绪论 工程材料的力学性能.ppt

工程材料的力学性能 第1章 了解工程材料的主要力学性能指标 屈服强度 抗拉强度 延伸率 断面收缩率 硬度 冲击韧性 疲劳强度 断裂韧性等力学性能及其测试原理 强调各种力学性能指标的生产实际意义 教学目标 定义 材料的力学性能是指材料在外加载荷作用下或载荷与环境因素 温度 环境介质 联合作用下所表现出来的行为 即材料抵抗外加载荷引起的变形和断裂的能力 指标 强度 塑性 硬度 冲击韧性 疲劳强度 蠕变极限 断裂韧性等 1 1单向静拉伸载荷下材料的力学性能1 2硬度1 3冲击载荷下材料的力学性能1 4疲劳载荷下材料的力学性能1 5高温条件下材料的力学性能1 6断裂韧性 教学内容 1 1单向静拉伸载荷下材料的力学性能 1 1 1拉伸实验与拉伸曲线1 1 2强度1 1 3塑性 1 拉伸试样GB6397 86规定 金属拉伸试样 有 圆形 矩形 异型及全截面 常用标准圆形截面试样 1 1 1拉伸实验与拉伸曲线 长试样 L0 10d0 短试样 L0 5d0 2 拉伸实验 3 拉伸曲线 拉伸力 伸长曲线 定义 拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线 低碳钢的拉伸力 伸长曲线 4 拉伸曲线 应力 应变曲线 应力 单位面积上试样承受的载荷 这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积S0表示 F载荷 N Mpa S0原始横截面积 mm2 应变 单位长度的伸长量 这里用试样的伸长量除以试样的原始标距表示 l伸长量 mm l0原始长度 mm 应力 应变曲线 曲线 形状和拉伸曲线相同 单位不同 脆性材料的拉伸曲线 与低碳钢试样相对比 脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象 淬火钢及铸铁 1 1 2强度 强度的物理意义是表征材料对塑性变形和断裂的抗力 由拉伸试验可测得材料的弹性极限 屈服强度和抗拉强度等强度指标 1 弹性极限 e和弹性模量E 弹性极限 e是指材料在不产生塑性变形的情况下所能承受的最大应力 弹性模数E是指材料在弹性范围内 应力与应变的比值 GPa E E标志材料抵抗弹性变形的能力 用以表示材料的刚度 E主要取决于金属本性 与晶体结构和原子间距有密切关系 合金化 热处理 冷塑性变形对其影响较小 即对组织不敏感 E 2 屈服强度 S 拉伸试验过程中 载荷不增加 试样仍然继续伸长的现象 称为材料的屈服现象 拉伸试验过程中 卸去载荷后不能恢复的残余变形叫做塑性变形 材料在外加载荷作用下开始发生塑性变形的最低应力值 称为材料的屈服强度 用符号 S表示 对于不出现明显屈服现象的材料 国家标准规定以试样产生0 2 塑性变形时的应力值作为该材料的屈服极限 用符号 0 2表示 屈服强度是设计和选材的主要依据之一 3 抗拉强度 b 抗拉强度的物理意义是表征材料对最大均匀变形的抗力 表示材料在拉伸条件下能够承受最大载荷时的应力值 用符号 b表示 零件设计时一般不允许产生过量的塑性变形 如果使用 b作为零件设计的依据 需要采用更大的安全系数 1 1 2塑性 金属材料在载荷的作用下 产生塑性变形而不断裂的能力称为塑性 塑性指标常用金属断裂时的最大相对塑性变形来表示 如拉伸时的延伸率 和断面收缩率 1 延伸率 试样拉断后 标距的伸长与原始标距的百分比 l1 试样拉断后的标距 mm l0 试样的原始标距 mm 2 断面收缩率 S0 试样原始横截面积 mm2 S1 颈缩处的横截面积 mm2 试样拉断后 颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比 1 2硬度 1 1 1布氏硬度1 1 2洛氏硬度1 1 3维氏硬度和显微硬度 硬度是反应材料软硬程度的一种性能指标 布氏硬度试验是指用一定直径的球体 钢球或硬质合金球 以相应的试验力压入式样表面 经规定保持时间后卸除试验力 用测量的表面压痕直径计算硬度的一种压痕硬度试验 1 2 1布氏硬度 使用刚球压头时布氏硬度值用符号HBS表示 使用硬度合金压头时用符号HBW表示 在实际测试时 不必用公式计算 一般用读数显微镜测出压痕直径d 然后根据d大小查表 即可求出所测的硬度值 举例 120HBS10 1000 30表示直径为10mm的钢球在1000kgf 9 807kN 