化工设备机械基础-第二章-材料力学性能

1第一篇力学基础CHAPTERⅠMECHANICALBASIS§2.2材料的力学性能2材料的性能包括：物理性能，力学性能，化学性能，和加工工艺性能。材料的力学性能：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验得到的。

四种力学实验：拉伸（压缩）实验；金属的缺口冲击实验；硬度实验；弯曲实验；§2.2材料的力学性能3

1.低碳钢拉伸时的力学性能§2.2材料的力学性能GB/T228.1-2010：《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》

代替了GB/T228-20024

1.低碳钢拉伸时的力学性能§2.2材料的力学性能适用标准：GB/T228测量对象：金属、非金属、高分子材料的拉伸、压缩、弯曲、剪切等曲线：力-位移、力-时间、位移-时间、应力-应变曲线电子拉伸试验机5

1.低碳钢拉伸时的力学性能低碳钢是指含碳量在0.3%以下的碳素钢。两端粗—便于装夹、防止在装夹部分破坏。试验段—中间较细等截面部分。§2.2材料的力学性能6§2.2材料的力学性能

标准试件圆截面试件:标距l与直径d的比例为，L＝10d，L=5d；d=10mm

矩形截面:标距l与横截面面积A的比例为，

，

7

1.低碳钢拉伸时的力学性能§2.2材料的力学性能电子拉伸试验机实验过程：将试件装到试验机上，开动机器，使之受到从零开始逐渐增加的拉力P，自动绘图仪便绘出P—ΔL曲线：拉伸曲线或拉伸图。

8§2.2材料的力学性能1）拉伸图（P－ΔL）由于P—ΔL曲线与试样的尺寸有关，为了消除试件尺寸的影响，采用应力应变曲线，即σ－ε曲线来代替P—ΔL曲线。PΔL9§2.2材料的力学性能2）应力-应变曲线（σ－ε

）弹性阶段（ob）屈服阶段（bc）强化阶段（cd）颈缩阶段（df）10§2.2材料的力学性能oa段：应力与应变为直线关系，a点所对应的应力值称为比例极限σp

。它是应力与应变成正比例的最大极限。此段写成等式为：即胡克定律，它表示当工作应力小于σp时，应力与应变成正比。弹性变形阶段（ob段）：11§2.2材料的力学性能当应力增加到b点时，再将其降为零，应变随之消失；一旦应力超过b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σe。12§2.2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。不同材料的E值不同。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。13§2.2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。不同材料的E值不同。钢的E值为2×105MPa，铜的E值为1×105MPa，哪个抵抗变形能力强？E值大抵抗材料弹性变形能力就大。14横向变形量：横向应变：

——横向变形系数（泊松比）

§2.2材料的力学性能设d1—杆件拉（压）后的直径；d—原来的直径。则：15§2.2材料的力学性能继续对材料加载，会出现一种现象，即在应力增加很少或不增加时，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σs

。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。屈服阶段（bc段）：16

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材料的力学性能强化阶段（cd段）：17

变形特点：大比例的塑性变形伴有少量的弹性变形。σb

－强度极限。强化阶段最高点d点所对应的应力。为材料所能承受的最大应力。为塑性材料重要强度指标。此阶段试件横向尺寸有明显缩小。Q235钢：

§2.2材料的力学性能强化阶段（cd段）：18§2.2材料的力学性能颈缩阶段（df段）：过d点后，局部截面急剧缩小，出现”颈缩”现象，因此试件继续伸长所需拉力也相应减小，降至f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l0变为l1，横截面积由原始值A0变为A1（断口处）。19—延伸率（相对伸长率）—截面收缩率

δ，ψ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。§2.2材料的力学性能颈缩阶段（df段）：定义：20§2.2材料的力学性能δ＞5%—塑性材料。低碳钢（δ=20~30%，ψ＝60~70%），Cu，Al等。δ＜5%—脆性材料。铸铁、玻璃等。21§2.2材料的力学性能卸载定律：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22§2.2材料的力学性能冷加工硬化：在常温下将材料预先加载到强化阶段（e点），然后卸载，再次加载时（O1e1为加载线），比例极限提高，但塑性（O1g）降低的现象。23§2.2材料的力学性能

