《材料力学特性演示》课件

材料力学特性演示本演示将带您深入了解材料在各种力学条件下的行为，包括应力、应变、强度、韧性等关键特性。我们将结合实际案例和实验数据，让您更直观地理解材料力学特性在工程应用中的重要作用。课程介绍1课程目标本课程旨在帮助学生深入理解材料的力学特性，掌握相关理论知识和实验方法，为未来工程设计与应用打下坚实的基础。2课程内容课程内容涵盖了材料力学的基本概念、应力应变关系、拉伸试验、扭转试验、弯曲试验、疲劳试验、硬度试验等方面。3教学方式采用理论讲解、实验演示、案例分析相结合的教学方式，并辅以课堂讨论和课后作业。4学习建议学生需要积极参与课堂讨论，认真完成实验和作业，并注意将所学知识与实际工程应用相结合。力学基础知识回顾1牛顿定律包括牛顿第一定律（惯性定律）、牛顿第二定律（运动定律）和牛顿第三定律（作用力与反作用力定律）。2功和能功是力在物体上移动的距离，能是物体做功的能力。3材料力学概念应力、应变、弹性模量、屈服强度等。在本节课中，我们将回顾力学基础知识，这些知识是理解材料力学特性的基础。我们将涵盖牛顿定律、功和能等基本概念，以及材料力学中的一些关键概念。这些知识将帮助您更好地理解后续课程内容。基本概念定义应力材料内部由于外力作用而产生的内力，其大小等于内力与作用面积的比值，单位为帕斯卡（Pa）。应变材料在外力作用下产生的变形，其大小等于变形量与原尺寸的比值，无量纲。弹性模量材料在弹性范围内，应力和应变之间的比例系数，反映了材料抵抗弹性变形的程度，单位为帕斯卡（Pa）。屈服强度材料开始发生永久变形的应力值，反映了材料抵抗塑性变形的强度，单位为帕斯卡（Pa）。应力概念及分类应力定义应力是材料内部抵抗形变的内力，它表示作用在物体截面上的外力在物体内部所引起的单位面积上的内力。应力分类正应力：作用在物体截面上垂直于截面的力，通常用σ表示。切应力：作用在物体截面上平行于截面的力，通常用τ表示。应力单位应力的常用单位是帕斯卡(Pa)，1Pa等于1牛顿/平方米(N/m²)。在工程应用中，也常用兆帕(MPa)，1MPa等于10⁶Pa。应力类型拉伸应力：物体受到拉力作用时产生的应力。压缩应力：物体受到压力作用时产生的应力。剪切应力：物体受到剪切力作用时产生的应力。弯曲应力：物体受到弯曲力作用时产生的应力。扭转应力：物体受到扭矩作用时产生的应力。应变概念及分类应变定义应变是指物体在受力变形后，其尺寸或形状发生的变化。它反映了材料在力作用下发生形变的程度，通常用变形量与原尺寸的比值来表示。应变分类根据应变产生的原因，可分为正应变和切应变：正应变：指物体在拉伸或压缩力作用下，其长度或高度方向上发生的变形。切应变：指物体在剪切力作用下，其横截面上发生的变形，表现为角度变化。应变测量应变的测量通常采用应变计，它是一种将材料的变形量转换为电信号的传感器。应变计的使用可以精确地测量材料的应变变化，为材料力学分析提供数据支持。弹性定律材料在外力作用下发生形变，当外力去除后，材料能恢复到原来形状的性质称为弹性。弹性定律描述了材料在弹性范围内应力与应变之间的线性关系。胡克定律是弹性定律的一种特例，适用于大多数金属材料。应力-应变曲线应力-应变曲线是材料力学中重要的概念，它描述了材料在拉伸或压缩载荷作用下，应力与应变之间的关系。曲线形状反映了材料的弹性、塑性和强度等力学特性。横坐标表示应变，纵坐标表示应力。