载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120 测量比较软的材料 测量范围HBS 450 HBW 650的金属材料 使用范围 压痕大 测量准确 但不能测量成品件 适用于未经淬火的钢 铸铁 有色金属或质地轻软的轴承合金 优缺点 1 2 2洛氏硬度 洛氏硬度试验是指采用顶角为120 的金刚石圆锥体或直径为1 588mm的淬火钢球作为压头 试验时先施加初载荷 使压头与试样表面接触良好 保证测量准确 再施加主载荷 保持到规定的时间后再卸除主载荷 依据压痕的深度来确定材料的硬度值 洛氏硬度用符号HR表示 HR k h1 h0 0 002 20 67 1500N 120 金刚石圆锥体 HRC 25 100 1000N 1 588mm钢球 HRB 70 85 600N 120 金刚石圆锥体 HRA 使用范围 缺点 压痕小 测量不准确 需多次测量 优缺点 优点 操作简便 迅速 效率高 可直接测量成品件及高硬度的材料 1 2 3维氏硬度和显微硬度 维氏硬度测试原理与布氏硬度相同 不同的是维氏硬度用的压头是两相对面间的夹角为136 的金刚石正四棱锥体 在载荷P的作用下 在试样表面上压出一个四方锥形的压痕 凹坑 测量压痕对角线的长度d 以计算压痕的表面积 以载荷P除以表面积的数值表示维氏硬度HV P为负荷 单位克 d是压痕对角线长度 单位微米 测量出d值后 可查表或计算求得显微硬度值 优点 载荷P可以从1Kg 100Kg范围内根据试样大小 厚薄进行选择 改变负荷可测定从极软到极硬材料的硬度 显微硬度测试原理与维氏硬度完全相同 只是所用载荷要小得多 一般小于200g力 常用于测定材料中某个相的硬度 几种硬度比较 1 3冲击载荷下材料的力学性能 1 3 1冲击试验方法1 3 2冲击韧性1 3 3低温脆性 1 冲击试样夏比U形缺口试样和夏比V形缺口试样 我国多采用夏比U形缺口试样 1 3 1冲击试验方法 2 冲击实验 金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力 定义 1 3 2冲击韧性 试验原理 试样被冲断过程中吸收的能量即冲击吸收功 Ak 等于摆锤冲击试样前后的势能差 计算公式 Ak GH1 GH2 G H1 H2 冲击韧性 ak 冲击吸收功Ak除以标准试样缺口处截面积S J m2 冷脆转变 当温度降至某一数值或温度范围时 冲击韧性值急剧下降 此转变称为冷脆转变 相应的温度称为冷脆转变温度 1 3 2低温脆性 由于早年的Titanic号采用了含硫高的钢板 韧性很差 特别是在低温呈脆性 所以 冲击试样是典型的脆性断口 近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性 Titanic号钢板 左图 和近代船用钢板 右图 的冲击试验结果 Titanic沉没原因 1 4疲劳载荷下材料的力学性能 疲劳极限 1疲劳 承受载荷的大小和方向随时间作周期性变化 交变应力作用下 材料往往在远小于强度极限 甚至小于屈服极限的应力下发生断裂 疲劳极限 材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值 条件疲劳极限 经受指定应力循环次数而不致断裂的最大应力值 比如107次 90 的断裂由疲劳造成 c 2003Brooks Cole adivisionofThomsonLearning Inc ThomsonLearning isatrademarkusedhereinunderlicense 1 5高温条件下材料的力学性能 材料在长时间的恒温 恒应力作用下 发生缓慢塑性变形的现象称为蠕变 高温下 0 4Tm 蠕变明显 材料强度用蠕变强度和持久强度表示 1 蠕变强度指材料在一定温度下一定时间内产生一定永久变形量所能承受的最大应力 比如 0 2 500800 200MPa表示800摄氏度下500小时发生0 2 应变的蠕变极限为200MPa 2 持久强度指材料在一定温度下一定时间内所能承受的最大断裂应力 比如 100800 120MPa表示800摄氏度下100小时的持久强度极限为120MPa 1 6断裂韧性 由于裂纹的存在破坏了材料的均匀连续性 改变了材料内部应力状态和应力分布 传统的力学强度理论已不再适用 断裂力学就是在承认机件中存在宏观裂纹的前提下发展起来的 应力场强度因子KI 描述裂纹尖端附近应