工程材料的力學(xué)性能

1、 材料是在不同的外界條件下使用的，如在載荷、溫度、介質(zhì)、電場(chǎng)等作用下將表現(xiàn)出不同的行為，即材料的使用性能。使用性能。使用性能主要包括：力學(xué)性能力學(xué)性能、物理性能物理性能和化學(xué)性能化學(xué)性能。力學(xué)性能力學(xué)性能是指是指材料在載荷(外力)作用下所表現(xiàn)出的特性。強(qiáng)度：強(qiáng)度：是指材料在外力作用下抵抗變形與斷裂的能力。塑性：是指塑性：是指材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。 通常材料的強(qiáng)度和塑性是根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB6397-86) 規(guī)定進(jìn)行靜拉伸試驗(yàn)測(cè)量得到的。1 材料的強(qiáng)度與塑性材料的強(qiáng)度與塑性工程材料的力學(xué)性能工程材料的力學(xué)性能材料的強(qiáng)度與塑性材料的強(qiáng)度與塑性拉伸試樣拉伸試樣 拉伸過(guò)程中試驗(yàn)機(jī)拉

2、伸過(guò)程中試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄拉伸過(guò)程中拉自動(dòng)記錄拉伸過(guò)程中拉力與伸長(zhǎng)量的關(guān)系曲線力與伸長(zhǎng)量的關(guān)系曲線（F-L曲線）曲線） =F/S-應(yīng)力；F-軸向拉力；S-試樣原始橫截面積 =L/L0=(L1-L0)/L0-應(yīng)變； L0-試樣標(biāo)距； L1-試樣拉伸后長(zhǎng)度 1.彈性變形階段（oe）應(yīng)力應(yīng)力- -應(yīng)變關(guān)系曲線特點(diǎn)（應(yīng)變關(guān)系曲線特點(diǎn)（-曲線）曲線）2.塑性變形階段（eb）3.斷裂點(diǎn)（k） 1.彈性變形階段（oe）應(yīng)力應(yīng)力- -應(yīng)變關(guān)系曲線特點(diǎn)（應(yīng)變關(guān)系曲線特點(diǎn)（-曲線）曲線）直線oe的斜率定義為材料的彈性模量（剛度）EE= / 彈性模量彈性模量E E 反映了材料產(chǎn)生彈性變形的難易程度，保證了材料不發(fā)生過(guò)量

3、彈性變形。材料的彈性模量取決于材料本身，合金化、熱處理及冷熱變形對(duì)其影響不大。應(yīng)力應(yīng)力- -應(yīng)變關(guān)系曲線特點(diǎn)（應(yīng)變關(guān)系曲線特點(diǎn)（-曲線）曲線）2.塑性變形階段（eb）載荷基本不變的情況下試樣繼續(xù)伸長(zhǎng)的現(xiàn)象稱作屈服。 s ： 屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)s s ：屈服強(qiáng)度：屈服強(qiáng)度 b：最大應(yīng)力點(diǎn)：最大應(yīng)力點(diǎn) “縮頸縮頸”b ：抗拉強(qiáng)度：抗拉強(qiáng)度3.斷裂點(diǎn)（k）強(qiáng)度指標(biāo)：強(qiáng)度指標(biāo)：1.彈性極限e ：是指材料由彈性過(guò)渡到彈-塑性變形的最大應(yīng)力。2.屈服強(qiáng)度s ：是指材料產(chǎn)生明顯塑性變形時(shí)的應(yīng)力。需要注意的是，對(duì)于高碳鋼等一些相對(duì)脆性的金屬材料往往沒有明顯的屈服平臺(tái)，規(guī)定產(chǎn)生0.2%殘余應(yīng)變時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值作為其屈

