化工设备机械基础 第二章 材料的力学性能

1、2.2 材料的力学性能材料的力学性能1第一篇第一篇 力学基础力学基础2.2 材料的力学性能材料的力学性能2.2 材料的力学性能材料的力学性能2材料的性能包括：材料的性能包括：物理性能，力学性能，化学性能，物理性能，力学性能，化学性能，和加工工艺性能。和加工工艺性能。材料的力学性能：材料的力学性能：指材料在外力作用下在强度和变形指材料在外力作用下在强度和变形方面所表现出的性能。材料的力学性能是通过力学实方面所表现出的性能。材料的力学性能是通过力学实验得到的。验得到的。 四种力学实验：四种力学实验：拉伸（压缩）实验；金属的缺口冲击实验；硬拉伸（压缩）实验；金属的缺口冲击实验；硬度实验；弯曲实验；度

2、实验；弯曲实验；2.2 材料的力学性能材料的力学性能2.2 材料的力学性能材料的力学性能3 低碳钢拉伸时的力学性能低碳钢拉伸时的力学性能2.2 材料的力学性能材料的力学性能 GB/T228.1-2010：金属材料金属材料 拉伸试验拉伸试验 第第1部分：室温试验方部分：室温试验方法法 代替了代替了GB/T228-20022.2 材料的力学性能材料的力学性能4 低碳钢拉伸时的力学性能低碳钢拉伸时的力学性能2.2 材料的力学性能材料的力学性能适用标准：适用标准：GB/T228测量对象：金属、非金属、高测量对象：金属、非金属、高分子材料的拉伸、压缩、弯曲、分子材料的拉伸、压缩、弯曲、剪切等剪切等曲线：

3、力曲线：力-位移、力位移、力-时间、位时间、位移移-时间、应力时间、应力-应变曲线应变曲线电子拉伸试验机电子拉伸试验机2.2 材料的力学性能材料的力学性能5 低碳钢拉伸时的力学性能低碳钢拉伸时的力学性能低碳钢是指含碳量在低碳钢是指含碳量在0.3%以下的碳素钢。以下的碳素钢。两端粗两端粗便于装夹、防止在装夹部分破坏。便于装夹、防止在装夹部分破坏。试验段试验段中间较细等截面部分。中间较细等截面部分。2.2 材料的力学性能材料的力学性能2.2 材料的力学性能材料的力学性能62.2 材料的力学性能材料的力学性能试件试件圆截面试件圆截面试件: 标距标距l与直径与直径d的比例为，的比例为， L10d，L=

4、5d； d=10mm 矩形截面矩形截面: 标距标距l与横截面面积与横截面面积A的比例为，的比例为， l11.3 A,Al65. 5， 2.2 材料的力学性能材料的力学性能7 低碳钢拉伸时的力学性能低碳钢拉伸时的力学性能2.2 材料的力学性能材料的力学性能电子拉伸电子拉伸试验机试验机实验过程：实验过程：将试件装到试验机上，开将试件装到试验机上，开动机器，使之受到从零开动机器，使之受到从零开始逐渐增加的拉力始逐渐增加的拉力P，自，自动绘图仪便绘出动绘图仪便绘出PL曲曲线：拉伸曲线或拉伸图。线：拉伸曲线或拉伸图。 2.2 材料的力学性能材料的力学性能82.2 材料的力学性能材料的力学性能1）拉伸图（

5、）拉伸图（PL）由于由于PL曲线与试样的曲线与试样的尺寸有关，为了消除试件尺寸有关，为了消除试件尺寸的影响，采用应力应尺寸的影响，采用应力应变曲线，即变曲线，即曲线来代曲线来代替替PL曲线。曲线。PL2.2 材料的力学性能材料的力学性能92.2 材料的力学性能材料的力学性能2）应力）应力-应变曲线（应变曲线（ ）0/ AP0/ll弹性阶段（弹性阶段（ob）屈服阶段（屈服阶段（bc）强化阶段（强化阶段（cd）颈缩阶段（颈缩阶段（df）2.2 材料的力学性能材料的力学性能102.2 材料的力学性能材料的力学性能oa段：段：应力与应变为直线关系，应力与应变为直线关系，a点所对应的应力值称为点所对应的