其他材料的拉伸实验1、无明显屈服阶段的塑性材料

特点：只有弹性和强化阶段，但塑性良好。如：锰钢，镍钢，青铜24§2.2材料的力学性能

其他材料的拉伸实验国标规定以产生0.2%的塑性变形所对应的应力作为材料的名义屈服极限，用σ0.2表示。25§2.2材料的力学性能2.脆性材料：无明显塑性变形；无颈缩现象；突然拉断，变形小；应力应变不存在严格的正比关系；拉断时之应力称为抗拉强度极限σb。如：铸铁、玻璃钢、陶瓷等。26§2.2材料的力学性能2.脆性材料：σb是衡量脆性材料强度的唯一指标。σb很低，脆性材料不宜作承拉件。27§2.2材料的力学性能金属材料压缩试件做成圆柱形，为避免压弯，取h=(1.5-3)d.2.

压缩实验对于塑性材料，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，所以塑性材料一般不作压缩试验。28§2.2材料的力学性能对于脆性材料，如铸铁：无明显直线部分，无屈服阶段，在很小的塑性变形下即被突然压坏。破断面与轴线约成45°斜截面上。抗压强度比抗拉强度高3-4倍，宜做承压件。如机床床身、机座、轴承座等。2.

压缩实验铸铁压缩时的曲线29§2.2材料的力学性能短时静载实验。短时间，逐渐加载完成。高温或低温情况下，强度指标（σs，σb）和塑性指标（δ，ψ）有什么变化？3.

温度对材料的力学性能的影响30§2.2材料的力学性能高温对短期静载试验的影响：低碳钢：温度↑→E↓，σs↓，抵抗弹性变形的能力下降；温度↑→σb先↑后急剧↓；温度↑→μ↑抵抗横向变形能力下降。低碳钢在350°以后，屈服阶段消失。3.

温度对材料的力学性能的影响31§2.2材料的力学性能32§2.2材料的力学性能高温对长期加载的影响：①高温蠕变—在高温下承载的构件(碳钢超过300-350℃，合金钢超过350-400℃)，虽然载荷大小不变，变形(塑性)却随时间不断增加的现象。危害：引起外观尺寸改变。如：汽轮机叶片与轮壳相碰而打碎。3.

温度对材料的力学性能的影响33§2.2材料的力学性能②应力松弛—由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。现象：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。在允许的最大变形量一定时，蠕变速度越高，工作寿命越短。3.

温度对材料的力学性能的影响34§2.2材料的力学性能③材料的高温强度指标蠕变极限σn：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、该蠕变速度下材料的蠕变极限。发生蠕变的试件，经过一段时间将发生断裂。

持久强度限σD：在一定高温下，在规定时间内t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t的持久强度限。

3.

温度对材料的力学性能的影响35§2.2材料的力学性能低温对短期静载试验的影响：低碳钢：低碳钢、低合金钢→强度↑塑性↓→具有低温脆性（冷脆现象）不锈钢、铜、铝等无此现象。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。3.

温度对材料的力学性能的影响36§2.2材料的力学性能冲击—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属冲击问题。金属缺口冲击试验：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，利用摆锤下落时的冲击力，将试件从缺口处冲断。冲击功AK：摆锤冲断试件消耗的功（焦耳）。4.

金属的缺口冲击实验37§2.2材料的力学性能试件上的缺口是为了造成应力集中，使断裂从这里开始。根据测得的冲击功值判断材料对缺口的敏感程度。冲击功：4.

金属的缺口冲击实验冲击韧性：单位断口截面的冲击功。38§2.2材料的力学性能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。（2）材料对微观缺陷的敏感性—防止材料在低温下工作时出现低应力脆性断裂。4.

金属的缺口冲击实验39§2.2材料的力学性能硬度—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）及强度都有一定关系。对钢材：σb=3.6HB常用的有布氏硬度和洛氏硬度。5.

