第二章材料的力學(xué)性質(zhì)

第二章材料的力學(xué)性質(zhì)第1頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)應(yīng)力與應(yīng)變*1、內(nèi)力的概念外力：其它物體施加的力。包括構(gòu)件所承受的載荷及約束反力。（1）載荷：外力（主動力）（2）約束反力：外力（被動力）內(nèi)力：由外力引起的構(gòu)件內(nèi)部的相互作用力。內(nèi)力的大小以及在構(gòu)件內(nèi)部的分布方式隨外力和變形的改變而變化，并與構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性密切相關(guān)，內(nèi)力分析是材料力學(xué)的基礎(chǔ)。一、應(yīng)力第2頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)應(yīng)力與應(yīng)變*2、內(nèi)力的求法——截面法一、應(yīng)力第3頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)應(yīng)力與應(yīng)變*2、內(nèi)力的求法——截面法一、應(yīng)力1．截：在需要求內(nèi)力的截面處，用一假想的垂直于軸線的截面把構(gòu)件分成兩個部分；

2、取：保留其中任一部分作為研究對象，而棄去另一部分，稱之為分離體；3、代：將棄去的另一部分對保留部分的作用力用截面上的內(nèi)力代替；4、平：對保留部分(分離體)建立平衡方程式，由已知外力求出截面上內(nèi)力的大小和方向。

在使用截面法求內(nèi)力時，構(gòu)件在被截開前，靜力學(xué)中的力系等效代換及力的可傳性是不適用的。

第4頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)應(yīng)力與應(yīng)變例圖a表示一等截面直桿，其受力情況如圖所示。試作其軸力圖。

解：（1）作桿的受力圖(圖b)，求約束反力FA；根據(jù)Fx=0，即：－FA－F1+F2－F3+F4=0得FA=－40kN＋55kN－25kN＋20kN=10kN第5頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)應(yīng)力與應(yīng)變例圖a表示一等截面直桿，其受力情況如圖所示。試作其軸力圖。

（2）求各段橫截面上的軸力并作軸力圖。規(guī)定：軸力拉為正、壓為負(fù)。AB段：FN1=FA=10kNBC段：FN2=10kN＋40kN=50kNCD段：FN3=20kN－25kN=-5kNDE段：FN4=20kN第6頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)應(yīng)力與應(yīng)變3、應(yīng)力：內(nèi)力分布集度一、應(yīng)力（1）1根筷子容易弄斷，10根筷子不容易弄斷；（2）粗細(xì)相同的鐵桿與筷子比較，鐵桿結(jié)實(shí)；可見控制材料不遭到破壞的一是材質(zhì)、二是材料橫截面積。為進(jìn)行材料選擇，評定材料的力學(xué)性能，要消除面積的影響，引入應(yīng)力的概念。應(yīng)力：單位面積上的內(nèi)力，即內(nèi)力分布集度。第7頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)應(yīng)力與應(yīng)變3、應(yīng)力在截面任一點(diǎn)周圍有微小面積A，設(shè)其上內(nèi)力F，則應(yīng)力定義為;總應(yīng)力的法相分量稱為正應(yīng)力，切向應(yīng)力稱為剪應(yīng)力

規(guī)定：正應(yīng)力拉為正，壓為負(fù)第8頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)應(yīng)力與應(yīng)變3、應(yīng)力;單位：應(yīng)力的國際單位為N/m21N/m2=1Pa（帕斯卡）

1MPa=106N/m2

1GPa=109N/m2

第9頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)應(yīng)力與應(yīng)變二、應(yīng)變1．變形——物體受力后形狀和尺寸的改變1.3.切應(yīng)變（角應(yīng)變）原來相互正交的棱邊的直角夾角的改變量稱為切應(yīng)變（角應(yīng)變）2．線應(yīng)變（簡稱應(yīng)變）即單位長度的變形量，無量綱。第10頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)材料試驗一、低碳鋼拉伸試驗;