6、应力值称为比比例极限例极限p 。它是应力与应变成正比例的最大极限。此段写。它是应力与应变成正比例的最大极限。此段写成等式为：成等式为：即胡克定律，它表示当工作应力小于即胡克定律，它表示当工作应力小于p时，应力与应变成时，应力与应变成正比。正比。E弹性变形阶段弹性变形阶段（ob段）：段）：2.2 材料的力学性能材料的力学性能112.2 材料的力学性能材料的力学性能当应力增加到当应力增加到b点时，再将其降为零，应变随之消失；点时，再将其降为零，应变随之消失；一旦应力超过一旦应力超过b点，卸载后，有一部分应变不能消除；点，卸载后，有一部分应变不能消除；b点的应力定义为弹性极限点的应力定义为弹性极限e

7、。2.2 材料的力学性能材料的力学性能120/ AP0/llE00PE lAl00EAPll 2.2 材料的力学性能材料的力学性能E值的大小反应材料抵抗弹性变形能力的高低。值的大小反应材料抵抗弹性变形能力的高低。不同材料的不同材料的E值不同。值不同。虎克定律的又一形式。可用于计算纵向变形量。虎克定律的又一形式。可用于计算纵向变形量。EA0抗拉抗压刚度。抗拉抗压刚度。2.2 材料的力学性能材料的力学性能1300EAPll 2.2 材料的力学性能材料的力学性能E值的大小反应材料抵抗弹性变形能力的高低。值的大小反应材料抵抗弹性变形能力的高低。不同材料的不同材料的E值不同。值不同。钢的钢的E值为值为2

8、105MPa，铜的铜的E值为值为1105MPa，哪个抵抗变形能力强？哪个抵抗变形能力强？E值大抵抗材料弹性变形能力就大。值大抵抗材料弹性变形能力就大。2.2 材料的力学性能材料的力学性能14横向变形量：横向变形量：横向应变：横向应变： ddd10d 拉：0d压：dd /0拉：0压：./const横向变形系数（泊松比）横向变形系数（泊松比） 2.2 材料的力学性能材料的力学性能设设d1杆件拉（压）后的直径；杆件拉（压）后的直径；d原来的直径。原来的直径。则：则：1dPPdl1l2.2 材料的力学性能材料的力学性能152.2 材料的力学性能材料的力学性能 继续对材料加载，会出现一种现象，即在应力增

9、加很少或继续对材料加载，会出现一种现象，即在应力增加很少或不增加时，应变会很快增加，这种现象叫屈服。不增加时，应变会很快增加，这种现象叫屈服。 开始发生屈服的点对应的应力叫屈服极限开始发生屈服的点对应的应力叫屈服极限s 。 在屈服阶段应变不断增加，而应力不变；当屈服时，材料在屈服阶段应变不断增加，而应力不变；当屈服时，材料产生显著的塑性变形，是衡量材料强度的重要指标。产生显著的塑性变形，是衡量材料强度的重要指标。屈服阶段屈服阶段（bc段）：段）：2.2 材料的力学性能材料的力学性能16l 经过屈服阶段以后，材料又具有了较弱的抵抗变形的能力，经过屈服阶段以后，材料又具有了较弱的抵抗变形的能力，要

10、使材料继续变形必须增加拉力，这种现象称为材料的强化。要使材料继续变形必须增加拉力，这种现象称为材料的强化。2.2 材料的力学性能材料的力学性能强化阶段强化阶段（cd段）：段）：2.2 材料的力学性能材料的力学性能17l 变形特点：大比例的塑性变形伴有少量的弹性变形。变形特点：大比例的塑性变形伴有少量的弹性变形。lb 强度极限。强化阶段最高点强度极限。强化阶段最高点d点点所对应的应力。为材所对应的应力。为材料所能承受的最大应力。为塑性材料重要强度指标。料所能承受的最大应力。为塑性材料重要强度指标。l 此阶段试件横向尺寸有明显缩小。此阶段试件横向尺寸有明显缩小。Q235钢：钢： 400MPab2.

