机械工程材料双语教学ppt第二章--Mechanical Properties of metals

1、11.2.1 Elastic Deformation 弹性变形弹性变形 图1 日本SHIMADZU(岛津)AG-I 250KN精密万能试 验机（河科大材料学院）图2 拉伸部分的局部放大图21.2.1 Elastic Deformation 弹性变形弹性变形 图4 拉深试棒实物图图3 标准拉深试样简图31.2.1 Elastic Deformation 弹性变形弹性变形 We define engineering stress and engineering strain as follows:工程应力工程应力 工程应变工程应变 0AF000lllllF图图1-1 圆柱试样的拉伸示意图圆柱试样的

2、拉伸示意图F 外力外力A0 试样的原始截面积试样的原始截面积Fl l0A0 l0a) 拉伸前拉伸前b) 拉伸后拉伸后41.2.1 Elastic Deformation 弹性变形弹性变形 Youngs Modulus (Elastic Modulus) 弹性模量弹性模量 The ratio of stress to strain, /, in the linear elastic region is called Youngs Modulus. 刚度（刚度（stiffness）：）：指材料在受力时抵抗弹性变形的能力，它表示材料弹性变形的难易程度，用弹性模量E表示，E大则刚度大；E小则刚度小。

3、在弹性范围内，应力与应变的关系服从胡克定律 (Hookes law) 和分别为正应力正应力和切应力切应力； 和分别为正应变正应变和切应变切应变 = E = G 5拉伸试棒颈缩拉伸试棒颈缩照片照片断裂的试断裂的试棒棒图3 低碳钢拉深试验图6oe线线: 即外力不超过即外力不超过 Fe 时，试棒只发生时，试棒只发生弹性变形弹性变形 若去除外力，试棒就恢复到原长度若去除外力，试棒就恢复到原长度es线线：当外力超过：当外力超过 F。时，试棒除发生弹性变形外，。时，试棒除发生弹性变形外， 还发生塑性变形（还发生塑性变形（弹塑性变形弹塑性变形）；）； 外力去除后，试棒不能恢复到原有长度外力去除后，试棒不能恢

4、复到原有长度低碳钢的拉伸图低碳钢的拉伸图7屈服点（屈服点（S） ：如继续增大外力，超过：如继续增大外力，超过s点时，拉伸曲线上就出点时，拉伸曲线上就出现了近似水平的线段，此时试棒所受外力虽不再增加，但变形却现了近似水平的线段，此时试棒所受外力虽不再增加，但变形却继续增加，这种现象称为继续增加，这种现象称为“屈服屈服”，S点称为点称为屈服点屈服点。1.2.2 Plastic Deformation 塑性变形塑性变形低碳钢的拉伸图低碳钢的拉伸图8 脆性材料脆性材料（如普通铸铁、镁合金），甚至断裂时也不发生（如普通铸铁、镁合金），甚至断裂时也不发生塑性变形，通常规定产生塑性变形，通常规定产生0.2%

5、的塑性变形时的应力作为屈服强的塑性变形时的应力作为屈服强度，以度，以0.2 表示。表示。（一）屈服强度（一）屈服强度（ s ） 材料产生屈服现象时的应力为材料的屈服强度，单位为MPa )(sMPaAFsFs试棒产生屈服时所承受的最大外力(N) A试棒原始截面面积(mm2)9 试棒屈服时，产生试棒屈服时，产生加工硬化加工硬化（冷作硬化冷作硬化），载荷继续增加时，），载荷继续增加时，变形才能增加，直到载荷增加打最大值变形才能增加，直到载荷增加打最大值 Fb ，此时试棒产生径缩，此时试棒产生径缩（二）抗拉强度（二）抗拉强度（b）)(bbMPaAF 材料产生屈服现象时的应力为材料的屈服强度，单位为MP

