第一章金属材料的力学性能PPT课件

1、1一一 静载荷条件下材料的力学性能静载荷条件下材料的力学性能 材料的静载性能指标有哪些材料的静载性能指标有哪些? ? 发生过量弹性变形的原因是什么发生过量弹性变形的原因是什么? ?设计时应选择什设计时应选择什么性能指标么性能指标? ? 发生过量塑性变形的原因是什么发生过量塑性变形的原因是什么? ?抗力指标有哪些抗力指标有哪些? ?问 题材料的静载性能指标刚度和强度指标弹性和塑性指标硬度指标韧性指标（放在断裂中讲）第1页/共57页2拉伸试样拉伸试验机应力 = P/F0应变 = (l-l0)/l0（一）静拉伸试验及材料的强度与塑性第2页/共57页3弹性变形、塑性变形弹性变形非线性弹性变形第3页/共

2、57页4 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为为变形。变形。 外力去除后能够恢复的变形称为外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形。弹性变形。 外力去除后不能恢复的变形称为外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。塑性变形。 五万吨水压机第4页/共57页51 1 弹性极限和刚度弹性极限和刚度（1 1）弹性极限）弹性极限 e e：弹性的指标为弹性的指标为 e e ，即，即材料承材料承受最大弹性变形时的应力。受最大弹性变形时的应力。（2 2）刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指）刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性摸量标为弹性摸量E E。 刚度

3、越大，零构件发生的弹性变形越小。（在刚度越大，零构件发生的弹性变形越小。（在同样的载荷下）同样的载荷下） 弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小很小. .可以通过增加横截面积或改变截面形状来可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。提高零件的刚度。第5页/共57页6）（MPatgE e低碳钢的应力-应变曲线第6页/共57页7（1 1）屈服点）屈服点 s s材料发生微量塑性变

4、形时的应力值。条件屈服强度0.2：残余变形量为0.2%时的应力值。s0.2（2）抗拉强度 b材料断裂前所承受的最大应力值。2 材料强度第7页/共57页8 （1 1）伸长率：伸长率：%100001 lll %100010 FFF （2）断面收缩率：断裂后拉伸试样的颈缩现象塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。指标为：3 3 材料的塑性材料的塑性第8页/共57页9说明：说明： 用用 表示塑性比表示塑性比 更接近真实变形。更接近真实变形。 直径直径d d0 0 相同时，相同时，l l0 0 ，。只有当。只有当l l0 0/d/d0 0 为常数时，塑性值才有可比性。为常数时，塑性值才有可比性。

5、 当当l l0 0=10d=10d0 0 时，伸长率用时，伸长率用 表示；表示； 当当l l0 0=5d=5d0 0 时，伸长率用时，伸长率用 5 5 表示。显表示。显然然 5 5 时，无颈缩，为脆性材料表征时，无颈缩，为脆性材料表征 105低周疲劳: Nf105疲劳曲线第39页/共57页404 4 影响疲劳抗力的因素影响疲劳抗力的因素（1 1） 载荷类型载荷类型（2 2） 材料本质材料本质（3 3） 零件表面状态零件表面状态（4 4） 工作温度工作温度（5 5） 腐蚀介质腐蚀介质第40页/共57页41第41页/共57页42总总 结结1 1 疲劳断裂是零构件常见的一种失效形式，它是一疲劳断裂是

6、零构件常见的一种失效形式，它是一种种脆性断裂，危害很大。脆性断裂，危害很大。疲劳断裂与静载荷或一次冲击加载断裂相比，具有疲劳断裂与静载荷或一次冲击加载断裂相比，具有以以下特点：下特点：（1 1）疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命地）疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命地断断裂。其断裂应力往往裂。其断裂应力往往 疲劳极限疲劳极限 s s，甚至甚至 b b。（2 2）疲劳是脆性断裂，由于一般疲劳应力水平）疲劳是脆性断裂，由于一般疲劳应力水平 b b不论韧性材料还是脆性材料在疲劳断裂前均不会产不论韧性材料还是脆性材料在疲劳断裂前均不会产生生塑性变形及有形变预兆塑性变形及有形变预兆（3 3）疲劳对缺

