工程材料与成型工艺基础第一章

1、工程材料与成型工艺基础第一章第1页，共23页，2022年，5月20日，4点7分，星期三第一章 材料的力学行为和性能 本章重点： 材料的强度、硬度、塑性、韧性等力学性能的基本概念及应用。 本章难点： 低应力脆断和材料的断裂韧性。 学习目标： 熟悉常用力学性能指标的测试方法，掌握材料力学性能的表示方法及其应用。第2页，共23页，2022年，5月20日，4点7分，星期三主要内容第一节 在载荷作用下的力学行为第二节 材料的静态力学性能第三节 材料的动态力学性能第四节 断裂韧性第3页，共23页，2022年，5月20日，4点7分，星期三第一节 材料在载荷作用下的力学行为 一、弹性变形、塑性变形和断裂 材料

2、在载荷作用下的行为，称之为力学行为。当外力作用在固体物质上时，随外力增加，物体会逐渐改变其原始形状和尺寸而发生变形，外力增加到一定数值后，物体将发生断裂，所以变形和断裂是固体物质受载时，随外力的增加而产生的普遍现象。第4页，共23页，2022年，5月20日，4点7分，星期三二、应力和应变应力：单位面积上所受的力。应变：单位长度的伸长量。第5页，共23页，2022年，5月20日，4点7分，星期三第二节 材料的静态力学性能一、拉伸试验及材料的强度与塑性左图为拉伸试验机下图为拉伸试验过程中试样的变形及断裂。第6页，共23页，2022年，5月20日，4点7分，星期三第7页，共23页，2022年，5月2

3、0日，4点7分，星期三由上图可知：在拉伸载荷作用下，试样的变形分为三个阶段：弹性变形阶段；塑性变形阶段；断裂阶段。在拉伸试验过程中，可测定的主要力学性能指标有：屈服强度s，抗拉强度b ，弹性模量E，断后伸长率和断面收缩率。 Fs s = ( M pa ) S0试样屈服时的载荷( N )试样原始横截面积( mm2)第8页，共23页，2022年，5月20日，4点7分，星期三 F0.2 0.2 = ( M pa ) S 0 试样原始横截面( mm2)试样产生0.2%残余塑性变 形时的载荷(N) F b 试样断裂前的最大载荷(N) b = ( M pa ) S 0 试样原始横截面积( mm2) S0

4、- S k = 100% S0第9页，共23页，2022年，5月20日，4点7分，星期三 L k L 0 = 100% L 0 10% 属塑性材料其断口特征如图所示。第10页，共23页，2022年，5月20日，4点7分，星期三二、硬 度 硬度是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力。1. 布什硬度（HBW）第11页，共23页，2022年，5月20日，4点7分，星期三表示方法：120HBW10/1000/30；后面的数字依次表示：（1）球体直径；（2）试验力；（3）试验力保持时间（1015s不标注）。主要用于测定组织粗大且不均匀的金属材料的硬度，如铸钢、铸铁、供应态钢材等。第12页，共23页，20

5、22年，5月20日，4点7分，星期三硬度标尺：HRA、HRB、HRC。其中 C标尺最常用 。 在批量的成品或半成品质量检验中广泛使用. 2.洛氏硬度第13页，共23页，2022年，5月20日，4点7分，星期三3.维氏硬度表示方法： 如：640HV30/20 测量精度高、范围广，但比较麻烦，主要用于研究工作。注：各硬度值之间大致有以下关系：布氏硬度值在200-600范围内，HBW10HRC；布氏硬度值小于450HBS，HBWHV第14页，共23页，2022年，5月20日，4点7分，星期三第三节 材料的动态力学性能一、冲击韧性材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。第15页，共23页，2022年，5月

6、20日，4点7分，星期三试样冲断时所消耗的冲击吸收功A k为: A k = m g H m g h (J)冲击韧性值a k 就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。 AK a k = (J/cm) S0第16页，共23页，2022年，5月20日，4点7分，星期三二、疲劳强度表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。材料所受循环应力和其断裂前的应力循环次数的关系，即疲劳曲线如下图所示钢材的循环次数一般取 N = 10 7有色金属的循环次数一般取 N = 10 8钢材的循环次数一般取 N = 10 7有色金属的循环次数一般取 N = 10 8第17页，共23页，2022年，5月20

7、日，4点7分，星期三第四节 断裂韧性 一、低应力脆断 材料抵抗裂纹扩展断裂的能力叫断裂韧性。机械零件的传统强度设计为=0.2/n(n为安全系数),一般认为用此式设计的零件是安全的,不会产生塑性变形，更不会断裂。但是，有些高强钢制造的零件或大型焊接构件如桥梁、船舶等，有时会在工作应力远低于材料屈服强度甚至低于许用应力的条件下突然发生脆性断裂，这种工作应力远低于材料屈服强度的断裂叫低应力脆断。第18页，共23页，2022年，5月20日，4点7分，星期三裂纹扩展的基本形式a) 张开型b) 滑开型c) 撕开型二、断裂韧度第19页，共23页，2022年，5月20日，4点7分，星期三应力场强度因子1裂纹尖

8、端产生应力集中形成应力场，衡量裂纹尖端附近应力场强弱程度的力学参量称为应力场强度因子，用K表示。其表达式为：式中：a为裂纹尺寸。断裂韧度KC裂纹扩展时的临界应力场强度因子值称为材料的断裂韧度，用KC表示，单位为MPam1/2。其为材料抵抗裂纹扩展断裂的能力大小的表现，为材料的固有属性，与材料的成分、组织、热处理以及加工工艺有关，与裂纹的大小、形状、外加应力等无关。 第20页，共23页，2022年，5月20日，4点7分，星期三三、断裂韧度的应用当KKc时，裂纹就会扩展而导致低应力脆断。根据这个条件：（1)确定对材料所要求的断裂韧度K1c，作为选材的依据。（2)估算断裂时的临界裂纹长度ac ,作为裂纹探伤的依据。（3)确定构件断