1材料的力學(xué)性能

1、 挑戰(zhàn)者號(hào)爆炸事故挑戰(zhàn)者號(hào)爆炸事故 55億億 1986年1月28日，“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)在升空后73秒之后發(fā)生爆炸墜毀，起因只是由于一個(gè)小密封圈出現(xiàn)故障，造成液態(tài)氫泄漏，最終引發(fā)大爆炸 該航天飛機(jī)的造價(jià)為45億美元，在用于事故調(diào)查、錯(cuò)誤糾正、損失裝置更換的費(fèi)用也花費(fèi)了10億美元 使用性能：材料在使用過(guò)程中所表現(xiàn)的性能。包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。 工藝性能：材料在加工過(guò)程中所表現(xiàn)的性能。包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削性能等。第第2 2節(jié)節(jié) 工程材料的性能工程材料的性能 材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱(chēng)為變形。 外力去處后能夠恢復(fù)的變形稱(chēng)為彈性變形。 外力去處后不能恢復(fù)的變形

2、稱(chēng)為塑性變形。 五萬(wàn)噸水壓機(jī)五萬(wàn)噸水壓機(jī)1.2.1 靜載時(shí)材料的力學(xué)性能靜載時(shí)材料的力學(xué)性能 拉伸試樣拉伸試樣拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸試驗(yàn)機(jī)應(yīng)力應(yīng)力 = P/F0應(yīng)變應(yīng)變 = (l-l0)/l01.2.1 靜載時(shí)材料的力學(xué)性能靜載時(shí)材料的力學(xué)性能 1、拉伸試驗(yàn)與應(yīng)力應(yīng)變曲線拉伸試驗(yàn)與應(yīng)力應(yīng)變曲線2、剛度與強(qiáng)度、剛度與強(qiáng)度 彈性：指標(biāo)為彈性極限e，即材料承受最大彈性變形時(shí)的應(yīng)力。 在應(yīng)力應(yīng)變曲線中，在應(yīng)力應(yīng)變曲線中，OA段為彈性變形階段，段為彈性變形階段，A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為材料承受最大彈性變形時(shí)的應(yīng)力，稱(chēng)為彈性極限，用應(yīng)力為材料承受最大彈性變形時(shí)的應(yīng)力，稱(chēng)為彈性極限，用 e表示。其中，表示。其中

3、，OA部分為斜直線，應(yīng)力應(yīng)變成比例關(guān)系，部分為斜直線，應(yīng)力應(yīng)變成比例關(guān)系，A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為保持這種比例關(guān)系的最大應(yīng)力，稱(chēng)為比例點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為保持這種比例關(guān)系的最大應(yīng)力，稱(chēng)為比例極限，用極限，用 p表示。對(duì)大多數(shù)材料來(lái)講，表示。對(duì)大多數(shù)材料來(lái)講，A、A幾乎重合，故一幾乎重合，故一般不做區(qū)分。般不做區(qū)分。1.2.1 靜載時(shí)材料的力學(xué)性能靜載時(shí)材料的力學(xué)性能 彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強(qiáng)化材料的手段如熱處理、冷高而逐漸降低外，其他強(qiáng)化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對(duì)彈性模量的影響很小。可以通過(guò)熱加工、合

4、金化等對(duì)彈性模量的影響很小?？梢酝ㄟ^(guò)增加橫截面積或改變截面形狀來(lái)提高零件的剛度。增加橫截面積或改變截面形狀來(lái)提高零件的剛度。 剛度：剛度：材料受力材料受力時(shí)抵抗彈性變形時(shí)抵抗彈性變形的能力。的能力。指標(biāo)為指標(biāo)為彈性模量彈性模量E。1.2.1 靜載時(shí)材料的力學(xué)性能靜載時(shí)材料的力學(xué)性能 強(qiáng)度：材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。 BC段，發(fā)生塑性變形而應(yīng)力不增加，這種現(xiàn)象叫做屈服。B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱(chēng)為屈服強(qiáng)度，用s表示。 有的材料的屈服強(qiáng)度不明顯，規(guī)定使用條件屈服強(qiáng)度0.2（殘余變形量為0.2%時(shí)的應(yīng)力值）來(lái)標(biāo)定。0.2 屈服強(qiáng)度反映材料抵抗永久變形的能屈服強(qiáng)度反映材料抵抗永久變形的能力，是最重要