11、2 材料的力学性能材料的力学性能强化阶段强化阶段（cd段）：段）：2.2 材料的力学性能材料的力学性能182.2 材料的力学性能材料的力学性能颈缩阶段颈缩阶段（df段）：段）： 过过d点后，局部截面急剧缩小，出现点后，局部截面急剧缩小，出现”颈缩颈缩”现现象，因此试件继续伸长所需拉力也相应减小，降象，因此试件继续伸长所需拉力也相应减小，降至至f点试件被拉断。断后弹性变形消失，塑性变点试件被拉断。断后弹性变形消失，塑性变形依然保留，标距由原长形依然保留，标距由原长l0变为变为l1，横截面积由原，横截面积由原始值始值A0 变为变为A1（断口处）。（断口处）。2.2 材料的力学性能材料的力学性能19

12、%100001lll延伸率（相对伸长率）延伸率（相对伸长率）%100010AAA截面收缩率截面收缩率 ， 表示材料直到被拉断时塑性变形所能达到的最大程度。表示材料直到被拉断时塑性变形所能达到的最大程度。数值越大，说明塑性越好。数值越大，说明塑性越好。2.2 材料的力学性能材料的力学性能颈缩阶段颈缩阶段（df段）：段）：定义：定义：2.2 材料的力学性能材料的力学性能202.2 材料的力学性能材料的力学性能 5%塑性材料。塑性材料。 低碳钢（低碳钢（=2030%， 60 70%），），Cu，Al等。等。 5%脆性材料。脆性材料。 铸铁、玻璃等。铸铁、玻璃等。2.2 材料的力学性能材料的力学性能2

13、12.2 材料的力学性能材料的力学性能 卸载定律：卸载定律：拉伸实验过程中，如果应力尚未达到拉伸实验过程中，如果应力尚未达到材料的弹性极限，就将载荷去掉，那么试件将恢材料的弹性极限，就将载荷去掉，那么试件将恢复原来的形状，材料性能不会发生任何变化。复原来的形状，材料性能不会发生任何变化。卸载定律与冷加工硬化卸载定律与冷加工硬化2.2 材料的力学性能材料的力学性能222.2 材料的力学性能材料的力学性能 冷冷加工加工硬化：硬化：在常温下将材料预先加载到强化阶段（在常温下将材料预先加载到强化阶段（e点），点），然后卸载，再次加载时（然后卸载，再次加载时（O1e1为加载线），比例极限提高，为加载线）

14、，比例极限提高，但塑性（但塑性（O1g）降低的现象。）降低的现象。2.2 材料的力学性能材料的力学性能232.2 材料的力学性能材料的力学性能其他材料的拉伸实验其他材料的拉伸实验1、无明显屈服阶段无明显屈服阶段的塑性材料的塑性材料特点：只有弹性和强特点：只有弹性和强化阶段，但塑性良好。化阶段，但塑性良好。如：锰钢，镍钢，青如：锰钢，镍钢，青铜铜2.2 材料的力学性能材料的力学性能242.2 材料的力学性能材料的力学性能其他材料的拉伸实验其他材料的拉伸实验 国标规定以产生国标规定以产生0.2%的塑性变形所对应的的塑性变形所对应的应力作为材料的名义应力作为材料的名义屈服极限，用屈服极限，用0.2表

15、示。表示。2.2 材料的力学性能材料的力学性能252.2 材料的力学性能材料的力学性能2. 脆性材料：脆性材料：无明显塑性变形；无明显塑性变形；无颈缩现象；无颈缩现象；突然拉断，变形小；突然拉断，变形小；应力应变不存在严格的正应力应变不存在严格的正比关系；比关系；拉断时之应力称为抗拉强度极限拉断时之应力称为抗拉强度极限b 。如：铸铁、玻璃钢、陶瓷等。如：铸铁、玻璃钢、陶瓷等。2.2 材料的力学性能材料的力学性能262.2 材料的力学性能材料的力学性能2. 脆性材料：脆性材料：b是衡量脆性材料强度是衡量脆性材料强度的唯一指标。的唯一指标。b很低很低，脆性材料不宜脆性材料不宜作承拉件。作承拉件。

