緒論 工程材料的力學(xué)性能

工程材料的力學(xué)性能

第1章１．了解工程材料的主要力學(xué)性能指標(biāo)：屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率、硬度、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度、斷裂韌性等力學(xué)性能及其測(cè)試原理。２．強(qiáng)調(diào)各種力學(xué)性能指標(biāo)的生產(chǎn)實(shí)際意義。

教學(xué)目標(biāo)定義：

材料的力學(xué)性能是指材料在外加載荷作用下或載荷與環(huán)境因素（溫度、環(huán)境介質(zhì)）聯(lián)合作用下所表現(xiàn)出來(lái)的行為，即材料抵抗外加載荷引起的變形和斷裂的能力。

指標(biāo)：

強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度、蠕變極限、斷裂韌性等。1.1單向靜拉伸載荷下材料的力學(xué)性能1.2硬度1.3沖擊載荷下材料的力學(xué)性能1.4疲勞載荷下材料的力學(xué)性能1.5高溫條件下材料的力學(xué)性能1.6斷裂韌性教學(xué)內(nèi)容1.1單向靜拉伸載荷下材料的力學(xué)性能1.1.1

拉伸實(shí)驗(yàn)與拉伸曲線1.1.2

強(qiáng)度1.1.3

塑性1.拉伸試樣GB6397-86規(guī)定《金屬拉伸試樣》有：圓形、矩形、異型及全截面。常用標(biāo)準(zhǔn)圓形截面試樣。1.1.1拉伸實(shí)驗(yàn)與拉伸曲線

l0d0標(biāo)點(diǎn)長(zhǎng)試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d02.拉伸實(shí)驗(yàn)3.拉伸曲線（拉伸力-伸長(zhǎng)曲線）O

FDlFeFsFbO

FDl彈性階段屈服階段強(qiáng)化階段頸縮階段定義：拉伸試驗(yàn)中得出的拉伸力與伸長(zhǎng)量的關(guān)系曲線Fk低碳鋼的拉伸力－伸長(zhǎng)曲線彈性階段屈服階段頸縮階段強(qiáng)化階段4.拉伸曲線（應(yīng)力-應(yīng)變曲線）應(yīng)力σ

：?jiǎn)挝幻娣e上試樣承受的載荷。這里用試樣承受的載荷除以試樣的原始橫截面積S0表示:F 載荷(N)σ=——(Mpa) S0

原始橫截面積(mm2)應(yīng)變?chǔ)牛簡(jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量。這里用試樣的伸長(zhǎng)量除以試樣的原始標(biāo)距表示:

Δl 伸長(zhǎng)量(mm)

ε=——

l0

原始長(zhǎng)度(mm)應(yīng)力－應(yīng)變曲線（σ-ε曲線）:

形狀和拉伸曲線相同，單位不同σσbσsσeεσkσεεσ脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對(duì)比）脆性材料在斷裂前沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象淬火鋼及鑄鐵1.1.2強(qiáng)度

強(qiáng)度的物理意義是表征材料對(duì)塑性變形和斷裂的抗力。由拉伸試驗(yàn)可測(cè)得材料的彈性極限、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等強(qiáng)度指標(biāo)。1.彈性極限σe

和彈性模量E

彈性極限σe

是指材料在不產(chǎn)生塑性變形的情況下所能承受的最大應(yīng)力。彈性模數(shù)E是指材料在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的比值σ/ε(GPa)。E=σ/ε

E

標(biāo)志材料抵抗彈性變形的能力，用以表示材料的剛度。

E主要取決于金屬本性，與晶體結(jié)構(gòu)和原子間距有密切關(guān)系。合金化、熱處理、冷塑性變形對(duì)其影響較小，即對(duì)組織不敏感。E=σ/ε

2.屈服強(qiáng)度σS

拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，載荷不增加，試樣仍然繼續(xù)伸長(zhǎng)的現(xiàn)象，稱(chēng)為材料的屈服現(xiàn)象。

拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，卸去載荷后不能恢復(fù)的殘余變形叫做塑性變形。

材料在外加載荷作用下開(kāi)始發(fā)生塑性變形的最低應(yīng)力值，稱(chēng)為材料的屈服強(qiáng)度，用符號(hào)σS表示。對(duì)于不出現(xiàn)明顯屈服現(xiàn)象的材料，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以試樣產(chǎn)生0.2%塑性變形時(shí)的應(yīng)力值作為該材料的屈服極限，用符號(hào)σ0.2表示。