5、的零件設(shè)計(jì)指標(biāo)。力，是最重要的零件設(shè)計(jì)指標(biāo)。1.2.1 靜載時(shí)材料的力學(xué)性能靜載時(shí)材料的力學(xué)性能 抗拉強(qiáng)度b：材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。 CD段為均勻塑性變形階段，應(yīng)力隨著應(yīng)變?cè)黾佣黾?，產(chǎn)生應(yīng)變強(qiáng)化。超過(guò)D點(diǎn)后，式樣開(kāi)始發(fā)生局部塑性變形，即出現(xiàn)頸縮，隨應(yīng)變?cè)黾討?yīng)力明顯下降，并在E點(diǎn)迅速斷裂。D點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為抗拉強(qiáng)度b。l抗拉強(qiáng)度反映材料抵抗斷裂破壞的能力，也是零抗拉強(qiáng)度反映材料抵抗斷裂破壞的能力，也是零件設(shè)計(jì)的材料評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。件設(shè)計(jì)的材料評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。1.2.1 靜載時(shí)材料的力學(xué)性能靜載時(shí)材料的力學(xué)性能 塑性：材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。塑性：材料受力破壞前可承受最大

6、塑性變形的能力。指標(biāo)為：指標(biāo)為： 伸長(zhǎng)率：斷面收縮率：斷面收縮率：斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象1.2.1 靜載時(shí)材料的力學(xué)性能靜載時(shí)材料的力學(xué)性能 3、塑性、塑性 說(shuō)明： 用面縮率表示塑性比伸長(zhǎng)率更接近真實(shí)變形。 直徑d0 相同時(shí)，l0，。只有當(dāng)l0/d0 為常數(shù)時(shí)，塑性值才有可比性。 當(dāng)l0=10d0 時(shí)，伸長(zhǎng)率用 表示； 當(dāng)l0=5d0 時(shí)，伸長(zhǎng)率用5 表示。顯然5 時(shí)，無(wú)頸縮，為脆性材料表征 時(shí)，有頸縮，為塑性材料表征1.2.1 靜載時(shí)材料的力學(xué)性能靜載時(shí)材料的力學(xué)性能 4、硬度、硬度 材料抵抗表面局部塑性變形的能力。 布氏硬度HB布氏硬度計(jì)布氏硬度計(jì)1.2.1 靜載時(shí)材料

7、的力學(xué)性能靜載時(shí)材料的力學(xué)性能 壓頭為鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。 壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，用符號(hào)HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。l符號(hào)符號(hào)HBS或或HBW之前的數(shù)字表示硬度之前的數(shù)字表示硬度值值, 符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間。如體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間。如 120HBS10/1000/30表示直徑為表示直徑為10mm的鋼球在的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下）載荷作用下保持保持30s測(cè)得的布氏硬度值為測(cè)得的布氏硬度值為120。布氏硬度壓痕布氏硬度壓痕1.2.1 靜

8、載時(shí)材料的力學(xué)性能靜載時(shí)材料的力學(xué)性能 布氏硬度布氏硬度 布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。 缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件 及比壓頭還硬的材料。 適于測(cè)量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼, 鑄鐵及有色金屬的硬度。 材料的b與HB之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系： 對(duì)于低碳鋼: b(MPa)3.6HB 對(duì)于高碳鋼：b(MPa)3.4HB 對(duì)于鑄鐵： b(MPa)1HB或 b(MPa) 0.6(HB-40)HB b(MPa)鋼黃銅球墨鑄鐵1.2.1 靜載時(shí)材料的力學(xué)性能靜載時(shí)材料的力學(xué)性能 h1-h0洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度計(jì)洛氏硬度計(jì)洛氏硬度洛氏硬度 洛氏硬度用符號(hào)HR表示，HR=k-(h1-h