曲线通常分为三个阶段：弹性阶段：应力与应变呈线性关系，材料在卸载后能够恢复原状。屈服阶段：材料开始发生塑性变形，应力不再与应变呈线性关系。强化阶段：材料继续发生塑性变形，但需要更大的应力才能继续变形。拉伸试验演示1加载2测量3记录拉伸试验是材料力学中一项重要的测试方法，用于评估材料在拉伸负荷下的机械性能。演示将展示如何进行拉伸试验，包括加载、测量和记录数据。拉伸试验数据处理拉伸试验完成后，需要对采集到的数据进行处理和分析，以获得材料的力学性能参数，例如屈服强度、抗拉强度、弹性模量等。数据处理通常包括以下步骤：数据校正：去除试验过程中产生的误差，例如仪器误差和环境温度变化的影响。应力-应变曲线绘制：根据采集到的数据绘制应力-应变曲线，这将是分析材料力学性能的关键依据。力学性能参数计算：根据应力-应变曲线，通过公式计算材料的屈服强度、抗拉强度、弹性模量等力学性能参数。屈服强度与抗拉强度屈服强度屈服强度是指材料开始发生永久变形时的应力值。在拉伸试验中，当应力超过屈服强度时，材料将不再恢复到原始形状，而是会产生永久性的伸长。抗拉强度抗拉强度是指材料在断裂前所能承受的最大应力值。在拉伸试验中，当应力达到抗拉强度时，材料将会断裂。塑性及其特点塑性是指材料在断裂前能够发生永久变形的能力。塑性材料在受力后会发生形变，即使卸去外力，形变也不会完全消失，而是会留下永久变形。塑性的特点主要体现在以下几个方面：能够承受较大程度的变形而不发生断裂。能够通过加工改变形状，例如拉伸、弯曲、锻造等。冷加工及热处理1冷加工冷加工是指在室温或低于室温下进行的金属加工。冷加工的特点是变形能耗高，但加工精度高，表面质量好。常见的冷加工方法包括：切削加工、弯曲加工、冲压加工等。2热处理热处理是指通过加热和冷却金属材料来改变其内部组织结构和性能的过程。热处理可以改变金属材料的强度、硬度、韧性、塑性、耐磨性等性能。常见的热处理方法包括：退火、正火、淬火、回火等。3冷加工与热处理的应用冷加工和热处理在机械制造、航空航天、汽车制造、电子制造等领域有着广泛的应用。通过冷加工和热处理，可以提高金属材料的机械性能，延长其使用寿命。脆性断裂定义脆性断裂是指材料在没有明显塑性变形的情况下，在较小的外力作用下突然发生断裂的现象。断裂前没有明显的预兆，断裂面较为平整，断裂过程迅速。特点断裂前无明显塑性变形断裂面平整，常呈解理断裂断裂速度快，无明显预兆断裂强度较低影响因素材料本身性质：脆性材料更容易发生脆性断裂温度：低温下材料的韧性降低，更容易发生脆性断裂应力集中：应力集中会导致局部应力增大，从而更容易发生脆性断裂加载速度：加载速度快，材料来不及发生塑性变形，更容易发生脆性断裂韧性与冲击强度韧性韧性是指材料抵抗断裂的能力，也就是材料在断裂前能吸收的能量。韧性好的材料能够承受较大的冲击载荷，即使在发生塑性变形后也不会立即断裂。在实际应用中，韧性是重要的材料特性，因为它能够防止材料在意外冲击或振动下发生突然断裂。冲击强度冲击强度是指材料抵抗冲击载荷的能力，它反映了材料在快速加载下的抗断裂性能。冲击强度试验通常采用落锤法或摆锤法进行。在冲击试验中，用标准的冲击试样，以一定的冲击速度撞击试样，测定试样断裂所需的能量。冲击强度的大小与材料的韧性密切相关，韧性高的材料通常具有较高的冲击强度。扭转试验演示1试样准备首先，需要准备一个圆形的试样，其尺寸和材料应符合相关标准。试样应光滑、无缺陷，并应进行必要的标记以方便测量。