6、a Fb试棒拉断前能承受的最大外力(N) A试棒原始截面面积(mm2)10 一般机器构件是不允许产生微小塑性变形的，因此机械设计应采用屈服强度应采用屈服强度s 或或0.2 但抗拉强度抗拉强度 b 测定方便测定方便，数据较准确，应此设计零件时也可直接采用抗拉强度指标，但需使用较大的安全系数 由上可知，强度强度是表征金属材料抵抗过量塑性变形塑性变形或断裂断裂的物理性能。（二）抗拉强度（二）抗拉强度（b）11 材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力称为塑性。塑性指标用伸长率伸长率和断面收缩率收缩率表示（三）塑性（三）塑性12单词和词组翻译单词和词组翻译 英译汉英译汉materialmateria

7、ls Sciencematerials Engineeringmechanical Propertiestechnology classificationintroductionheat treatmentsubstance applicationmetal polymer ceramic composite Semiconductor汉译英汉译英合金合金黑色金属黑色金属有色金属有色金属金属的金属的非金属的非金属的铁铁碳碳强度强度韧性韧性疲劳强度疲劳强度刚度刚度弹性模量弹性模量载荷载荷131.2.3 Hardness 硬度硬度 定义：金属表面局部体积内抵抗更硬物体压入的能力称为硬度。 硬度愈高

8、，表明金属抵抗局部塑性变形的能力愈大，塑性变形愈困难。 意义：硬度能较敏感地反映材料的成分与组织结构的变化，故可用来检验原材料和控制冷热加工质量。 测试金属硬度常用的指标种类有: （1） 布氏硬度 (HB) （2） 洛氏硬度 (HR) （3） 维氏硬度 (HV)141.2.3 Hardness 硬度硬度1） 布氏硬度（1890年，由瑞典工程师布利涅尔（Brinell）提出） 布氏硬度测量过程151.2.3 Hardness 硬度硬度根据国标GB231-84规定，硬度值写在布氏硬度符号前。 a. 当压头用淬火钢球时，符号为HBS。适用于硬度值在450以下的材料 ；因为硬度太高时，将使淬火钢球产生

9、变形。 b. 当压头用硬质合金球时，符号为HBW。适用于硬度值在450-650的材料 。 布氏硬度公式 161.2.3 Hardness 硬度硬度2）洛氏硬度（1919年，美国洛克威尔提出） 原理：利用一定的载荷，将夹角为120。的金刚石锥体或直径1.588 mm的淬火钢球压入试样，去除载荷后，根据压痕深度确定硬度值。 测试洛氏硬度时，直接从表盘读取数值即可 洛氏硬度测量过程171.2.3 Hardness 硬度硬度HRAHRBHRC 压压 头头 金刚石圆锥体 1.5875钢球 金刚石圆锥体总载荷总载荷 /N 588.37 980.67 1471.07 应应 用用 高硬度材料，如硬质合金较软材

10、料 ，如退火钢、铜、铝淬火钢等硬材料范范 围围 60-88HRA 20-100HRB 20-70HRC 表表1-1 1-1 洛氏硬度的分类洛氏硬度的分类181.2.3 Hardness 硬度硬度 d. HRC和HRA适用于测量淬火钢等较硬材料的硬度；HRB适用于退火钢、有色金属等较软的材料。 3）维氏硬度 (英国的维克斯Vickers公司) 压头：锥面夹角138。的金刚石四方角锥体，在载荷作用下，压出对角线长为d的正方形，测量d的长度，即可算出压痕面积A，单位面积所承受的压力为维氏硬度，用符号HV表示： 洛氏硬度与布氏硬度的近似关系：硬度与强度之间有一定联系，但无理论联系，有经验数据：191.

11、2.4 Toughness 韧性韧性材料在工作中经常要承受机械冲击，比如下面视频中的锻锤锤锻加工201.2.4 Toughness 韧性韧性摆锤冲击试验机摆锤冲断试样所作的功：冲击韧性：Ak=G ( H-H1 )ak= (J/cm2) 0AAk211.2.4 Toughness 韧性韧性冲击试验动画演示221.2.4 Toughness 韧性韧性 冲击韧性 冲击韧性试验还经常用于测定材料由韧性向脆性的转变温度，即韧脆(也称冷脆)转变温度。 Body-centered cubic metals, including ferritic steels, undergo a large change

