工程材料及成型技术第一章力学性能

1、 本章内容本章内容 1.1 1.1 材料的强度与塑性材料的强度与塑性 1.2 1.2 材料的硬度材料的硬度 1.3 1.3 材料的冲击韧性材料的冲击韧性 1.4 1.4 材料的断裂韧度材料的断裂韧度 重点掌握重点掌握 各种力学性能指标（强度各种力学性能指标（强度, , 塑性；冲击韧性；硬度塑性；冲击韧性；硬度 HBHB，HRCHRC，HVHV；疲劳强度，断裂韧性。）的物理意；疲劳强度，断裂韧性。）的物理意 义和单位。义和单位。 1.1 1.1 材料的强度与塑性材料的强度与塑性 1.1.1 1.1.1 静载时的强度静载时的强度 1.1.2 1.1.2 动载时的强度动载时的强度 1.1.31.1.

2、3 高温强度高温强度 1.1.4 1.1.4 塑性塑性 1.1.拉伸试样拉伸试样： 长试样：长试样：L L0 0= =1010d d0 0 短试样：短试样：L L0 0= =5 5d d0 0 L F 0 0 低碳钢拉伸曲线低碳钢拉伸曲线 脆性材料拉伸曲线脆性材料拉伸曲线 2.2.拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线：拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线： 转换：纵坐标为应力转换：纵坐标为应力 单位单位 MPa(MN/mmMPa(MN/mm2 2) )， 横坐标为应变横坐标为应变 其中：其中：=F/A0 表示材料抵抗变形和断裂的能力表示材料抵抗变形和断裂的能力 （L L1 1-L-L0 0

3、）/L/L0 0 = = L/LL/L0 0 1.1.11.1.1静载时的强度静载时的强度 如上图，拉伸曲线分为如下几个阶段：如上图，拉伸曲线分为如下几个阶段： 1 1）阶段）阶段I I（opeope）弹性变形阶段弹性变形阶段 Fp Fp ，Fe Fe （不产生永久变形的最大抗力）（不产生永久变形的最大抗力） opop段：段：L PL P 直线阶段直线阶段 pepe段：极微量塑性变形（段：极微量塑性变形（0.001-0.005%)0.001-0.005%) 2 2）阶段）阶段IIII（essess）段）段屈服阶段屈服阶段（屈服变形）（屈服变形） S: S: 屈服点屈服点 FsFs 3 3）阶段

4、）阶段IIIIII（sbsb）段）段强化阶段强化阶段（均匀塑性变形）（均匀塑性变形） b b点，点，FbFb 材料所能承受的最大载荷。材料所能承受的最大载荷。 4 4）阶段）阶段IV(bK) IV(bK) 段段颈缩阶段颈缩阶段 铸铁、陶瓷：只有第铸铁、陶瓷：只有第I I阶段阶段 中、高碳钢：没有第中、高碳钢：没有第IIII阶段阶段 1 1刚度和弹性刚度和弹性 刚度刚度材料在受力时，抵抗弹性变形的能力材料在受力时，抵抗弹性变形的能力。 E=/ E=/ 杨氏弹性模量杨氏弹性模量 GPa, MPaGPa, MPa 本质是：反映了材料内部原子结构应力的大小，本质是：反映了材料内部原子结构应力的大小，

5、组织不敏感的力系指标。组织不敏感的力系指标。 比例极限比例极限：p=Fp/Aop=Fp/Ao 应力应力应变保持线性关应变保持线性关 系的极限应力值。系的极限应力值。 弹性弹性 材料不产生塑性变形的情况下，所能承受的最大材料不产生塑性变形的情况下，所能承受的最大 应力。应力。 弹性极限弹性极限：e=Fe/Ao e=Fe/Ao 不产永久变形的最大抗力。不产永久变形的最大抗力。 2.2.强度：强度：材料在外力作用下抵抗变材料在外力作用下抵抗变 形和破坏的能力。形和破坏的能力。 屈服强度屈服强度 s s：材料发生微量塑性变形：材料发生微量塑性变形 时的应力值。即时的应力值。即在拉伸试验过程中，在拉伸试