9、0)/0.002 根據(jù)壓頭類(lèi)型和主載荷不同，分為九個(gè)標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為A、B、C。 1.2.1 靜載時(shí)材料的力學(xué)性能靜載時(shí)材料的力學(xué)性能 符號(hào)符號(hào)HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。lHRA用于測(cè)量高硬度材料用于測(cè)量高硬度材料, 如硬質(zhì)如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。合金、表淬層和滲碳層。lHRB用于測(cè)量低硬度材料用于測(cè)量低硬度材料, 如有色如有色金屬和退火、正火鋼等。金屬和退火、正火鋼等。lHRC用于測(cè)量中等硬度材料，如調(diào)用于測(cè)量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。質(zhì)鋼、淬火鋼等。l洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，壓痕操作簡(jiǎn)便，壓痕小，適用范圍

10、廣。小，適用范圍廣。l缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：測(cè)量結(jié)果分散度大。測(cè)量結(jié)果分散度大。鋼球壓頭與鋼球壓頭與金剛石壓頭金剛石壓頭洛氏硬度壓痕洛氏硬度壓痕1.2.1 靜載時(shí)材料的力學(xué)性能靜載時(shí)材料的力學(xué)性能 特別提示 零(構(gòu))件服役的環(huán)境是多種多樣的，對(duì)于工程上的零部件絕大多數(shù)是承受動(dòng)載荷的作用，如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)里的連桿、曲軸等部件就是這種情況。因此。研究材料的動(dòng)載力學(xué)性能才能接近實(shí)際情況。以便為解決實(shí)際工程問(wèn)題提供了更適合的評(píng)價(jià)方法。 1、沖擊韌性、沖擊韌性 是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。力。l指標(biāo)為沖擊指標(biāo)為沖擊韌性值韌性值ak(通通過(guò)沖擊實(shí)驗(yàn)過(guò)沖擊實(shí)驗(yàn)測(cè)得測(cè)得)。1

11、.2.2 材料的動(dòng)載力學(xué)性能材料的動(dòng)載力學(xué)性能 沖擊試驗(yàn)測(cè)定原理沖擊試驗(yàn)測(cè)定原理 2、多次沖擊在實(shí)際中，零件經(jīng)過(guò)一次沖擊即發(fā)生斷裂的情況極少。許多零件總是在很多次沖擊之后才會(huì)斷裂，且所承受的沖擊能量也遠(yuǎn)小于一次沖斷的能量。這種沖擊稱(chēng)做多次沖擊。大能量一次沖擊時(shí)，其沖擊抗力主要取決于塑性；而小能量多次沖擊時(shí)，其多沖抗力則主要取決于強(qiáng)度。 1.2.2 材料的動(dòng)載力學(xué)性能材料的動(dòng)載力學(xué)性能 3、疲勞、疲勞 材料在低于s的重復(fù)交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。 隨材料承受的交變應(yīng)力值的下降，其斷裂時(shí)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N值增加。材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力稱(chēng)為疲勞極限。對(duì)稱(chēng)循環(huán)交變的疲勞極限用

12、-1表示。鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107，有色金屬合金為108。疲勞應(yīng)力示意圖疲勞應(yīng)力示意圖1.2.2 材料的動(dòng)載力學(xué)性能材料的動(dòng)載力學(xué)性能 1-疲勞源、疲勞源、2-疲勞裂紋疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和擴(kuò)展區(qū)和3-瞬時(shí)斷裂區(qū)瞬時(shí)斷裂區(qū) 疲勞斷口示意圖疲勞斷口示意圖金屬的疲勞極限受到很金屬的疲勞極限受到很多因素的影響，主要有多因素的影響，主要有工作條件、表面工作條件、表面狀態(tài)、材質(zhì)、殘余內(nèi)應(yīng)狀態(tài)、材質(zhì)、殘余內(nèi)應(yīng)力等。改善零件的結(jié)構(gòu)力等。改善零件的結(jié)構(gòu)形狀，避免應(yīng)力集中，形狀，避免應(yīng)力集中，降低零件表面粗糙度值降低零件表面粗糙度值以及采取各種表面強(qiáng)化以及采取各種表面強(qiáng)化的方法，都能提高零件的方法，都能提高零件的疲勞