為了測定不同材料的承受載荷的能力（即強(qiáng)度），要對材料做拉伸試驗即以測定。為了消除試件尺寸的對測定結(jié)果的影響，規(guī)定拉伸試驗試件按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定做成標(biāo)準(zhǔn)試件（幾何尺寸、加工精度、試驗條件）。

試件：規(guī)定圓截面標(biāo)準(zhǔn)試件的工作長度（也稱標(biāo)距）與其截面直徑d。

第11頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)材料試驗一、低碳鋼拉伸試驗;試件：長試件：短試件：試驗條件：常溫(20℃)；靜載。第12頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)材料試驗一、低碳鋼拉伸試驗;（1）夾持試件（2）油壓緩慢加載使試件受拉（3）記錄測試數(shù)值（4）直至拉斷，觀察力與變形的全過程（5）繪制

拉伸曲線（自動繪圖）（6）清除尺寸影響作曲線，根據(jù)曲線特征大致分為四個階段研究材料力學(xué)性能。第13頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)材料試驗一、低碳鋼拉伸試驗;第Ⅰ階段：彈性變形階段應(yīng)力與應(yīng)變成正比，比例系數(shù)E為材料彈性模量，對同種材料E值比較穩(wěn)定。在彈性階段撤掉外力，變形消失。第14頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)材料試驗一、低碳鋼拉伸試驗;第Ⅱ階段：屈服流動階段材料對變形的抵抗能力消失，外力不再增加，變形繼續(xù)。

第15頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)材料試驗一、低碳鋼拉伸試驗;第Ⅲ階段：強(qiáng)化階段抵抗變形的能力增強(qiáng)。如果在K點(diǎn)撤除外力，將沿著KO1變化，OO1為單位長度的殘余變形。重新施加外力，將沿著KO1變化，承載能力增強(qiáng)，稱為冷作硬化。第16頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)材料試驗一、低碳鋼拉伸試驗;第Ⅳ階段：頸縮階段。試件局部范圍橫向尺寸急劇縮小，稱為頸縮。第17頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)材料試驗一、低碳鋼拉伸試驗;1、延伸率2、斷面收縮率第18頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)材料試驗二、其它試驗;為了測定不同材料的承受載荷的能力，對錳鋼、硬鋁、退火球墨鑄鐵、鑄鐵進(jìn)行拉伸試驗。錳鋼沒有屈服和頸縮階段；硬鋁、退火球墨鑄鐵沒有明顯屈服階段；鑄鐵d<5%，突然斷裂；d<5%，為脆性材料。d>5%，為塑性材料。第19頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三一、機(jī)械性能又叫力學(xué)性能，指在外力作用下表現(xiàn)出來的性能。強(qiáng)度：材料抵抗外力作用而不失效的特性。塑性：在外力作用下，材料產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的特性。硬度：金屬材料不大的體積內(nèi)抵抗硬物壓入的特性。韌性：材料快速變形吸收能量而不被破壞的特性。缺口敏感性：在有應(yīng)力集中的條件下，抵抗裂紋擴(kuò)展的特性。第三節(jié)材料的性能第20頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三一、機(jī)械性能——A強(qiáng)度

1、彈性極限σp

：很難控制。

第三節(jié)材料的性能強(qiáng)度：材料抵抗外力作用而不失效的特性。不同的生產(chǎn)環(huán)境、不同的失效的標(biāo)準(zhǔn)不同，衍生出不同的的強(qiáng)度指標(biāo)。第21頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三一、機(jī)械性能——A強(qiáng)度

2、屈服極限σs

：對退火或熱軋?zhí)幚淼闹械吞间撉^明顯。

對其它沒有明顯屈服段的屬材料規(guī)定產(chǎn)生0.2%殘余變形時承受的應(yīng)力值，記為條件屈服極限σ0.2第三節(jié)材料的性能第22頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三一、機(jī)械性能——A強(qiáng)度

3、抗拉強(qiáng)度（極限）σb

：拉斷時所承受的最大應(yīng)力值。第三節(jié)材料的性能第23頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三高溫條件下，材料的屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、塑性都會發(fā)生變化。我們把在高溫條件下，較小的應(yīng)力（<σp）作用使材料發(fā)生持續(xù)塑性變形的現(xiàn)象叫蠕變。4、蠕變強(qiáng)度（極限）σn