硬度实验40§2.2材料的力学性能布氏硬度（HBS）在布氏硬度试验机上，将一直径为D的标准硬钢球，以规定载荷（如3000Kgf）压入试样表面，保持一定时间（如10s），测出压痕直径d，则单位压痕面积上的平均压力即布氏硬度值：5.

硬度实验材料越硬，压痕越小，HB值越高。41§2.2材料的力学性能洛氏硬度（HRC,HRB,HRA）（1）HRC（在洛氏硬度试验机上）

以120°金刚石圆锥为压印头，先加10Kgf的初载荷，同时将机上刻度盘指针对准零点，然后再加140Kgf的主载荷，停留一定时间后卸载。以不计初载的压痕深度按下式计算：HRC=100-h（mm）/0.002许用范围：HRC20～67适用：一般淬火钢、调质钢等。最常用。5.

硬度实验42§2.2材料的力学性能（2）HRA压印头同上，总压力P=60Kgf许用范围：HRA70～85适用：更硬材料或薄层硬度。如：硬质合金，淬火工具钢等。（3）HRB以d=1.5875mm淬硬钢球为压印头，总压力P=100Kgf，可测较软材料。许用范围：HRB25～100适用：软钢、有色金属合金（铜、铝合金等）。5.

硬度实验43§2.2材料的力学性能目的：检查试件承受塑性变形的能力。在试件背面不出现裂纹的条件下,弯心直径d越小、试件弯曲角α越大，则试件承受塑性变形的能力越强。化工设备上主要做钢板或钢板对接焊缝接头的冷弯试验。6.弯曲实验附录资料：不需要的可以自行删除9实验：验证机械能守恒定律1、利用自由落体运动验证机械能守恒定律.2、知道实验的原理、方法、过程.3、对实验结果的讨论及误差分析.学习目标复习回顾1、什么叫机械能守恒？2、机械能守恒的条件是什么？3、自由落体运动的物体，机械能守恒吗？4、机械能守恒定律的表达式是怎样的？本实验借助自由落体运动验证机械能守恒定律实验目的实验原理2A2B2121mvmvmgΔh-=要验证上式是否成立，需要测量哪些物理量？如何测量这些物理量？01234由静止释放，则测量这些物理量，需要哪些器材？实验器材重物、打点计时器、纸带、交流电源、导线、铁架台（附铁夹）、夹子、天平、毫米刻度尺实验步骤与操作思考：选择重物时，选轻一点的好还是重一点的好？为什么？

我们要求重物作自由落体运动，而阻力是不可避免地存在的，为了减少阻力对实验的影响，应采用密度较大的重物。①用天平测量重物的质量实验步骤与操作思考：安装打点计时器时，应注意什么问题？

计时器平面与纸带限位孔调整在竖直方向,计时器要稳定在铁架台上,并将计时器伸出桌外。这样做的目的是什么?

减小纸带与限位孔的摩擦带来的实验误差；保证重物有足够的下落空间，以便在纸带上能够打出较多的点，有利于进行计算．②按照课本所示装置安装打点计时器实验步骤与操作思考：实验时，接通电源和释放纸带的顺序怎样？先通电源，再释放纸带释放纸带时应注意什么问题？

释放重物前，重物应靠近打点计时器，以便能打出较多的点。拉稳纸带的上端，确保重物由静止释放。③接通电源，待计时器工作稳定后释放纸带按如下实验步骤进行实验①用天平测量重物的质量②按照课本所示装置安装打点计时器③接通电源，待计时器工作稳定后释放纸带④及时切断电源，取下纸带，标上纸带号⑤更换纸带，重复以上步骤⑥整理器材实验步骤与操作本实验要不要必需测物体的质量？不是必需要测量物体的质量！mgh=mv2/2只证明gh=v2/2如果实验要求计算势能和动能的具体数据，那就必须知道物体的质量（即：课本中所说的用天平测物体的质量）讨论课文中“纸带上某两点的距离等于重物……”中的“某两点”如何选取？hv我们验证：需要从起始点开始算起，如右图：许多材料上指出：选取第1、2两点间距2mm的纸带，即在打第1个点的瞬间，纸带开始下落，实际上在操作中这是很难控制的，所以只要保证操作正确即可，误差也不会太大。可以想一想2mm是怎么来的？