2安装试样将试样安装到扭转试验机上，确保试样牢固地夹持，并与试验机轴线对齐。试样的固定方式应避免产生应力集中，从而影响试验结果的准确性。3施加扭矩缓慢地增加扭矩，并记录扭矩与扭转角的关系。扭转试验机通常会自动记录数据，并绘制扭矩-扭转角曲线。在施加扭矩的过程中，要注意观察试样的变形情况，并及时调整试验参数。4测量数据在试验过程中，要定期测量试样的扭转角、扭矩和应力。测量结果应记录在表格中，并进行适当的分析和处理。扭转试验数据处理步骤描述1.测量扭矩和扭转角记录扭矩计读数和扭转角传感器读数。2.计算扭转应力使用公式τ=T/J，其中τ为扭转应力，T为扭矩，J为极惯性矩。3.计算扭转应变使用公式γ=θ/L，其中γ为扭转应变，θ为扭转角，L为试件长度。4.绘制扭转应力-应变曲线将扭转应力和扭转应变数据绘制成曲线图。5.确定扭转屈服强度从扭转应力-应变曲线上确定材料的扭转屈服强度，即材料发生明显塑性变形的应力值。扭转屈服强度概念扭转屈服强度是指材料在扭转试验中开始发生明显塑性变形时的应力值。它是衡量材料在扭转载荷下抵抗塑性变形的指标，反映了材料在扭转应力作用下的抗屈服能力。意义扭转屈服强度是扭转设计的重要参数。在工程应用中，通常需要将材料的工作应力控制在扭转屈服强度以下，以防止材料发生永久变形，保证结构的完整性和安全。弯曲试验演示测试准备弯曲试验通常在专门的试验机上进行，该试验机能够施加精确的力或弯矩。测试样品通常是矩形截面或圆形截面的金属棒或板材，根据不同的材料和试验标准，测试样品的尺寸和形状会有所不同。加载过程将测试样品放置在试验机的支架上，然后在试验机上加载力或弯矩。试验机通常会记录施加的力或弯矩以及测试样品变形的大小。数据采集在加载过程中，试验机会收集数据，例如施加的力、弯矩和测试样品的变形。这些数据可以用于计算材料的弯曲强度、弯曲模量和屈服强度等参数。弯曲试验数据处理3弯曲应力根据弯曲试验数据，可以计算出材料的弯曲应力。2弯曲强度通过计算弯曲应力，可以确定材料的弯曲强度，即材料在弯曲状态下所能承受的最大应力。1弯曲模量弯曲模量是材料在弯曲变形时的刚度指标，反映了材料抵抗弯曲变形的程度。弯曲屈服强度弯曲屈服强度是指材料在弯曲变形过程中开始发生永久变形时的应力值。它反映了材料抵抗弯曲变形的能力。弯曲屈服强度可以通过弯曲试验得到，通常在应力-应变曲线上表现为一个明显的屈服点。弯曲屈服强度是设计弯曲构件的重要参数，它决定了构件在弯曲载荷作用下能够承受的极限变形。疲劳试验演示1循环加载模拟实际使用条件下材料承受的反复载荷2应力幅值试验过程中载荷变化范围的一半3疲劳寿命材料在反复载荷作用下发生断裂所需的循环次数疲劳试验是在循环载荷作用下，观察材料发生断裂的试验。通过实验可以评估材料的疲劳性能，包括疲劳强度、疲劳寿命等。疲劳试验需要使用专门的疲劳试验机，该设备能够模拟实际工况中材料承受的反复载荷，并精确控制载荷幅值、频率等参数。通过观察材料的疲劳寿命和断裂模式，可以判断材料在特定工况下的疲劳性能。疲劳曲线及其意义疲劳曲线疲劳曲线展示了材料在循环载荷下，随着循环次数增加，其所能承受的应力逐渐下降的规律。曲线通常以对数坐标表示，横轴为循环次数，纵轴为应力幅值。疲劳断裂疲劳断裂是材料在反复载荷作用下，即使应力幅值低于材料的屈服强度，也会在微观裂纹扩展和累积过程中最终发生断裂。它通常表现为裂纹从应力集中部位开始扩展，并最终导致结构失效。