第一章金屬材料的力學性能PPT課件

1、1一一 靜載荷條件下材料的力學性能靜載荷條件下材料的力學性能 材料的靜載性能指標有哪些材料的靜載性能指標有哪些? ? 發(fā)生過量彈性變形的原因是什么發(fā)生過量彈性變形的原因是什么? ?設計時應選擇什設計時應選擇什么性能指標么性能指標? ? 發(fā)生過量塑性變形的原因是什么發(fā)生過量塑性變形的原因是什么? ?抗力指標有哪些抗力指標有哪些? ?問 題材料的靜載性能指標剛度和強度指標彈性和塑性指標硬度指標韌性指標（放在斷裂中講）第1頁/共57頁2拉伸試樣拉伸試驗機應力 = P/F0應變 = (l-l0)/l0（一）靜拉伸試驗及材料的強度與塑性第2頁/共57頁3彈性變形、塑性變形彈性變形非線性彈性變形第3頁/共

2、57頁4 材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為為變形。變形。 外力去除后能夠恢復的變形稱為外力去除后能夠恢復的變形稱為彈性變形。彈性變形。 外力去除后不能恢復的變形稱為外力去除后不能恢復的變形稱為塑性變形。塑性變形。 五萬噸水壓機第4頁/共57頁51 1 彈性極限和剛度彈性極限和剛度（1 1）彈性極限）彈性極限 e e：彈性的指標為彈性的指標為 e e ，即，即材料承材料承受最大彈性變形時的應力。受最大彈性變形時的應力。（2 2）剛度：材料受力時抵抗彈性變形的能力。指）剛度：材料受力時抵抗彈性變形的能力。指標為彈性摸量標為彈性摸量E E。 剛度

3、越大，零構件發(fā)生的彈性變形越小。（在剛度越大，零構件發(fā)生的彈性變形越小。（在同樣的載荷下）同樣的載荷下） 彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨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，其他強化材料的手段如溫度升高而逐漸降低外，其他強化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對彈性模量的影響熱處理、冷熱加工、合金化等對彈性模量的影響很小很小. .可以通過增加橫截面積或改變截面形狀來可以通過增加橫截面積或改變截面形狀來提高零件的剛度。提高零件的剛度。第5頁/共57頁6）（MPatgE e低碳鋼的應力-應變曲線第6頁/共57頁7（1 1）屈服點）屈服點 s s材料發(fā)生微量塑性變

4、形時的應力值。條件屈服強度0.2：殘余變形量為0.2%時的應力值。s0.2（2）抗拉強度 b材料斷裂前所承受的最大應力值。2 材料強度第7頁/共57頁8 （1 1）伸長率：伸長率：%100001 lll %100010 FFF （2）斷面收縮率：斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象塑性：材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。指標為：3 3 材料的塑性材料的塑性第8頁/共57頁9說明：說明： 用用 表示塑性比表示塑性比 更接近真實變形。更接近真實變形。 直徑直徑d d0 0 相同時，相同時，l l0 0 ，。只有當。只有當l l0 0/d/d0 0 為常數(shù)時，塑性值才有可比性。為常數(shù)時，塑性值才有可比性。

5、 當當l l0 0=10d=10d0 0 時，伸長率用時，伸長率用 表示；表示； 當當l l0 0=5d=5d0 0 時，伸長率用時，伸長率用 5 5 表示。顯表示。顯然然 5 5 時，無頸縮，為脆性材料表征時，無頸縮，為脆性材料表征 105低周疲勞: Nf105疲勞曲線第39頁/共57頁404 4 影響疲勞抗力的因素影響疲勞抗力的因素（1 1） 載荷類型載荷類型（2 2） 材料本質材料本質（3 3） 零件表面狀態(tài)零件表面狀態(tài)（4 4） 工作溫度工作溫度（5 5） 腐蝕介質腐蝕介質第40頁/共57頁41第41頁/共57頁42總總 結結1 1 疲勞斷裂是零構件常見的一種失效形式，它是一疲勞斷裂是

6、零構件常見的一種失效形式，它是一種種脆性斷裂，危害很大。脆性斷裂，危害很大。疲勞斷裂與靜載荷或一次沖擊加載斷裂相比，具有疲勞斷裂與靜載荷或一次沖擊加載斷裂相比，具有以以下特點：下特點：（1 1）疲勞是低應力循環(huán)延時斷裂，即具有壽命地）疲勞是低應力循環(huán)延時斷裂，即具有壽命地斷斷裂。其斷裂應力往往裂。其斷裂應力往往 疲勞極限疲勞極限 s s，甚至甚至 b b。（2 2）疲勞是脆性斷裂，由于一般疲勞應力水平）疲勞是脆性斷裂，由于一般疲勞應力水平 b b不論韌性材料還是脆性材料在疲勞斷裂前均不會產(chǎn)不論韌性材料還是脆性材料在疲勞斷裂前均不會產(chǎn)生生塑性變形及有形變預兆塑性變形及有形變預兆（3 3）疲勞對缺

