緒論 工程材料的力學(xué)性能.ppt

工程材料的力學(xué)性能 第1章 了解工程材料的主要力學(xué)性能指標(biāo) 屈服強度 抗拉強度 延伸率 斷面收縮率 硬度 沖擊韌性 疲勞強度 斷裂韌性等力學(xué)性能及其測試原理 強調(diào)各種力學(xué)性能指標(biāo)的生產(chǎn)實際意義 教學(xué)目標(biāo) 定義 材料的力學(xué)性能是指材料在外加載荷作用下或載荷與環(huán)境因素 溫度 環(huán)境介質(zhì) 聯(lián)合作用下所表現(xiàn)出來的行為 即材料抵抗外加載荷引起的變形和斷裂的能力 指標(biāo) 強度 塑性 硬度 沖擊韌性 疲勞強度 蠕變極限 斷裂韌性等 1 1單向靜拉伸載荷下材料的力學(xué)性能1 2硬度1 3沖擊載荷下材料的力學(xué)性能1 4疲勞載荷下材料的力學(xué)性能1 5高溫條件下材料的力學(xué)性能1 6斷裂韌性 教學(xué)內(nèi)容 1 1單向靜拉伸載荷下材料的力學(xué)性能 1 1 1拉伸實驗與拉伸曲線1 1 2強度1 1 3塑性 1 拉伸試樣GB6397 86規(guī)定 金屬拉伸試樣 有 圓形 矩形 異型及全截面 常用標(biāo)準(zhǔn)圓形截面試樣 1 1 1拉伸實驗與拉伸曲線 長試樣 L0 10d0 短試樣 L0 5d0 2 拉伸實驗 3 拉伸曲線 拉伸力 伸長曲線 定義 拉伸試驗中得出的拉伸力與伸長量的關(guān)系曲線 低碳鋼的拉伸力 伸長曲線 4 拉伸曲線 應(yīng)力 應(yīng)變曲線 應(yīng)力 單位面積上試樣承受的載荷 這里用試樣承受的載荷除以試樣的原始橫截面積S0表示 F載荷 N Mpa S0原始橫截面積 mm2 應(yīng)變 單位長度的伸長量 這里用試樣的伸長量除以試樣的原始標(biāo)距表示 l伸長量 mm l0原始長度 mm 應(yīng)力 應(yīng)變曲線 曲線 形狀和拉伸曲線相同 單位不同 脆性材料的拉伸曲線 與低碳鋼試樣相對比 脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象 淬火鋼及鑄鐵 1 1 2強度 強度的物理意義是表征材料對塑性變形和斷裂的抗力 由拉伸試驗可測得材料的彈性極限 屈服強度和抗拉強度等強度指標(biāo) 1 彈性極限 e和彈性模量E 彈性極限 e是指材料在不產(chǎn)生塑性變形的情況下所能承受的最大應(yīng)力 彈性模數(shù)E是指材料在彈性范圍內(nèi) 應(yīng)力與應(yīng)變的比值 GPa E E標(biāo)志材料抵抗彈性變形的能力 用以表示材料的剛度 E主要取決于金屬本性 與晶體結(jié)構(gòu)和原子間距有密切關(guān)系 合金化 熱處理 冷塑性變形對其影響較小 即對組織不敏感 E 2 屈服強度 S 拉伸試驗過程中 載荷不增加 試樣仍然繼續(xù)伸長的現(xiàn)象 稱為材料的屈服現(xiàn)象 拉伸試驗過程中 卸去載荷后不能恢復(fù)的殘余變形叫做塑性變形 材料在外加載荷作用下開始發(fā)生塑性變形的最低應(yīng)力值 稱為材料的屈服強度 用符號 S表示 對于不出現(xiàn)明顯屈服現(xiàn)象的材料 國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以試樣產(chǎn)生0 2 塑性變形時的應(yīng)力值作為該材料的屈服極限 用符號 0 2表示 屈服強度是設(shè)計和選材的主要依據(jù)之一 3 抗拉強度 b 抗拉強度的物理意義是表征材料對最大均勻變形的抗力 表示材料在拉伸條件下能夠承受最大載荷時的應(yīng)力值 用符號 b表示 零件設(shè)計時一般不允許產(chǎn)生過量的塑性變形 如果使用 b作為零件設(shè)計的依據(jù) 需要采用更大的安全系數(shù) 1 1 2塑性 金屬材料在載荷的作用下 產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力稱為塑性 塑性指標(biāo)常用金屬斷裂時的最大相對塑性變形來表示 如拉伸時的延伸率 和斷面收縮率 1 延伸率 試樣拉斷后 標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分比 l1 試樣拉斷后的標(biāo)距 mm l0 試樣的原始標(biāo)距 mm 2 斷面收縮率 S0 試樣原始橫截面積 mm2 S1 頸縮處的橫截面積 mm2 試樣拉斷后 頸縮處的橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比 1 2硬度 1 1 1布氏硬度1 1 2洛氏硬度1 1 3維氏硬度和顯微硬度 硬度是反應(yīng)材料軟硬程度的一種性能指標(biāo) 布氏硬度試驗是指用一定直徑的球體 鋼球或硬質(zhì)合金球 以相應(yīng)的試驗力壓入式樣表面 經(jīng)規(guī)定保持時間后卸除試驗力 用測量的表面壓痕直徑計算硬度的一種壓痕硬度試驗 1 2 1布氏硬度 使用剛球壓頭時布氏硬度值用符號HBS表示 使用硬度合金壓頭時用符號HBW表示 在實際測試時 不必用公式計算 一般用讀數(shù)顯微鏡測出壓痕直徑d 然后根據(jù)d大小查表 即可求出所測的硬度值 舉例 120HBS10 