4、服極限，稱為條件屈服強(qiáng)度，記作0.2。3.抗拉強(qiáng)度b ：是指材料拉伸時(shí)所能承受的最大應(yīng)力。塑性指標(biāo)：塑性指標(biāo)：一般用伸長(zhǎng)率()或斷面收縮率()來(lái)反映材料塑性的好壞。 1.伸長(zhǎng)率：伸長(zhǎng)率： =(L1-L0)/L02.斷面收縮率：斷面收縮率：=(S0-S1)/S0 a.材料可通過(guò)局部塑性變形來(lái)削減應(yīng)力峰，緩解應(yīng)力集中，從而防止突然破壞。 b.通過(guò)發(fā)生塑性變形和因此引起的形變強(qiáng)化，可提高抵抗過(guò)載的能力。 c.如果零件失效前產(chǎn)生塑性變形，由于塑性變形可吸收大量能量，可使失效的破壞性降到最小。 d.好的塑性有利于壓力加工成型工藝。 WE-2000CI型型液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī) 測(cè)量方法：靜載壓

5、入法測(cè)量方法：靜載壓入法 根據(jù)壓頭和載荷的不同，主要有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)和維氏硬度 (HV) 等。定義：硬度定義：硬度反映了材料表面抵抗其他硬物壓入的能力。 意義：意義：硬度能較敏感地反映材料的成分與組織結(jié)構(gòu)的變化，與強(qiáng)度、耐磨性以及工藝性能往往存在一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，故可用來(lái)檢驗(yàn)原材料和控制冷熱加工質(zhì)量。2 材料的硬度材料的硬度工程材料的力學(xué)性能工程材料的力學(xué)性能 將一定直徑的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球，在規(guī)定載荷下壓入被測(cè)金屬的表面，并保持一定時(shí)間，然后卸除載荷，以金屬表面球形壓痕單位面積上所承受載荷的大小來(lái)表示被測(cè)金屬材料的硬度。)(2102. 0)(22dDDDFAFHBWHBS

6、布氏硬度：布氏硬度：1900年瑞典工程師布利涅爾（Brinell）提出幾點(diǎn)說(shuō)明：幾點(diǎn)說(shuō)明：1.布氏硬度的單位為MPa，一般不標(biāo)出；2.淬火鋼球?yàn)閴侯^測(cè)出的硬度值以HBS表示，適用于硬度值在450以下的材料；硬質(zhì)合金球?yàn)閴侯^測(cè)出的硬度值以HBW表示，適用于硬度值在450-650的材料；3.布氏硬度值要注明鋼球直徑、載荷大小、加載時(shí)間。如10mm淬火球在9.81kN（ 1000kgf）載荷下，保持30s測(cè)得的布氏硬度值為150時(shí)，應(yīng)標(biāo)注為150HBS10/1000/30又如:500HBW5/750表示用5mm的硬質(zhì)合金球在7.335kN （ 750kgf ）載荷作用下保持10-15s測(cè)得的布氏硬度

7、值為500。洛氏硬度：洛氏硬度：1919年美國(guó)洛克威爾提出。年美國(guó)洛克威爾提出。 用錐頂角120的金剛石圓錐體或淬火鋼球作為壓頭，在一定試驗(yàn)力的作用下，將壓頭壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定的保持時(shí)間后，卸除主試驗(yàn)力，根據(jù)殘余壓痕深度計(jì)算被測(cè)材料的硬度。洛氏硬度值可直接從硬度計(jì)讀取。洛氏硬度的分類洛氏硬度的分類 HRA HRB HRC 壓頭 : 金剛石 直徑直徑 金剛石 圓錐體 1.5875鋼球鋼球 圓錐體 總載荷 /N : 588.37 980.67 1471.07應(yīng)用 ： 高硬度 較軟材料， 淬火鋼 材料，如 如退火鋼， 等硬材料 硬質(zhì)合金 銅鋁等范圍： 60-88HRA 20-100HRB 20-7

