mgH–mgh(J)沖擊韌性值ak就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。AK

ak

=(J/cm2)S0第十六頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日二、疲勞強(qiáng)度表示材料經(jīng)無(wú)數(shù)次交變載荷作用而不致引起斷裂的最大應(yīng)力值。材料所受循環(huán)應(yīng)力和其斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，即疲勞曲線如下圖所示鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取N=107有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取N=108鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取N=107有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取N=108第十七頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日第四節(jié)斷裂韌性

一、低應(yīng)力脆斷材料抵抗裂紋擴(kuò)展斷裂的能力叫斷裂韌性。機(jī)械零件的傳統(tǒng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)為σ<[σ]=σ0.2/n(n為安全系數(shù)),一般認(rèn)為用此式設(shè)計(jì)的零件是安全的,不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，更不會(huì)斷裂。但是，有些高強(qiáng)鋼制造的零件或大型焊接構(gòu)件如橋梁、船舶等，有時(shí)會(huì)在工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度甚至低于許用應(yīng)力的條件下突然發(fā)生脆性斷裂，這種工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度的斷裂叫低應(yīng)力脆斷。

第十八頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日裂紋擴(kuò)展的基本形式a)張開型b)滑開型c)撕開型二、斷裂韌度第十九頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子Ｋ1裂紋尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中形成應(yīng)力場(chǎng)，衡量裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)弱程度的力學(xué)參量稱為應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，用KⅠ表示。其表達(dá)式為：式中：a為裂紋尺寸。斷裂韌度KⅠC裂紋擴(kuò)展時(shí)的臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子值稱為材料的斷裂韌度，用KⅠC表示，單位為MPa·m1/2。其為材料抵抗裂紋擴(kuò)展斷裂的能力大小的表現(xiàn)，為材料的固有屬性，與材料的成分、組織、熱處理以及加工工藝有關(guān)，與裂紋的大小、形狀、外加應(yīng)力等無(wú)關(guān)。第二十頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日三、斷裂韌度的應(yīng)用當(dāng)

KⅠ≥KⅠc時(shí)，裂紋就會(huì)擴(kuò)展而導(dǎo)致低應(yīng)力脆斷。根據(jù)這個(gè)條件：（1)確定對(duì)材料所要求的斷裂韌度K1c，作為選材的依據(jù)。