第一章工程材料的力学性能工程材料

1、第一章第一章 工程材料的力学性能工程材料的力学性能 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 材料的疲劳强度材料的疲劳强度1.5 1.5 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 材料的强度与塑性材料的强度与塑性1.拉伸试验及拉伸曲线2.拉伸曲线所确定的力学

2、性能指标及意义一、静载单向静拉伸应力一、静载单向静拉伸应力应变曲线应变曲线 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 LF0 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：纵坐标为应力纵坐标为应力 单位单位 MPa(MN/mm )MPa(MN/mm )， 横坐标为应变横坐标为应变 其中：其中：=F/S=F/S 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）/L/

3、L0 03.3.曲线分为四阶段：曲线分为四阶段： 1 1）阶段）阶段I I（opeope）弹性变形阶段弹性变形阶段 p: Fpp: Fp ，e: Fe e: 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）段屈服变形屈服变形 S: S: 屈服点屈服点 FsFs 3 3）阶段）阶段IIIIII（sbsb）段）段均匀塑性变形阶段均匀塑性变形阶段 b:b: Fb Fb 材料所能承受的最大载荷

4、材料所能承受的最大载荷 4 4）阶段）阶段IV(bK) IV(bK) 段段局部集中塑性变形颈缩局部集中塑性变形颈缩 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阶段阶段二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义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应力的大小，组本质是：反映了材料内部原子结应力的大小，组织不敏感的力系指标。织不敏感的力系指标。

5、 弹性弹性：材料不产生塑性变形的情况下，所能承受材料不产生塑性变形的情况下，所能承受的最大应力。的最大应力。 比例极限比例极限：p=Fp/Aop=Fp/Ao 应力应力应变保持线性应变保持线性关系的极限应力值关系的极限应力值 弹性极限弹性极限：e=Fe/Ao e=Fe/Ao 不产永久变形不产永久变形的最大抗力。的最大抗力。2.2.强度：强度：材料在外力作用下抵抗材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。变形和破坏的能力。 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，载在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续伸长时的应力。荷不增加

6、，试样仍能继续伸长时的应力。 条件屈服强度条件屈服强度 0.20.2：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0.20.2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：材料断裂前所承受的最大应力值。大应力值。（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）。 s0.2 延伸率延伸率 延伸率与试样尺寸有关；延伸率与试样尺寸有关；5 5、1010 (L (L0 0=5d,10d)=5d,10d) 断面收缩率断面收缩率 =

7、=A/Ao=(Ao-Ak)/Ao x 100%A/Ao=(Ao-Ak)/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； KIC时，裂纹失稳扩展，发生脆断。时，裂纹失稳扩展，发生脆断。 KI KIC时，裂纹处于临界状态时，裂纹处于临界状态 K I KIC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。KIC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、外加应力等无关，而

8、与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。力等无关，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 KICIC ，制定零件工作，制定零件工作是否安全是否安全K KK KICIC，失稳扩展。，失稳扩展。（2 2）已知内部裂纹）已知内部裂纹2a2a，计算承受的最大应力。，计算承受的最大应力。（3 3）已知载荷大小，计算不产生脆断所允许的内部宏观）已知载荷大小，计算不产生脆断所允许的内部宏观裂纹的临界尺寸。裂纹的临界尺寸。ITitanicTitanic沉没的原因沉没的原因（1 1）化学成分）化学成分 泰坦尼克号的钢板是平炉冶炼而成的,这种方法导致高的磷 、 硫含量。锰含量很低,锰/硫比为6.8/1,比现代钢低得多，这些都将导致该钢材的低温脆性。（2 2）冲击韧性）冲击韧性（3 3）金相组织）金相组织 虽然泰坦尼克号用了当时最好的普通碳素钢材作为它的造船材料, 但从现代材料科学的观点来看，这种钢材根本不适合于做结构件，特别不适于造船。不良的化学成份使其塑-脆转变温度十分高，海轮在低温海