第二章_金屬的力學(xué)性能_化工機(jī)械設(shè)備基礎(chǔ)

1、1第二章第二章 金屬的力學(xué)性能金屬的力學(xué)性能 2桿件變形的基本形式桿件變形的基本形式345桿的受力簡(jiǎn)圖為桿的受力簡(jiǎn)圖為一、變形和內(nèi)力一、變形和內(nèi)力拉伸和壓縮的彈性形變：拉伸和壓縮的彈性形變：作用在桿件上的外力作用在桿件上的外力合力的作用線與桿件軸線重合，桿件變形是沿軸線合力的作用線與桿件軸線重合，桿件變形是沿軸線方向的伸長(zhǎng)或縮短。增大外力，變形增加方向的伸長(zhǎng)或縮短。增大外力，變形增加; ;減少外減少外力力, ,變形減少；去掉外力，恢復(fù)變形。變形減少；去掉外力，恢復(fù)變形。F FF F拉伸拉伸F FF F壓縮壓縮 第一節(jié)第一節(jié) 彈性體的變形和內(nèi)力彈性體的變形和內(nèi)力67F FF Fm mm m切切:

2、 : 假想沿假想沿m-mm-m橫截面將桿切開(kāi)橫截面將桿切開(kāi)1 1、截面法求內(nèi)力、截面法求內(nèi)力留留: : 留下左半段或右半段留下左半段或右半段F FF F代代: : 將拋掉部分對(duì)留下部分將拋掉部分對(duì)留下部分的作用用內(nèi)力代替的作用用內(nèi)力代替 F FN NF FN N平平: : 對(duì)留下部分寫(xiě)平衡方程求對(duì)留下部分寫(xiě)平衡方程求出內(nèi)力的值出內(nèi)力的值 0 xF0FFNFFN83 3、軸力正負(fù)號(hào)：、軸力正負(fù)號(hào)： 拉為正、壓為負(fù)拉為正、壓為負(fù)。 4 4、軸力圖：、軸力圖： 軸力沿桿件軸線的變化。軸力沿桿件軸線的變化。F FF Fm mm mF FF FF FN NF FN N 0 xF0FFNFFN2 2、軸力

3、：橫截面上的內(nèi)力、軸力：橫截面上的內(nèi)力 直桿受拉（壓）時(shí)產(chǎn)生的直桿受拉（壓）時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)力。內(nèi)力。9已知已知F F1 1=10kN=10kN；F F2 2=20kN=20kN； F F3 3=35kN=35kN；F F4 4=25kN;=25kN;試畫(huà)試畫(huà)出圖示桿件的軸力圖。出圖示桿件的軸力圖。11 0 xFkN1011 FFNFN1F1解：解：1 1、計(jì)算各段的軸力。、計(jì)算各段的軸力。F1F3F2F4ABCDABAB段段kN102010212FFFNBCBC段段2233FN3F4FN2F1F2122FFFN 0 xF 0 xFkN2543 FFNCDCD段段2 2、繪制軸力圖。、繪制軸力圖。k

4、NNFx102510 10PQ(a)P-29(b)P/Q/QP11應(yīng)力的概念應(yīng)力的概念 工程上通常稱(chēng)內(nèi)力分布集度為應(yīng)力，即工程上通常稱(chēng)內(nèi)力分布集度為應(yīng)力，即應(yīng)應(yīng)力是指作用在單位面積上的內(nèi)力值，它表示內(nèi)力是指作用在單位面積上的內(nèi)力值，它表示內(nèi)力在某點(diǎn)的集度。力在某點(diǎn)的集度。 一般來(lái)說(shuō)，桿件橫截面上的應(yīng)力不一定是一般來(lái)說(shuō)，桿件橫截面上的應(yīng)力不一定是均勻分布的，為了表示截面上某點(diǎn)均勻分布的，為了表示截面上某點(diǎn)C C的應(yīng)力，圍的應(yīng)力，圍繞點(diǎn)繞點(diǎn)C C取一微面積取一微面積 ，如下圖所示：，如下圖所示： 12AQpm平均應(yīng)力：平均應(yīng)力：AQpA0lim應(yīng)力：應(yīng)力： - -剪應(yīng)力正應(yīng)力應(yīng)力單位：應(yīng)力單位：P