一、機(jī)械性能——A強(qiáng)度第三節(jié)材料的性能第24頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三

（1）蠕變的危害①不利于常規(guī)手段的檢測。高溫蒸汽管道；隧道爐傳動鏈條。②材料發(fā)生蠕變有大致的極限溫度碳鋼：420℃；合金鋼：450℃；輕合金族（鋁、鎂）；50℃-150℃

4、蠕變強(qiáng)度（極限）σn

一、機(jī)械性能——A強(qiáng)度第三節(jié)材料的性能第25頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三（2）應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)的確定材料的使用溫度超過極限溫度就會發(fā)生蠕變，且殘余塑性變形與應(yīng)力大小、作用時間長短成正比。①1萬（10萬）小時殘余變形達(dá)1%時的應(yīng)力。②v=10-5/h(v=10-4/h)時的應(yīng)力值。4、蠕變強(qiáng)度（極限）σn

一、機(jī)械性能——A強(qiáng)度第三節(jié)材料的性能第26頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三一定應(yīng)力、溫度條件下，材料長久抵抗斷裂的能力。

σD應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)的確定：給定溫度下，10萬小時不斷裂承受的最大的應(yīng)力值，記為：σ105。5、持久強(qiáng)度（極限）σD一、機(jī)械性能——A強(qiáng)度第三節(jié)材料的性能第27頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三（1）金屬在交變應(yīng)力作用下，會產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象。（二戰(zhàn)時坦克履帶軸斷裂）（2）交變應(yīng)力：大小和方向隨時間而變化的應(yīng)力（鐵絲拉斷、崴斷比較）（3）交變應(yīng)力作用下在規(guī)定次數(shù)不發(fā)生斷裂的所能承受的最大應(yīng)力值。一般化工設(shè)備用材料規(guī)定的循環(huán)次數(shù)為5×106（刺刀5×105）6、疲勞強(qiáng)度σ-1（一般≤0.5σb）一、機(jī)械性能——A強(qiáng)度第三節(jié)材料的性能第28頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三1、彈性極限σp：精密傳動需要，但難控制，屬保守設(shè)計。2、屈服極限σs；化工容器材料達(dá)到屈服不會損壞，趨于保守。（σ0.2）3、抗拉強(qiáng)度σb：化工容器的破壞是應(yīng)力值超過抗拉強(qiáng)度σb強(qiáng)撕裂容器形成的爆炸。但可以通過檢測材料屈服時發(fā)出的超聲。因此在容器設(shè)計中更看中（σs/σb）屈強(qiáng)比，要求大點(diǎn)，但不要超過0.74、蠕變強(qiáng)度σn5、持久強(qiáng)度σD（σ105）6、疲勞強(qiáng)度σ-1：交變應(yīng)力作用下?？偨Y(jié)：強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的選擇一、機(jī)械性能——A強(qiáng)度第三節(jié)材料的性能第29頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三在外力作用下，材料產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的特性。一、機(jī)械性能——B塑性第三節(jié)材料的性能1、延伸率：2、斷面收縮率：第30頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三3、冷彎試驗（冷彎角，焊縫指標(biāo)）一、機(jī)械性能——B塑性

在冷彎試驗機(jī)上，以一定的內(nèi)半徑R進(jìn)行彎曲，試樣受拉面出現(xiàn)第一道裂紋止，彎曲角度大則塑性好，這樣的試驗具有破壞性。通常以彎曲120°或180°不出現(xiàn)裂紋為合格。所以又叫冷彎角試驗。第三節(jié)材料的性能第31頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三4、彎曲試驗一、機(jī)械性能——B塑性

6mm以下鋼板，以一定的內(nèi)半徑R一定的角度進(jìn)行反復(fù)彎曲，其頻率小于60次/分鐘,當(dāng)彎曲規(guī)定的次數(shù)而無分層、脫片、裂紋則認(rèn)定為合格。第三節(jié)材料的性能第32頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三