12、in energy absorbed during fracture over a limited tem-perature range. The phenomenon is called the ductile-to-brittle tran-sition. In these materials the fracture behaviors is ductile at high tem-perature and brittle at low temperature.韧性向脆性的转变dktl 易延展的231.2.4 Toughness 韧性韧性 冲击韧性a. 一般来说，低碳钢和低强度钢的韧脆转

13、变温度较低且比较明显;而高碳钢和高强度钢看不出明显的韧脆转变温度b. 为避免脆性破坏，多采用0.20% C以下的低碳钢。钢中加入锰、镍等元索，可使韧脆转变温度降低。 241.2.4 Toughness 韧性韧性 冲击韧性“硫”使钢产生“热脆性”，使钢在热加工时产生断裂；“磷”使钢产生“冷脆性”，历史上很多有名的灾难性事件就是由“冷脆”引起的： （1） 1938年，比利时哈塞尔特城，气温-15，阿尔伯运河上的一座钢桥，突然出现裂缝，几分钟内就断成几节； （2） 1954年冬天，1万2千吨级的英国油轮“世界协和号”，正行驶在爱尔兰海面上，突然油轮中部出现裂缝，随后一分为二。真实案例251.2.4

14、Toughness 韧性韧性 冲击韧性“硫”使钢产生“热脆性”的原因： 硫在钢中形成FeS和MnS，它们不溶于钢液，且与钢互补浸润，钢凝固时会被排挤在晶界处呈长条状金属夹杂物，且其熔点低，钢凝固时它们仍为液态，因此S促使钢件热裂纹。“磷”使钢产生“冷脆性”的原因： 磷在钢液中以Fe2P形式存在， Fe2P也是低熔点相，聚集于钢的晶界处，消弱了晶粒的连接，特别是韧性下降。因此磷是促进铸钢件冷裂的重要原因之一。 真实案例261.2.5 Fatigue Strength 疲劳强度疲劳强度 1）交变应力 如轴、齿轮、连杆等所承受的载荷，不仅大小改变，同时方向也改变，这种载荷在零件内部引起随时间而不断变

15、化的应力，称为交变应力。 下图为对称循环交变应力，用-1表示。2）疲劳断裂 金属材料在交变应力作用下发生断裂的现象称为疲劳断裂。271.2.5 Fatigue Strength 疲劳强度疲劳强度 断裂时的应力远低于材料静载下的抗拉强度，甚至屈服强度, 疲劳断裂属低应力脆断； 断裂是突然发生的，不产生明显的塑性变形，是一种无预兆、突然发生的断裂，因此危险性极大。 3）疲劳断裂的特点4）疲劳断裂的基本过程 裂纹产生：材料本身的缺陷和结构等原因，使零件受力时局部产生应力集中，形成疲劳裂纹源，达到一定条件时，产生裂纹。 裂纹扩展：裂纹形成后，在交变应力下不断扩展。 最后断裂：随着疲劳裂纹的扩展，有效承

16、载面逐渐减小，当应力达到材料的断裂强度或断裂韧度时，发生快速断裂。281.2.5 Fatigue Strength 疲劳强度疲劳强度 5）疲劳破坏断口宏观特征 疲劳裂纹扩展部分，特征：经过摩擦而较光滑，像细瓷断口一样。 突然断裂区（最后断裂区），特征：对塑性材料断口呈纤维状，对脆性材料则是结晶状。291.2.5 Fatigue Strength 疲劳强度疲劳强度 6）疲劳强度（疲劳极限） 材料在“无数”次重复交变载荷的作用下而不破坏的最大应力。 当交变应力循环对称时，疲劳极限用1表示。 注：试验时，钢材的循环次数以107为基数。7）影响疲劳极限的因素 (1) 材料本质：材料的成分、组织以及纯度和夹杂物对疲劳极限有显著影响。 (2) 零件表面状况：疲劳裂纹源大多起始于零件的表面。零件表面的加工缺陷大大降低了疲劳极限。 (3) 载荷类型：载荷类型不同，疲劳极限不一样。 (4) 工作温度：温度升高，裂纹易产生和扩展，故降低了疲劳极限。 (5) 腐蚀介质：零件在腐蚀环境中，疲劳极限明显降低。 301.2.6 断裂韧度断裂韧度 1）断裂韧度 断裂韧度表征了材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。2