16、2.2 材料的力学性能材料的力学性能272.2 材料的力学性能材料的力学性能 金属材料压缩试件做成金属材料压缩试件做成圆柱形，为避免压弯，圆柱形，为避免压弯，取取h=(1.5-3)d.压缩实验压缩实验 对于塑性材料，屈服前表现的性质曲线与拉伸时对于塑性材料，屈服前表现的性质曲线与拉伸时重合，比例极限与弹性模量与拉伸时大致相同，重合，比例极限与弹性模量与拉伸时大致相同，所以塑性材料一般不作压缩试验。所以塑性材料一般不作压缩试验。 2.2 材料的力学性能材料的力学性能282.2 材料的力学性能材料的力学性能 对于脆性材料，对于脆性材料，如铸铁：如铸铁：无明显直线部分，无屈服无明显直线部分，无屈服阶

17、段，在很小的塑性变形阶段，在很小的塑性变形下即被突然压坏。破断面下即被突然压坏。破断面与轴线约成与轴线约成 45斜截面上。斜截面上。 抗压强度比抗拉强度高抗压强度比抗拉强度高3-4倍，宜做承压件。如机床倍，宜做承压件。如机床床身、机座、轴承座等。床身、机座、轴承座等。压缩实验压缩实验压 缩452sin21x铸铁压缩时的曲线铸铁压缩时的曲线2.2 材料的力学性能材料的力学性能292.2 材料的力学性能材料的力学性能 短时静载实验。短时间，逐渐加载完成。短时静载实验。短时间，逐渐加载完成。 高温或低温情况下，强度指标（高温或低温情况下，强度指标（ s ， b ）和塑性指标（和塑性指标（，）有什么变

18、化？）有什么变化？温度对材料的力学性能的影响温度对材料的力学性能的影响2.2 材料的力学性能材料的力学性能302.2 材料的力学性能材料的力学性能高温对短期静载试验的影响：高温对短期静载试验的影响：低碳钢：低碳钢：温度温度E， s ，抵抗弹性变形的能力下降；，抵抗弹性变形的能力下降；温度温度 b 先先后急剧后急剧；温度温度 抵抗横向变形能力下降。抵抗横向变形能力下降。低碳钢在低碳钢在350以后，屈服阶段消失。以后，屈服阶段消失。温度对材料的力学性能的影响温度对材料的力学性能的影响2.2 材料的力学性能材料的力学性能312.2 材料的力学性能材料的力学性能2.2 材料的力学性能材料的力学性能32

19、2.2 材料的力学性能材料的力学性能高温对长期加载的影响：高温对长期加载的影响：高温蠕变高温蠕变在高温下承载的构件在高温下承载的构件(碳钢超过碳钢超过300-350，合金钢超过合金钢超过350-400)，虽然载荷大小，虽然载荷大小不变，变形不变，变形(塑性塑性)却随时间不断增加的现象。却随时间不断增加的现象。危害：危害：引起外观尺寸改变。如：汽轮机叶片与轮壳引起外观尺寸改变。如：汽轮机叶片与轮壳相碰而打碎。相碰而打碎。温度对材料的力学性能的影响温度对材料的力学性能的影响2.2 材料的力学性能材料的力学性能332.2 材料的力学性能材料的力学性能应力松弛应力松弛由于蠕变使弹性变形逐渐转化为塑性由

20、于蠕变使弹性变形逐渐转化为塑性变形，从而引起构件内应力减小的现象。变形，从而引起构件内应力减小的现象。现象：现象：高温容器法兰联结螺栓松弛后使法兰与垫片高温容器法兰联结螺栓松弛后使法兰与垫片间压紧力减小而发生泄漏（密封失效）；汽轮机间压紧力减小而发生泄漏（密封失效）；汽轮机转子与轴之间的紧配合松脱。转子与轴之间的紧配合松脱。 蠕变速度与温度和应力成正比。在允许的最大变蠕变速度与温度和应力成正比。在允许的最大变形量一定时，蠕变速度越高，工作寿命越短。形量一定时，蠕变速度越高，工作寿命越短。温度对材料的力学性能的影响温度对材料的力学性能的影响2.2 材料的力学性能材料的力学性能342.2 材料的力

21、学性能材料的力学性能材料的高温强度指标材料的高温强度指标 蠕变极限蠕变极限n ：在一定高温下，为使蠕变速度不超过一定在一定高温下，为使蠕变速度不超过一定值时所允许的最大应力，称为该温度、该蠕变速度下材料值时所允许的最大应力，称为该温度、该蠕变速度下材料的蠕变极限。的蠕变极限。 发生蠕变的试件，经过一段时间将发生断裂。发生蠕变的试件，经过一段时间将发生断裂。 持久强度限持久强度限D ：在一定高温下，在规定时间内在一定高温下，在规定时间内t不发生断不发生断裂所允许的最高应力，称为材料在该温度下经历时间为裂所允许的最高应力，称为材料在该温度下经历时间为t的持久强度限。的持久强度限。 温度对材料的力学