硬度试验演示布氏硬度测试布氏硬度测试是一种常用的硬度测试方法，它使用一个硬质钢球压入材料表面，测量压痕的面积来确定材料的硬度。洛氏硬度测试洛氏硬度测试使用一个锥形压头或钢球，在预先施加一个较小的负荷后，再施加一个较大的负荷，测量压痕的深度来确定材料的硬度。维氏硬度测试维氏硬度测试使用一个金刚石四棱锥压头，测量压痕的对角线长度来确定材料的硬度。维氏硬度测试精度较高，适用于测试各种材料，包括薄材料和硬脆材料。布氏硬度测试方法测试原理布氏硬度测试方法基于压痕面积来测量材料的硬度。该方法使用一个特定直径的钢球压头，在一定负荷下压入材料表面，然后测量压痕的面积，根据压痕面积计算出材料的布氏硬度值。测试步骤将样品放置在硬度计的平台上将钢球压头放置在样品表面施加一定负荷，并保持一定时间卸除负荷，观察压痕的直径根据压痕直径计算出材料的布氏硬度值应用范围布氏硬度测试方法适用于测试各种金属材料，如钢、铜、铝、铸铁等，以及一些非金属材料，如塑料、橡胶等。洛氏硬度测试方法11.测试原理洛氏硬度测试利用压头在材料表面压入一个特定深度，然后测量压头的深度来确定材料的硬度。压头通常为金刚石圆锥或钢球。测试方法简单，操作方便，适用于各种材料的硬度测试。22.测试步骤洛氏硬度测试的步骤包括：准备试样、选择合适的压头和载荷、将压头压入试样表面、测量压头深度、计算洛氏硬度值。33.测试结果洛氏硬度测试结果通常用HRC、HRB或HRF表示，分别代表金刚石压头、钢球压头和超硬材料压头的硬度值。洛氏硬度值越高，材料越硬。44.应用范围洛氏硬度测试方法广泛应用于金属材料、非金属材料、热塑性塑料和橡胶等材料的硬度测试。该方法尤其适用于硬度较高的材料，例如淬火钢。维氏硬度测试方法原理维氏硬度测试采用的是压痕法，利用一个菱形的金刚石压头在材料表面施加一定载荷，然后测量压痕的对角线长度来计算材料的硬度。优点测量精度高适用范围广，可测试各种材料，包括薄材料和硬材料压痕小，不会对材料造成很大的损伤测试步骤清洁材料表面将材料放置在硬度计的测试台上选择合适的载荷和测试时间施加载荷，使金刚石压头压入材料表面卸除载荷，测量压痕的对角线长度根据公式计算维氏硬度值材料性能与应用高强度钢材高强度钢材以其优异的强度和韧性，广泛应用于现代建筑、桥梁和大型结构工程，如摩天大楼、跨海大桥，为现代城市建设提供坚实的保障。耐高温合金耐高温合金具有优异的耐高温性和抗氧化性，主要用于航空发动机、燃气轮机等高温环境下的关键部件，如涡轮叶片，保障航空发动机安全运行，推动航空技术发展。医用材料医用材料需具备生物相容性、可降解性等特性，用于制作人造器官、植入物等，在现代医疗领域扮演着重要角色，促进医疗技术进步，改善人民健康水平。材料选择原则强度与硬度材料必须能够承受预期的载荷和应力，避免发生断裂或永久变形。材料的强度和硬度是关键指标。弹性与刚度材料在承受载荷后能够恢复原状，保持形状稳定，这取决于材料的弹性模量和刚度。耐温性材料需要适应工作环境的温度变化，避免因温度过高或过低而导致性能下降或失效。耐腐蚀性材料需要抵抗环境中的腐蚀性物质，避免发生腐蚀导致性能下降或失效。典型工程材料性能对比100强度100韧性100硬度100耐腐蚀性通过对典型工程材料性能的对比，我们可以更直观地了解不同材料的优缺点，从而在实际应用中做出更合理的选择。典型工程材料应用钢铁钢铁是建筑、桥梁、汽车、船舶等许多工程领域的主力军。