5、aPa或或MPa MPa （1N/m1N/m2 2）26/1a101mmNPMPa13現(xiàn)象現(xiàn)象：橫向線：橫向線1-11-1與與2-22-2仍為直線，且仍然垂直于桿件仍為直線，且仍然垂直于桿件軸線，只是間距增大，分別平移至圖示軸線，只是間距增大，分別平移至圖示1-11-1與與2-2-22位置。位置。平面假設(shè)平面假設(shè)：桿件變形前為平面的橫截面在變形后仍為：桿件變形前為平面的橫截面在變形后仍為平面，且仍然垂直于變形后的軸線平面，且仍然垂直于變形后的軸線 FFF14FFF推論推論：當(dāng)桿件受到軸向拉伸：當(dāng)桿件受到軸向拉伸( (壓縮壓縮) )時(shí)，自桿件表面到時(shí)，自桿件表面到內(nèi)部所有縱向纖維的伸長(zhǎng)（縮短）都

6、相同。內(nèi)部所有縱向纖維的伸長(zhǎng)（縮短）都相同。結(jié)論結(jié)論：應(yīng)力在橫截面上是均勻分布的：應(yīng)力在橫截面上是均勻分布的( (即橫截面上各即橫截面上各點(diǎn)的應(yīng)力大小相等點(diǎn)的應(yīng)力大小相等) )，應(yīng)力的方向與橫截面垂直，即，應(yīng)力的方向與橫截面垂直，即為正應(yīng)力為正應(yīng)力 15ASAF16簡(jiǎn)單拉伸直桿斜面上作用的應(yīng)力簡(jiǎn)單拉伸直桿斜面上作用的應(yīng)力cosApFcoscosAFp2coscos p2sin2sincossin p172coscos p2sin2sincossin p18縱向變形縱向變形lllAFll llEAEA為抗拉剛度為抗拉剛度EAlFlNE虎克定律虎克定律線應(yīng)變線應(yīng)變E E為彈性模量為彈性模量, ,材

7、料抵抗彈性變形材料抵抗彈性變形的能力的能力 第二節(jié)第二節(jié) 材料的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能19橫向變形橫向變形bbbbb泊松比泊松比橫向線應(yīng)變橫向線應(yīng)變鋼材的鋼材的E E 約為約為2 210105 5MPaMPa，約為約為0.250.330.250.3320一一 拉伸實(shí)驗(yàn)拉伸實(shí)驗(yàn)常溫、靜載常溫、靜載2-42-41 1 試件的準(zhǔn)備和試件的進(jìn)行試件的準(zhǔn)備和試件的進(jìn)行2122oabcef明顯的四個(gè)階段明顯的四個(gè)階段1 1、彈性階段彈性階段obobP比例極限比例極限Ee彈性極限彈性極限tanE2 2、屈服階段屈服階段bcbc（失去抵（失去抵抗變形的能力）抗變形的能力）s屈服極限屈服極限3 3、強(qiáng)化階段強(qiáng)化

8、階段cece（恢復(fù)抵抗（恢復(fù)抵抗變形的能力）變形的能力）強(qiáng)度極限強(qiáng)度極限b4 4、頸縮階段頸縮階段efefPesb2 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果的整理23比例極限比例極限 p： =E - 關(guān)系是線性、彈性的。關(guān)系是線性、彈性的。： ： 斜率斜率,反映材料抵抗彈性變形的能力。反映材料抵抗彈性變形的能力。oabcefPsbtanE24oabcefPsb彈性極限彈性極限 e：彈性，彈性，abab段為非線性。段為非線性。 e e與與 p p數(shù)值相近。數(shù)值相近。 ： 材料是否出現(xiàn)塑性變形的重要強(qiáng)度指標(biāo)。材料是否出現(xiàn)塑性變形的重要強(qiáng)度指標(biāo)。2526%100010AAA 5%, 如低碳鋼、低合金鋼、青銅等如