8、0HRC 維氏硬度的試驗(yàn)原理與布氏硬度相同，但維氏硬度試驗(yàn)是用兩面夾角為136的金剛石四棱錐體作為壓頭。試驗(yàn)時(shí)測(cè)出壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度以計(jì)算壓痕的表面積，以F/A的數(shù)值表示維氏硬度值。 HV=1.8544F/d2(MPa)維氏硬度載荷小，壓痕深度淺，適應(yīng)于測(cè)量較薄的材料或表面硬化層的硬度，所以維氏硬度廣泛用來(lái)測(cè)定金屬鍍層、薄片金屬以及化學(xué)熱處理后的表面硬度。壓痕面積大，能反映較大范圍的組成的平均性能，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，準(zhǔn)確，重復(fù)性強(qiáng)布氏硬度布氏硬度洛氏硬度洛氏硬度維氏硬度維氏硬度優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)硬度值可直接讀出，簡(jiǎn)便，壓痕小，可在關(guān)鍵表面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。代表性差壓痕清晰，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，載荷小，壓痕淺，適合薄件、表

9、面層，且軟硬材料均適用，范圍廣。硬度值測(cè)定麻煩壓痕直徑測(cè)量麻煩，不適于成品、薄件 定義：韌性是指材料在塑性變形和斷裂定義：韌性是指材料在塑性變形和斷裂的全過(guò)程中吸收能量的能力，是材料強(qiáng)的全過(guò)程中吸收能量的能力，是材料強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)。度和塑性的綜合表現(xiàn)。 衡量材料韌性的力學(xué)性能指標(biāo)稱之為韌度。我們考察較多的是材料的沖擊韌性和斷裂韌性，與之對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能指標(biāo)為沖擊韌度（k）和斷裂韌度（KIC）。3 材料的韌性材料的韌性工程材料的力學(xué)性能工程材料的力學(xué)性能 定義定義：沖擊韌性是用來(lái)評(píng)價(jià)材料在沖擊載荷作用下的脆斷傾向的，它是指材料在沖擊加載下吸收塑性變形功和斷裂功的能力。沖擊韌度為其力學(xué)性能指標(biāo)

10、，表示單位面積吸收的沖擊功，用一次擺錘沖擊試驗(yàn)法來(lái)測(cè)定。（k=Ak /A）沖擊韌性沖擊韌性221/)(cmJAhhGaK 材料內(nèi)部的裂紋往往會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生低應(yīng)力脆斷，針對(duì)這種情況，通常采用斷裂韌度KIC來(lái)評(píng)定。 KIC是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的度量，反映了材料抵抗低應(yīng)力脆斷的能力。 斷裂韌性斷裂韌性KIC=Yca1/2Y-與裂紋形狀及加載方式有關(guān)的量c - 裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的應(yīng)力，即斷裂應(yīng)力a-材料內(nèi)部裂紋長(zhǎng)度的一半材料沖擊韌度的大小除了與材料本身特性，如化學(xué)成分、顯微組織和冶金質(zhì)量有關(guān)外，還受試樣尺寸、缺口形狀、加工粗糙度和實(shí)驗(yàn)環(huán)境等影響材料的斷裂韌度與材料本身的性質(zhì)有關(guān)，與材料的成分、成型工

11、藝有關(guān)；而與裂紋的形狀、尺寸及外應(yīng)力的大小無(wú)關(guān)。影響因素影響因素疲勞斷裂的概念疲勞斷裂的概念 零件在交變載荷作用下經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間工作而發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象(交變載荷交變載荷是指大小、方向隨時(shí)間發(fā)生周期性循環(huán)變化的載荷)工程材料的力學(xué)性能工程材料的力學(xué)性能疲勞斷裂的特點(diǎn)疲勞斷裂的特點(diǎn)(1)斷裂時(shí)的應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料靜載下的抗拉強(qiáng)度，甚至屈服強(qiáng)度, 疲勞斷裂屬低應(yīng)力脆斷。(2)斷裂前無(wú)論是韌性材料還是脆性材料均無(wú)明顯的塑性變形，是一種無(wú)預(yù)兆、突然發(fā)生的斷裂，因此危險(xiǎn)性極大。疲勞斷裂的基本過(guò)程疲勞斷裂的基本過(guò)程(1)裂紋的產(chǎn)生裂紋的產(chǎn)生：由于材料本身的各種缺陷和結(jié)構(gòu)等原因，使零件受力時(shí)局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成疲勞裂紋源，達(dá)到一定條件時(shí)