计时器打下的第一个点作为起始点，适当大距离后选一个点作终点。h=gt2/2=10×0.022/2=0.002m=2mm如何测定第n点的瞬时速度？01234S3S4d4d2方法：平均速度法辨析计算物体的速度，可有三种方法第1、2种方法是根据机械能守恒定律得到的，而我们的目的就是验证机械能守恒定律，所以不能用数据处理m（kg）

h

（m）V（m/s）势能减少量mgh(J)动能增加量

ΔEK(J)1234通过本实验，我们可以得到的结论是：

实验结论（将实验数据填入下表，分析实验数据）

结论：在实验误差允许范围内，重锤重力势能减少量等于动能的增加量，即机械能守恒。

实验中，重锤的重力势能减小略大于其动能增加，其原因是下落中克服阻力做功，机械能略有减少。0hv

212图象法处理数据gh

=v

212该图象的斜率表示什么？为什么图象通过原点？可不可以用图象处理数据?可以回避起始点吗（即处理纸带时可以不用到起始点吗）?我们可以选取A、B两点，比较它们的机械能EA和EB。则有：mgΔh＝EKB－EKAΔhAB

思考

1、(单选)在验证机械能守恒定律的实验中，需要测量的是重物的()A．质量B．下落高度C．下落时间D．瞬时速度B2、为进行“验证机械能守恒定律”的实验，有下列器材可供选用：铁架台，打点计时器，复写纸，纸带，秒表，低压直流电源，导线，电键，天平。其中不必要的器材有：

；缺少的器材是

。不必要的器材有：秒表、低压直流电源、天平。缺少的器材是低压交流电源、重锤、刻度尺3、下列关于“验证机械能守恒定律”实验的实验误差的说法，正确的是A．重物质量的称量不准会造成较大误差B．重物质量选用得大些，有利于减小误差C．重物质量选用得较小些，有利于减小误差D．打点计时器选用电磁打点计时器比电火花计时器误差要小(B)

解析为减小实验误差，重物应选质量大些的，且重物质量不需称量，A、C错，B正确，电磁打点计时嚣的振针与纸带间有摩擦，电火花计时器对纸带的阻力较小，故选用电磁打点计时器误差大些，D错误．4、有一条纸带，各点距A点的距离分别为d1、d2、d3…，如图所示，各相邻点的时间间隔为T，要用它来验证B点到G点过程机械能是否守恒，可得BG间的距离h＝________，B点的速度表达式vB＝________，G点的速度表达式vG＝________，如果有________＝________，则机械能守恒。5、某学生在验证机械能守恒定律的实验中有如下操作步骤，试按合理的顺序步骤序号填在下面的线上：____________________________________．A．断开电源，取下纸带，选出前两个点间距离接近2mm的纸带；B．把纸带固定在重锤上；C．将纸带穿过打点计时器，并把纸带上提使重锤停在靠近打点计时器的地方；D．把打点计时器固定在放于桌边的铁架台上，并与低压交流电源相连接；E．接通电源，同时释放纸带；F．求出重锤重力势能的减少量△EP和动能的增加量△EK，比较△EP和△EK得出实验结论；G．用刻度尺量出所选取的计数点到打下的第一个点0之间的距离．DBCE AG F

6、如图5－5－6是“验证机械能守恒定律”实验中打下的某一纸带示意图，其中O为起始点，A、B、C为某三个连续点．已知打点时间间隔Δt＝0.02s，用最小刻度为1mm的刻度尺量得OA＝15.55cm，OB＝19.2cm，OC＝23.23cm.

(1)假定上述数据并没有看错，则它们中不符合数据记录要求的是

段，正确的记录应是19.20

cm.

(2)根据上述数据，当纸带打B点时，重锤(设其质量为mkg)重力势能比开始下落位置的重力势能减少了

J，动能增加了

J，这表明数值上ΔEp

ΔEk(填“大于”“小于”或“等于”)，这是因为

实验中有阻力，克服阻力做功要损失机械能

.实验的结论是：在误差允许的范围内，重锤下落过程中，机械能是守恒的。OB19.201.88m1.84m大于