1000 30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf 9 807kN 載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120 測量比較軟的材料 測量范圍HBS 450 HBW 650的金屬材料 使用范圍 壓痕大 測量準(zhǔn)確 但不能測量成品件 適用于未經(jīng)淬火的鋼 鑄鐵 有色金屬或質(zhì)地輕軟的軸承合金 優(yōu)缺點 1 2 2洛氏硬度 洛氏硬度試驗是指采用頂角為120 的金剛石圓錐體或直徑為1 588mm的淬火鋼球作為壓頭 試驗時先施加初載荷 使壓頭與試樣表面接觸良好 保證測量準(zhǔn)確 再施加主載荷 保持到規(guī)定的時間后再卸除主載荷 依據(jù)壓痕的深度來確定材料的硬度值 洛氏硬度用符號HR表示 HR k h1 h0 0 002 20 67 1500N 120 金剛石圓錐體 HRC 25 100 1000N 1 588mm鋼球 HRB 70 85 600N 120 金剛石圓錐體 HRA 使用范圍 缺點 壓痕小 測量不準(zhǔn)確 需多次測量 優(yōu)缺點 優(yōu)點 操作簡便 迅速 效率高 可直接測量成品件及高硬度的材料 1 2 3維氏硬度和顯微硬度 維氏硬度測試原理與布氏硬度相同 不同的是維氏硬度用的壓頭是兩相對面間的夾角為136 的金剛石正四棱錐體 在載荷P的作用下 在試樣表面上壓出一個四方錐形的壓痕 凹坑 測量壓痕對角線的長度d 以計算壓痕的表面積 以載荷P除以表面積的數(shù)值表示維氏硬度HV P為負荷 單位克 d是壓痕對角線長度 單位微米 測量出d值后 可查表或計算求得顯微硬度值 優(yōu)點 載荷P可以從1Kg 100Kg范圍內(nèi)根據(jù)試樣大小 厚薄進行選擇 改變負荷可測定從極軟到極硬材料的硬度 顯微硬度測試原理與維氏硬度完全相同 只是所用載荷要小得多 一般小于200g力 常用于測定材料中某個相的硬度 幾種硬度比較 1 3沖擊載荷下材料的力學(xué)性能 1 3 1沖擊試驗方法1 3 2沖擊韌性1 3 3低溫脆性 1 沖擊試樣夏比U形缺口試樣和夏比V形缺口試樣 我國多采用夏比U形缺口試樣 1 3 1沖擊試驗方法 2 沖擊實驗 金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力 定義 1 3 2沖擊韌性 試驗原理 試樣被沖斷過程中吸收的能量即沖擊吸收功 Ak 等于擺錘沖擊試樣前后的勢能差 計算公式 Ak GH1 GH2 G H1 H2 沖擊韌性 ak 沖擊吸收功Ak除以標(biāo)準(zhǔn)試樣缺口處截面積S J m2 冷脆轉(zhuǎn)變 當(dāng)溫度降至某一數(shù)值或溫度范圍時 沖擊韌性值急劇下降 此轉(zhuǎn)變稱為冷脆轉(zhuǎn)變 相應(yīng)的溫度稱為冷脆轉(zhuǎn)變溫度 1 3 2低溫脆性 由于早年的Titanic號采用了含硫高的鋼板 韌性很差 特別是在低溫呈脆性 所以 沖擊試樣是典型的脆性斷口 近代船用鋼板的沖擊試樣則具有相當(dāng)好的韌性 Titanic號鋼板 左圖 和近代船用鋼板 右圖 的沖擊試驗結(jié)果 Titanic沉沒原因 1 4疲勞載荷下材料的力學(xué)性能 疲勞極限 1疲勞 承受載荷的大小和方向隨時間作周期性變化 交變應(yīng)力作用下 材料往往在遠小于強度極限 甚至小于屈服極限的應(yīng)力下發(fā)生斷裂 疲勞極限 材料經(jīng)無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最高應(yīng)力值 條件疲勞極限 經(jīng)受指定應(yīng)力循環(huán)次數(shù)而不致斷裂的最大應(yīng)力值 比如107次 90 的斷裂由疲勞造成 c 2003Brooks Cole adivisionofThomsonLearning Inc ThomsonLearning isatrademarkusedhereinunderlicense 1 5高溫條件下材料的力學(xué)性能 材料在長時間的恒溫 恒應(yīng)力作用下 發(fā)生緩慢塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變 高溫下 0 4Tm 蠕變明顯 材料強度用蠕變強度和持久強度表示 1 蠕變強度指材料在一定溫度下一定時間內(nèi)產(chǎn)生一定永久變形量所能承受的最大應(yīng)力 比如 0 2 500800 200MPa表示800攝氏度下500小時發(fā)生0 2 應(yīng)變的蠕變極限為200MPa 2 持久強度指材料在一定溫度下一定時間內(nèi)所能承受的最大斷裂應(yīng)力 比如 100800 120MPa表示800攝氏度下100小時的持久強度極限為120MPa 1 6斷裂韌性 由于裂紋的存在破壞了材料的均勻連續(xù)性 改變了材料內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力分布 傳統(tǒng)的力學(xué)強度理論已不再適用 斷裂力學(xué)就是在承認(rèn)機件中存在宏觀裂紋的前提下發(fā)展起來的 應(yīng)力場強度因子KI 描述裂紋尖端附近應(yīng)