13、極限的疲勞極限 1.2.2 材料的動(dòng)載力學(xué)性能材料的動(dòng)載力學(xué)性能 特別提示零(構(gòu))件服役的環(huán)境是多種多樣的，如有的零件在高溫下工作，有的零件在低溫下工作，那么在室溫下測(cè)定的性能指標(biāo)就不能代表它在高溫或低溫下的性能。屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度與溫度有很大關(guān)系，一般溫度升高，材料強(qiáng)度降低。蠕變是指材料在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。由于蠕變變形而最后導(dǎo)致金屬材料的斷裂稱(chēng)為蠕變斷裂 蠕變極限是指在給定溫度T(單位)下和規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間t(單位h)內(nèi)，使試樣產(chǎn)生一定蠕變伸長(zhǎng)量所能承受的最大應(yīng)力。持久強(qiáng)度是指材料在給定溫度T (單位)和規(guī)定的持續(xù)時(shí)間t(單位h)內(nèi)引起斷裂的最大應(yīng)力值， 1

14、1高溫機(jī)械性能高溫機(jī)械性能1.2.3材料的高、低溫力學(xué)性能材料的高、低溫力學(xué)性能冷脆：脆性斷裂有以下特征：脆斷都是屬于低應(yīng)力破壞，其破壞應(yīng)力往往遠(yuǎn)低于材料的屈服極限；一般都發(fā)生在較低的溫度，通常發(fā)生脆斷時(shí)的材料的溫度均在室溫以下20；脆斷發(fā)生前，無(wú)預(yù)兆，開(kāi)裂速度快，為音速的1/3；發(fā)生脆斷的裂紋源是構(gòu)件中的應(yīng)力集中處。2低溫機(jī)械性能低溫機(jī)械性能1.2.3材料的高、低溫力學(xué)性能材料的高、低溫力學(xué)性能韌脆轉(zhuǎn)變溫度韌脆轉(zhuǎn)變溫度 材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱(chēng)韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱(chēng)韌脆轉(zhuǎn)變溫度。 材料的使用溫度應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。韌體心立方金屬具

15、有韌脆轉(zhuǎn)體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而大多數(shù)面心立變溫度，而大多數(shù)面心立方金屬?zèng)]有。方金屬?zèng)]有。1.2.2 材料的動(dòng)載力學(xué)性能材料的動(dòng)載力學(xué)性能 TITANIC建造中的建造中的Titanic 號(hào)號(hào)TITANIC的沉沒(méi)的沉沒(méi)與船體材料的質(zhì)量與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)直接有關(guān)1.2.2 材料的動(dòng)載力學(xué)性能材料的動(dòng)載力學(xué)性能 Titanic 號(hào)鋼板號(hào)鋼板（左圖）（左圖）和和近代船用鋼板近代船用鋼板（右圖）（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果的沖擊試驗(yàn)結(jié)果Titanic近代船用鋼板近代船用鋼板1.2.2 材料的動(dòng)載力學(xué)性能材料的動(dòng)載力學(xué)性能 材料中總是存在缺陷，常見(jiàn)的缺材料中總是存在缺陷，常見(jiàn)的缺陷是裂紋。在應(yīng)力作

16、用下，裂紋將陷是裂紋。在應(yīng)力作用下，裂紋將發(fā)生擴(kuò)展，一旦擴(kuò)展失穩(wěn)，就會(huì)發(fā)發(fā)生擴(kuò)展，一旦擴(kuò)展失穩(wěn)，就會(huì)發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂。生低應(yīng)力脆性斷裂。 材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力稱(chēng)為斷裂韌性。力稱(chēng)為斷裂韌性。1943年美國(guó)年美國(guó)T-2油輪發(fā)生油輪發(fā)生斷裂斷裂裂紋擴(kuò)展的基本形式裂紋擴(kuò)展的基本形式 工程上有時(shí)會(huì)出現(xiàn)材料在遠(yuǎn)低工程上有時(shí)會(huì)出現(xiàn)材料在遠(yuǎn)低于抗拉強(qiáng)度的情況下發(fā)生斷裂的于抗拉強(qiáng)度的情況下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。現(xiàn)象。1.2.4 材料的斷裂韌性材料的斷裂韌性 引入一個(gè)描述裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的指標(biāo)應(yīng)力強(qiáng)度引入一個(gè)描述裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的指標(biāo)應(yīng)力強(qiáng)度因子因子23/mMN研究表明，斷裂應(yīng)力研究