其高强度、韧性以及可塑性使其成为各种结构和机械的关键组成部分。铝合金铝合金以其轻量化、耐腐蚀性以及良好的可加工性而闻名，广泛应用于航空航天、汽车制造以及建筑装饰等领域。塑料塑料在现代工程中扮演着越来越重要的角色。其低成本、易加工性以及多种性能使其成为各种产品和部件的理想材料，从日常用品到电子设备，无处不在。复合材料复合材料由两种或多种材料组合而成，以获得优异的性能。它们在航空航天、汽车制造以及建筑等领域应用广泛，为工程设计提供了更多选择。典型工程案例分析1案例一：压缩弹簧弹簧在机械设备中广泛应用，例如汽车悬挂系统、机械压力机等。材料力学知识可以帮助工程师选择合适的材料和设计弹簧形状，以满足特定的载荷和变形要求。2案例二：柱塞杆柱塞杆作为液压系统的关键部件，承受着巨大的压力。材料力学可以帮助工程师选择耐压、耐磨的材料，并进行强度分析，确保柱塞杆在工作过程中不会发生失效。3案例三：机械轴机械轴是机械设备的核心部件，承受着各种载荷，包括扭矩、弯矩和轴向力。材料力学可以帮助工程师选择抗疲劳、抗扭转、抗弯曲的材料，确保机械轴的安全可靠运行。案例一：压缩弹簧应用场景压缩弹簧广泛应用于机械设备中，例如汽车悬挂系统、门窗缓冲装置、电子产品按键等，起到缓冲、减震、复位等作用。材料选择压缩弹簧的材料选择主要取决于其承载力、弹性、耐疲劳性能等要求。常见的材料包括碳钢、不锈钢、合金钢等。设计考虑压缩弹簧的设计需要考虑弹簧的刚度、行程、工作环境等因素，以确保其能够满足实际应用需求。案例二：柱塞杆柱塞杆的典型应用柱塞杆是液压系统中的关键部件之一，用于传递液压压力并将活塞推拉，实现机械运动。它通常承受较大的载荷和冲击力，因此必须采用高强度、耐磨损的材料。材料选择柱塞杆的材料选择取决于其工作环境和负载条件。常见的材料包括：高强度钢：例如45#钢，具有良好的强度和韧性，适合承受高负载和冲击力。不锈钢：具有良好的耐腐蚀性和抗氧化性，适合在腐蚀性环境中使用。合金钢：如Cr-Mo钢，具有更高的强度和耐磨性，适用于高负载和高速运行。表面处理为了提高柱塞杆的耐磨性、抗腐蚀性和表面硬度，通常进行表面处理，包括：镀铬：提高表面硬度和耐磨性。氮化：提高表面硬度和耐疲劳性。磷化：提高抗腐蚀性。案例三：机械轴材料选择机械轴承受着旋转和剪切载荷，因此需要高强度和耐磨损的材料。常见的材料包括：-钢：高强度、耐磨损，适用于高负荷和高速应用。-合金钢：更高的强度和耐磨损性，适用于更苛刻的应用。-不锈钢：抗腐蚀性能优异，适用于潮湿环境或腐蚀性介质中的应用。设计考虑设计机械轴时需要考虑以下因素：-轴径：与轴承的尺寸匹配，并满足强度要求。-轴承选择：选择合适的轴承类型，以确保轴的平稳运行和寿命。-加工精度：轴的表面粗糙度和尺寸公差应满足要求，以确保轴的平稳运行和精度。-表面处理：可选用热处理、镀层或喷涂等表面处理工艺，以提高轴的耐磨损性能和抗腐蚀性能。案例四：飞轮材料选择飞轮通常使用高强度钢或合金钢制造，例如45号钢或40Cr钢。这些材料具有良好的强度、韧性和耐磨性，能够承受高速旋转带来的巨大惯性力。设计考虑飞轮的设计需要考虑以下因素：尺寸、重量、转速、工作环境等。设计时需要根据具体应用场景选择合适的材料和结构，并进行强度、刚度和疲劳强度等方面的计算。应用场景飞轮广泛应用于各种机械设备，例如发动机、发电机、机床等。它可以用来储存能量、调节转速、平稳运行等。案例五：铆钉