22、性能的影响温度对材料的力学性能的影响2.2 材料的力学性能材料的力学性能352.2 材料的力学性能材料的力学性能低温对短期静载试验的影响：低温对短期静载试验的影响：低碳钢：低碳钢：低碳钢、低合金钢低碳钢、低合金钢强度强度塑性塑性具有低温脆性具有低温脆性（冷脆现象）（冷脆现象）不锈钢、铜、铝等无此现象。不锈钢、铜、铝等无此现象。低温脆断需要引起高度重视。低温脆断需要引起高度重视。在20操作的容器，且器壁应力达到材料常温屈服限的1/6时，专门定为低温压力容器。低温容器在选材，设计，制造，检验方面有特殊要求和规定。温度对材料的力学性能的影响温度对材料的力学性能的影响2.2 材料的力学性能材料的力学性

23、能362.2 材料的力学性能材料的力学性能冲击冲击极短的时间内速度发生极大的变化。如极短的时间内速度发生极大的变化。如汽锤锻造、落锤打桩、高速飞轮突然刹车等均汽锤锻造、落锤打桩、高速飞轮突然刹车等均属冲击问题。属冲击问题。金属缺口冲击试验：金属缺口冲击试验：将带有缺口并具有标准尺将带有缺口并具有标准尺寸的长方形试件放在摆锤式冲击实验机上，利寸的长方形试件放在摆锤式冲击实验机上，利用摆锤下落时的冲击力，将试件从缺口处冲断。用摆锤下落时的冲击力，将试件从缺口处冲断。冲击功冲击功AK：摆锤冲断试件消耗的功（焦耳）。摆锤冲断试件消耗的功（焦耳）。金属的缺口冲击实验金属的缺口冲击实验2.2 材料的力学性

24、能材料的力学性能372.2 材料的力学性能材料的力学性能试件上的缺口是为了造试件上的缺口是为了造成应力集中，使断裂从成应力集中，使断裂从这里开始。根据测得的这里开始。根据测得的冲击功值判断材料对缺冲击功值判断材料对缺口的敏感程度。口的敏感程度。冲击功：冲击功：NmHHGAKV)(21金属的缺口冲击实验金属的缺口冲击实验2/KVKVASJ cm冲击韧性：单位断口截冲击韧性：单位断口截面的冲击功。面的冲击功。2.2 材料的力学性能材料的力学性能382.2 材料的力学性能材料的力学性能冲击韧性说明的问题：冲击韧性说明的问题：（1）材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力。）材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力。（2

25、）材料对微观缺陷的敏感性）材料对微观缺陷的敏感性防止材料在防止材料在低温下工作时出现低应力脆性断裂。低温下工作时出现低应力脆性断裂。金属的缺口冲击实验金属的缺口冲击实验2.2 材料的力学性能材料的力学性能392.2 材料的力学性能材料的力学性能硬度硬度材料抵抗其它物体压入其表面的能力。材料抵抗其它物体压入其表面的能力。与耐磨性（精度保持性）及强度都有一定关与耐磨性（精度保持性）及强度都有一定关系。对钢材：系。对钢材： b =3.6HB常用的有布氏硬度和洛氏硬度。常用的有布氏硬度和洛氏硬度。硬度实验硬度实验2.2 材料的力学性能材料的力学性能402.2 材料的力学性能材料的力学性能布氏硬度（布氏硬度（HBS）在布氏硬度试验机上，将一直径为在布氏硬度试验机上，将一直径为D的标准硬钢球，的标准硬钢球，以规定载荷（如以规定载荷（如3000Kgf）压入试样表面，保持一）压入试样表面，保持一定时间（如定时间（如10s），测出压痕直径），测出压痕直径d，则单位压痕面，则单位压痕面积上的平均压力即布氏硬度值：积上的平均压力即布氏硬度值： 硬度实验硬度实验220.5()PPHBSD D