屈服強(qiáng)度是設(shè)計(jì)和選材的主要依據(jù)之一。σSσ0.20.2％3.抗拉強(qiáng)度σb

抗拉強(qiáng)度的物理意義是表征材料對(duì)最大均勻變形的抗力，表示材料在拉伸條件下能夠承受最大載荷時(shí)的應(yīng)力值，用符號(hào)σb表示。σb=FbS0σb

零件設(shè)計(jì)時(shí)一般不允許產(chǎn)生過(guò)量的塑性變形，如果使用σb作為零件設(shè)計(jì)的依據(jù)，需要采用更大的安全系數(shù)。1.1.2塑性

金屬材料在載荷的作用下，產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力稱(chēng)為塑性。塑性指標(biāo)常用金屬斷裂時(shí)的最大相對(duì)塑性變形來(lái)表示，如拉伸時(shí)的延伸率δ和斷面收縮率Ψ。1.延伸率δ

試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距的百分比。l1-l0l0×100%δ=l1——試樣拉斷后的標(biāo)距,mml0——試樣的原始標(biāo)距,mm2.斷面收縮率ΨS0-S1S0Ψ=×100%S0——試樣原始橫截面積,mm2S1——頸縮處的橫截面積,mm2

試樣拉斷后，頸縮處的橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比。1.2硬度1.1.1

布氏硬度1.1.2

洛氏硬度1.1.3

維氏硬度和顯微硬度

硬度是反應(yīng)材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)。

布氏硬度試驗(yàn)是指用一定直徑的球體（鋼球或硬質(zhì)合金球）以相應(yīng)的試驗(yàn)力壓入式樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，用測(cè)量的表面壓痕直徑計(jì)算硬度的一種壓痕硬度試驗(yàn)。1.2.1布氏硬度布氏硬度=

FA凹=2FπD[D-（D2-d2）?]使用剛球壓頭時(shí)布氏硬度值用符號(hào)HBS表示；使用硬度合金壓頭時(shí)用符號(hào)HBW表示。在實(shí)際測(cè)試時(shí)，不必用公式計(jì)算，一般用讀數(shù)顯微鏡測(cè)出壓痕直徑d，然后根據(jù)d大小查表，即可求出所測(cè)的硬度值。舉例:120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為120。

測(cè)量比較軟的材料。測(cè)量范圍HBS<450、HBW<650的金屬材料。使用范圍：

壓痕大，測(cè)量準(zhǔn)確，但不能測(cè)量成品件。適用于未經(jīng)淬火的鋼、鑄鐵、有色金屬或質(zhì)地輕軟的軸承合金。

優(yōu)缺點(diǎn)：1.2.2洛氏硬度

洛氏硬度試驗(yàn)是指采用頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的淬火鋼球作為壓頭。試驗(yàn)時(shí)先施加初載荷，使壓頭與試樣表面接觸良好，保證測(cè)量準(zhǔn)確，再施加主載荷，保持到規(guī)定的時(shí)間后再卸除主載荷，依據(jù)壓痕的深度來(lái)確定材料的硬度值。洛氏硬度用符號(hào)HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002加初載荷加主載荷卸除主載荷讀硬度值20~671500N120°金剛石圓錐體HRC25~1001000N1.588mm鋼球HRB70~85600N120°金剛石圓錐體HRA使用范圍：缺點(diǎn)：壓痕小，測(cè)量不準(zhǔn)確，需多次測(cè)量。優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便、迅速，效率高，可直接測(cè)量成品件及高硬度的材料。1.2.3維氏硬度和顯微硬度維氏硬度測(cè)試原理與布氏硬度相同，不同的是維氏硬度用的壓頭是兩相對(duì)面間的夾角為136°的金剛石正四棱錐體。在載荷P的作用下，在試樣表面上壓出一個(gè)四方錐形的壓痕（凹坑）。測(cè)量壓痕對(duì)角線的長(zhǎng)度d，以計(jì)算壓痕的表面積。以載荷P除以表面積的數(shù)值表示維氏硬度HV。