7、陷（缺口裂纹及组织缺陷）十分敏）疲劳对缺陷（缺口裂纹及组织缺陷）十分敏感感第42页/共57页432 2 无裂纹零构件设计中常用的疲劳抗力指标是疲劳无裂纹零构件设计中常用的疲劳抗力指标是疲劳极极限、过载持久值（和疲劳缺口敏感度）。限、过载持久值（和疲劳缺口敏感度）。 工作应力工作应力sss疲劳极限，疲劳极限，构件在一定的周次下构件在一定的周次下断断裂，该周次称为过载持久值。工作应力越大，过载裂，该周次称为过载持久值。工作应力越大，过载持持久值越低。久值越低。3 3 疲劳断口上可清楚显示疲劳裂纹源、疲劳裂纹扩疲劳断口上可清楚显示疲劳裂纹源、疲劳裂纹扩展区和最后断裂区。所以，根据断口就可判断是否展区

8、和最后断裂区。所以，根据断口就可判断是否发发生疲劳断裂。生疲劳断裂。第43页/共57页44三三 金属材料的断裂韧度金属材料的断裂韧度1943年美国T-2油轮发生断裂北极星导弹 油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关第44页/共57页45裂纹扩展的基本形式（一）裂纹扩展的基本形式第45页/共57页461 应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。aYKI 2/1)( cca 2 断裂韧度：是评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标，指的是材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。（二）断裂韧性及衡量指标（二）断裂韧性及衡量指标CCICaYK 第46页/共57页4723/mMNC为断裂应力，

9、aC为临界裂纹半长，单位为 MPam 1/2 或2 应用（判断构件是否安全，合理选材） KI KIC 构件发生脆性断裂 KI KIC 构件发生低应力脆性断裂的临界条件3 应用场合：主要用于高强度钢制造的飞机、导弹和火箭的零件，或者是用中低强度钢制造气轮机转子、大型发电机转子等。第47页/共57页48三三 影响脆性断裂的因素影响脆性断裂的因素 加载方式加载方式 材料本质材料本质 温度和加载速度温度和加载速度 应力集中应力集中 零件尺寸零件尺寸第48页/共57页49总总 结结 材料的断裂分为：韧性断裂和脆性断裂材料的断裂分为：韧性断裂和脆性断裂 材料的韧性指标：冲击吸收功、冲击韧度、材料材料的韧性

10、指标：冲击吸收功、冲击韧度、材料韧韧脆转变温度和断裂韧度，前三个用于评价材料韧性脆转变温度和断裂韧度，前三个用于评价材料韧性的的好坏，也可用于一般零件的抗断裂设计；断裂韧度好坏，也可用于一般零件的抗断裂设计；断裂韧度可可用于材料抵抗低应力脆性断裂的设计。用于材料抵抗低应力脆性断裂的设计。 材料的以上韧性指标均可用合金化和热处理等方材料的以上韧性指标均可用合金化和热处理等方法法改变。改变。第49页/共57页50四四 高温下材料的力学性能高温下材料的力学性能问问 题题1 1 金属材料在高温下的力学行为有哪些特点？金属材料在高温下的力学行为有哪些特点？2 2 什么是材料的蠕变？什么是材料的蠕变？3

11、3 评价金属材料高温力学性能指标有哪些？评价金属材料高温力学性能指标有哪些？4 4 高温下零件的失效方式有哪些？如何防止？高温下零件的失效方式有哪些？如何防止？概概 述述 在高压蒸汽锅炉，汽轮机燃气轮机柴油机化工炼油在高压蒸汽锅炉，汽轮机燃气轮机柴油机化工炼油设备以及航空发动机中很多机件是长期在高温条件下设备以及航空发动机中很多机件是长期在高温条件下运转的运转的第50页/共57页51（一）材料在高温下的力学行（一）材料在高温下的力学行为为1 1 材料的强度随温度的升高而降抵。材料的强度随温度的升高而降抵。2 2 高温下材料的强度随时间的延长而降抵。高温下材料的强度随时间的延长而降抵。3 3 高

12、温下材料的变形量随时间的延长而增加。高温下材料的变形量随时间的延长而增加。（二）蠕变和蠕变曲线1 蠕变：材料在长时间的恒温恒应力作用下即使应力小于该温度下的屈服点也会缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变。第51页/共57页522 2 蠕变曲线蠕变曲线I 减速蠕变阶段II 恒速蠕变阶段III 加速蠕变阶段第52页/共57页53第53页/共57页54（三）评价材料高温力学性能的指标1 蠕变极限：是高温下载荷长期作用时，材料对蠕变的抵抗能力。和常温下的屈服强度s相似。1 表示方法（1）在规定温度下使试样产生规定稳态蠕变速率的应力值 ，符号为（2）给定温度下，在规定时间内使试样产生一定蠕变总变形量d的应力值，符号为：Tt /T第54页/共57页552 持久强度：材料在高温下载荷长期作用时材料对断裂的