金屬材料不大的體積內(nèi)抵抗硬物壓入的特性，反映材料的綜合指標(biāo)。

一、機(jī)械性能——C硬度測定標(biāo)準(zhǔn)有三種：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRC）、維氏硬度（HV）。布氏硬度（HB）洛氏硬度（HRC）常用，其中尤以布氏硬度（HB）測量最為準(zhǔn)確，但布氏硬度（HB）測量范圍較窄，HB45MPa以上便無法測量，對薄的物體測量時形成的壓痕大，破壞表面。第三節(jié)材料的性能第33頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)材料的性能一、機(jī)械性能——C硬度1、布氏硬度（HB）測定采用鋼球，記為HBS采用硬質(zhì)合金球，記為HBW

測試方法用HBd,p,t表示，如HB10，30000，10表示鋼球直徑10mm，作用力為30000N,保壓10秒鐘。第34頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)材料的性能一、機(jī)械性能——C硬度2、洛氏硬度（HR）測定(壓痕小)符號壓頭負(fù)荷硬度值有效范圍適用范圍HRA金剛石圓錐600N＞70硬質(zhì)合金HRB1.588mm鋼球1000N25～100（HB60～HB230）有色金屬HRC金剛石圓錐（120?）1500N20～67（HB230～HB700）淬火鋼第35頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)材料的性能一、機(jī)械性能——C硬度3、維氏硬度（HV）測定(負(fù)荷可以任選)維氏硬度測試原理與布氏硬度測試原理相同，求單位壓痕面積上的應(yīng)力，只是維氏硬度測試使用頂角為136?金剛石方錐。第36頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)材料的性能一、機(jī)械性能——C硬度洛氏硬度與其他硬度指標(biāo)換算表HRCHRAHBHV6583.6--7986081--6875578.45385875075.84805044573.24224354070.63693783568322329第37頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三一、機(jī)械性能——D沖擊韌性1、汽車材料沖擊韌性好，撞擊時吸收撞擊能量可以有效保護(hù)成員安全。出口汽車須過撞擊實(shí)驗。2、設(shè)備材料韌性好，防止疲勞裂紋快速發(fā)展，防止爆炸。（吉林市發(fā)生2000立油罐爆炸）

材料快速變形吸收能量而不被破壞的特性。

韌性和塑性的區(qū)別：韌性是抵抗沖擊的快速變形吸收能量的能力；而塑性是抵抗緩慢增長的應(yīng)力，有好塑性不一定有好韌性，有好韌性一定有好塑性。第三節(jié)材料的性能第38頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三一、機(jī)械性能——D沖擊韌性

沖擊實(shí)驗消耗功的大小取決于金屬塑性變形的體積，因缺口應(yīng)力分布不均勻故用單位面積的沖擊功代替。夏比缺口應(yīng)力集中更大，低溫容器用鋼要提供夏比試樣試驗數(shù)據(jù)。第三節(jié)材料的性能第39頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三一、機(jī)械性能——E缺口敏感性材料在有應(yīng)力集中情況下抵抗裂紋擴(kuò)展的能力第三節(jié)材料的性能第40頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三總結(jié)：韌性\缺口敏感性\塑性的區(qū)別韌性:在沖擊載荷的作用下，存在應(yīng)力集中，反映材料快速變形抵抗破壞的能力。缺口敏感性：在靜載荷的作用下較高的應(yīng)力集中條件下，材料緩慢變形抵抗破壞的能力塑性：在靜載荷的作用下無應(yīng)力集中條件下，材料緩慢變形抵抗破壞的能力。第三節(jié)材料的性能第41頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三二、物理性能化工設(shè)備在選擇材料時考慮其物理性能指標(biāo)主要有：

熱膨脹性、彈性模量、泊桑比、密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性。第三節(jié)材料的性能第42頁，共48頁，2023年，2月20日，星期三二、物理性能1、熱膨脹性金屬材料溫度升高時體積要脹大。在沒有外來約束的情況下,各向變化率相等線性尺寸的變化與原長和溫差成正比。線脹系數(shù)第三節(jié)材料的性能第43