P為負(fù)荷，單位克；d是壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度，單位微米。測(cè)量出d值后，可查表或計(jì)算求得顯微硬度值。優(yōu)點(diǎn)：載荷P可以從1Kg~100Kg范圍內(nèi)根據(jù)試樣大小，厚薄進(jìn)行選擇。改變負(fù)荷可測(cè)定從極軟到極硬材料的硬度。

顯微硬度測(cè)試原理與維氏硬度完全相同，只是所用載荷要小得多,一般小于200g力。常用于測(cè)定材料中某個(gè)相的硬度。硬度種類(lèi)硬度符號(hào)壓頭類(lèi)型載荷/kgf硬度值有效范圍典型應(yīng)用布氏HBS

10mm淬火鋼球1000<450退火、正火或調(diào)質(zhì)鋼件HBW

10mm硬質(zhì)合金球1000<650淬火鋼等較硬材料洛氏HRA120。金剛石圓錐6070-85硬質(zhì)合金、表面淬火鋼HRB

1.588mm淬火鋼球10025-100退火鋼、有色合金HRC120。金剛石圓錐15020-67一般淬火鋼件維氏HV136。金剛石四棱錐5－1200-1000經(jīng)表面處理后的表面層幾種硬度比較1.3沖擊載荷下材料的力學(xué)性能1.3.1

沖擊試驗(yàn)方法1.3.2

沖擊韌性1.3.3

低溫脆性1.沖擊試樣夏比U形缺口試樣和夏比V形缺口試樣。我國(guó)多采用夏比U形缺口試樣。1.3.1沖擊試驗(yàn)方法2.沖擊實(shí)驗(yàn)金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。定義：1.3.2沖擊韌性試驗(yàn)原理：

試樣被沖斷過(guò)程中吸收的能量即沖擊吸收功（Ak）等于擺錘沖擊試樣前后的勢(shì)能差。計(jì)算公式：

Ak=GH1

-GH2

=G（H1

-H2）沖擊韌性（ak）：

沖擊吸收功Ak除以標(biāo)準(zhǔn)試樣缺口處截面積S(J/m2)

。冷脆轉(zhuǎn)變：當(dāng)溫度降至某一數(shù)值或溫度范圍時(shí)，沖擊韌性值急劇下降，此轉(zhuǎn)變稱(chēng)為冷脆轉(zhuǎn)變。相應(yīng)的溫度稱(chēng)為冷脆轉(zhuǎn)變溫度。1.3.2低溫脆性由于早年的Titanic號(hào)采用了含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。所以，沖擊試樣是典型的脆性斷口。近代船用鋼板的沖擊試樣則具有相當(dāng)好的韌性。Titanic號(hào)鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果Titanic沉沒(méi)原因1.4疲勞載荷下材料的力學(xué)性能疲勞極限σ-1疲勞：

承受載荷的大小和方向隨時(shí)間作周期性變化，交變應(yīng)力作用下，材料往往在遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限，甚至小于屈服極限的應(yīng)力下發(fā)生斷裂。疲勞極限：

材料經(jīng)無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最高應(yīng)力值。條件疲勞極限：經(jīng)受指定應(yīng)力循環(huán)次數(shù)而不致斷裂的最大應(yīng)力值，比如107

次。

（90%的斷裂由疲勞造成）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(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.1.5高溫條件下材料的力學(xué)性能材料在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒應(yīng)力作用下，發(fā)生緩慢塑性變形的現(xiàn)象稱(chēng)為蠕變。高溫下(>0.4Tm)蠕變明顯，材料強(qiáng)度用蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度表示：1）蠕變強(qiáng)度指材料在一定溫度下一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一定永久變形量所能承受的最大應(yīng)力。比如：σ0.2/500800=200MPa表示800攝氏度下500小時(shí)發(fā)生0.2%應(yīng)變的蠕變極限為200MPa。2）持久強(qiáng)度指材料在一定溫度下一定時(shí)間內(nèi)所能承受的最大斷裂應(yīng)力。比如：σ100800=120MPa表示800攝氏度下100小時(shí)的持久強(qiáng)度極限為120MPa。1.6斷裂韌性

由于裂紋的存在破壞了材料的均勻連續(xù)性，改變了材料內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力分布，傳統(tǒng)