6、验过程中， 载荷不增加，试样仍能继续伸长时的载荷不增加，试样仍能继续伸长时的 应力。应力。 条件屈服强度条件屈服强度 0.2 0.2： ：高碳钢等无屈服点，高碳钢等无屈服点， 国家标准规定以国家标准规定以残余变形量为残余变形量为0.2%0.2%时的时的 应力值作为它的条件屈服强度，以应力值作为它的条件屈服强度，以 0.2 来表示。来表示。 抗拉强度抗拉强度 b b：材料断裂前所承受的最大：材料断裂前所承受的最大 应力值。应力值。（材料抵抗外力而不致断裂（材料抵抗外力而不致断裂 的极限应力值）。的极限应力值）。 s 0.2 疲劳疲劳：承受载荷的大小和方向随时间作：承受载荷的大小和方向随时间作 周

7、期性变化，交变应力作用下，往往在周期性变化，交变应力作用下，往往在 远小于强度极限，甚至小于屈服极限的远小于强度极限，甚至小于屈服极限的 应力下发生断裂。应力下发生断裂。 疲劳强度疲劳强度-1 -1 ： ：材料经无数次应力循环而不发生疲材料经无数次应力循环而不发生疲 劳断裂的最高应力值。劳断裂的最高应力值。 条件疲劳极限条件疲劳极限：经受经受10107 7应力循环而不致断裂的最大应力值应力循环而不致断裂的最大应力值。 陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低，金属材料疲劳强度陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低，金属材料疲劳强度 较高，纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能。较高，纤维增强复合材料也有较好的抗疲

8、劳性能。 影响因素影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹 杂物、表面状态、残余应力等。杂物、表面状态、残余应力等。 1.1.21.1.2动载时的强度动载时的强度疲劳强度（疲劳强度（80%80%的断裂由疲劳造成的断裂由疲劳造成） 周次 轴的疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳辉纹（扫描电镜照片） 通过通过改善材料的形状结构改善材料的形状结构，减少表面缺陷减少表面缺陷，提高表面提高表面 光洁度光洁度，进行表面强化进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。等方法可提高材料疲劳抗力。 1.1.31.1.3高温强度高温强度 蠕变极限蠕变极限：指金

9、属在给定温度下和规定时间内：指金属在给定温度下和规定时间内 产生一定变形量的应力。产生一定变形量的应力。 0.1/1000 0.1/1000600 600 =88MPa =88MPa 持久强度持久强度：指金属在给定温度下和规定时间内，：指金属在给定温度下和规定时间内， 使材料发生断裂的应力。使材料发生断裂的应力。 100 100800 800 =186MPa =186MPa 伸长率伸长率 延伸率与试样尺寸有关：延伸率与试样尺寸有关：5 5、10 10 (L (L0 0=5d,10d)=5d,10d) 断面收缩率断面收缩率 = =A/Ao=(Ao-Ak)/Ao x 100%A/Ao=(Ao-Ak

10、)/Ao x 100% 时，无颈缩，为脆性材料表征；时，无颈缩，为脆性材料表征； K KIC IC时，裂纹失稳扩展，发生脆断。 时，裂纹失稳扩展，发生脆断。 K KI I K KIC IC时，裂纹处于临界状态 时，裂纹处于临界状态 K K I I K KIC IC时，裂纹扩展很慢或不扩展，不发生脆断。 时，裂纹扩展很慢或不扩展，不发生脆断。 K KIC IC可通过实验测得，它是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指 可通过实验测得，它是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指 标。是材料的一种固有特性，与裂纹本身的大小、形状、外加应力标。是材料的一种固有特性，与裂纹本身的大小、形状、外加应力 等无关，而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。等无关，而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。 4 4应用应用 断裂韧性是强度和韧性的综合体现。断裂韧性是强度和韧性的综合体现。 （1 1）探测出裂纹形状和尺寸，根据）探测出裂纹形状和尺寸，根据K KIC IC ，制定零件工作 ，制定零件工作 是否安全是否安全K