7、陷（缺口裂紋及組織缺陷）十分敏）疲勞對缺陷（缺口裂紋及組織缺陷）十分敏感感第42頁/共57頁432 2 無裂紋零構件設計中常用的疲勞抗力指標是疲勞無裂紋零構件設計中常用的疲勞抗力指標是疲勞極極限、過載持久值（和疲勞缺口敏感度）。限、過載持久值（和疲勞缺口敏感度）。 工作應力工作應力sss疲勞極限，疲勞極限，構件在一定的周次下構件在一定的周次下斷斷裂，該周次稱為過載持久值。工作應力越大，過載裂，該周次稱為過載持久值。工作應力越大，過載持持久值越低。久值越低。3 3 疲勞斷口上可清楚顯示疲勞裂紋源、疲勞裂紋擴疲勞斷口上可清楚顯示疲勞裂紋源、疲勞裂紋擴展區(qū)和最后斷裂區(qū)。所以，根據(jù)斷口就可判斷是否展區(qū)

8、和最后斷裂區(qū)。所以，根據(jù)斷口就可判斷是否發(fā)發(fā)生疲勞斷裂。生疲勞斷裂。第43頁/共57頁44三三 金屬材料的斷裂韌度金屬材料的斷裂韌度1943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂北極星導彈 油輪斷裂和北極星導彈發(fā)動機殼體爆炸與材料中存在缺陷有關第44頁/共57頁45裂紋擴展的基本形式（一）裂紋擴展的基本形式第45頁/共57頁461 應力強度因子：描述裂紋尖端附近應力場強度的指標。aYKI 2/1)( cca 2 斷裂韌度：是評定材料抵抗脆性斷裂的力學性能指標，指的是材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴展的能力。（二）斷裂韌性及衡量指標（二）斷裂韌性及衡量指標CCICaYK 第46頁/共57頁4723/mMNC為斷裂應力，

9、aC為臨界裂紋半長，單位為 MPam 1/2 或2 應用（判斷構件是否安全，合理選材） KI KIC 構件發(fā)生脆性斷裂 KI KIC 構件發(fā)生低應力脆性斷裂的臨界條件3 應用場合：主要用于高強度鋼制造的飛機、導彈和火箭的零件，或者是用中低強度鋼制造氣輪機轉子、大型發(fā)電機轉子等。第47頁/共57頁48三三 影響脆性斷裂的因素影響脆性斷裂的因素 加載方式加載方式 材料本質材料本質 溫度和加載速度溫度和加載速度 應力集中應力集中 零件尺寸零件尺寸第48頁/共57頁49總總 結結 材料的斷裂分為：韌性斷裂和脆性斷裂材料的斷裂分為：韌性斷裂和脆性斷裂 材料的韌性指標：沖擊吸收功、沖擊韌度、材料材料的韌性

10、指標：沖擊吸收功、沖擊韌度、材料韌韌脆轉變溫度和斷裂韌度，前三個用于評價材料韌性脆轉變溫度和斷裂韌度，前三個用于評價材料韌性的的好壞，也可用于一般零件的抗斷裂設計；斷裂韌度好壞，也可用于一般零件的抗斷裂設計；斷裂韌度可可用于材料抵抗低應力脆性斷裂的設計。用于材料抵抗低應力脆性斷裂的設計。 材料的以上韌性指標均可用合金化和熱處理等方材料的以上韌性指標均可用合金化和熱處理等方法法改變。改變。第49頁/共57頁50四四 高溫下材料的力學性能高溫下材料的力學性能問問 題題1 1 金屬材料在高溫下的力學行為有哪些特點？金屬材料在高溫下的力學行為有哪些特點？2 2 什么是材料的蠕變？什么是材料的蠕變？3

11、3 評價金屬材料高溫力學性能指標有哪些？評價金屬材料高溫力學性能指標有哪些？4 4 高溫下零件的失效方式有哪些？如何防止？高溫下零件的失效方式有哪些？如何防止？概概 述述 在高壓蒸汽鍋爐，汽輪機燃氣輪機柴油機化工煉油在高壓蒸汽鍋爐，汽輪機燃氣輪機柴油機化工煉油設備以及航空發(fā)動機中很多機件是長期在高溫條件下設備以及航空發(fā)動機中很多機件是長期在高溫條件下運轉的運轉的第50頁/共57頁51（一）材料在高溫下的力學行（一）材料在高溫下的力學行為為1 1 材料的強度隨溫度的升高而降抵。材料的強度隨溫度的升高而降抵。2 2 高溫下材料的強度隨時間的延長而降抵。高溫下材料的強度隨時間的延長而降抵。3 3 高

12、溫下材料的變形量隨時間的延長而增加。高溫下材料的變形量隨時間的延長而增加。（二）蠕變和蠕變曲線1 蠕變：材料在長時間的恒溫恒應力作用下即使應力小于該溫度下的屈服點也會緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。第51頁/共57頁522 2 蠕變曲線蠕變曲線I 減速蠕變階段II 恒速蠕變階段III 加速蠕變階段第52頁/共57頁53第53頁/共57頁54（三）評價材料高溫力學性能的指標1 蠕變極限：是高溫下載荷長期作用時，材料對蠕變的抵抗能力。和常溫下的屈服強度s相似。1 表示方法（1）在規(guī)定溫度下使試樣產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的應力值 ，符號為（2）給定溫度下，在規(guī)定時間內(nèi)使試樣產(chǎn)生一定蠕變總變形量d的應力值，符號為：Tt /T第54頁/共57頁552 持久強度：材料在高溫下載荷長期作用時材料對斷裂的