9、低碳鋼、低合金鋼、青銅等.： 5%, 如鑄鐵、硬質(zhì)合金、石料等。如鑄鐵、硬質(zhì)合金、石料等。 opesybk頸縮頸縮k 1A1A027：彈性模量彈性模量E E: : 材料抵抗彈性變形的能力材料抵抗彈性變形的能力屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 s - 材料發(fā)生屈服材料發(fā)生屈服強(qiáng)度極限強(qiáng)度極限 b b - -材料發(fā)生破壞材料發(fā)生破壞：延伸率延伸率 和和/ /或或面縮率面縮率 。28oabcefPesb29無(wú)無(wú) s s, 無(wú)頸縮，無(wú)頸縮， 強(qiáng)度指標(biāo)強(qiáng)度指標(biāo) b。彈性階段彈性階段 - 間也可有非線性關(guān)系。間也可有非線性關(guān)系。可以沒(méi)有屈服平臺(tái)，可以沒(méi)有屈服平臺(tái)，名義屈服名義屈服極限極限 0.2為為產(chǎn)生產(chǎn)生0.2%塑性應(yīng)

10、變時(shí)的應(yīng)力。塑性應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力。(%) 0(MPa)10 20500200A3鋼鋼(Q235)16Mn 500 0(%)(MPa)20010.5灰鑄鐵灰鑄鐵玻璃鋼玻璃鋼 0(%)(MPa)20050020鋁合金鋁合金球墨鑄鐵球墨鑄鐵青銅青銅30常溫、靜載常溫、靜載二二 壓縮實(shí)驗(yàn)壓縮實(shí)驗(yàn)31屈服極限屈服極限S比例極限比例極限p彈性極限彈性極限e 拉伸與壓縮在屈拉伸與壓縮在屈服階段以前完全相服階段以前完全相同。同。E E - - 彈性模量彈性模量1 1 塑性材料（低碳鋼）的壓縮實(shí)驗(yàn)塑性材料（低碳鋼）的壓縮實(shí)驗(yàn)32obtbc 脆性材料的抗拉與抗壓脆性材料的抗拉與抗壓性質(zhì)不完全相同性質(zhì)不完全相同 壓縮時(shí)

11、的強(qiáng)度極限遠(yuǎn)大壓縮時(shí)的強(qiáng)度極限遠(yuǎn)大于拉伸時(shí)的強(qiáng)度極限于拉伸時(shí)的強(qiáng)度極限btbc2 2 脆性材料（鑄鐵）的壓縮實(shí)驗(yàn)脆性材料（鑄鐵）的壓縮實(shí)驗(yàn)3334三三 溫度對(duì)材料的力學(xué)性能的影響溫度對(duì)材料的力學(xué)性能的影響 1 1 溫度對(duì)短時(shí)靜載實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果的影響溫度對(duì)短時(shí)靜載實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果的影響 材料的塑性指標(biāo)材料的塑性指標(biāo),隨溫度降低而減少，隨溫度降低而減少，E E、b b、s s 隨溫度降低而升高隨溫度降低而升高構(gòu)件低溫脆斷構(gòu)件低溫脆斷低溫壓力容器（溫度低于低溫壓力容器（溫度低于-20-20）352 2 高溫時(shí)的蠕變與應(yīng)力松弛高溫時(shí)的蠕變與應(yīng)力松弛 蠕變現(xiàn)象：蠕變現(xiàn)象：金屬試件在金屬試件在高溫高溫下承受某已

12、固定的下承受某已固定的應(yīng)力應(yīng)力時(shí)，時(shí)，試件會(huì)隨著時(shí)間的延續(xù)而不斷發(fā)生緩慢增長(zhǎng)的塑性形試件會(huì)隨著時(shí)間的延續(xù)而不斷發(fā)生緩慢增長(zhǎng)的塑性形變。變。 蠕變極限蠕變極限n n：在某高溫下，為使試件在在某高溫下，為使試件在1010萬(wàn)小時(shí)內(nèi)萬(wàn)小時(shí)內(nèi)的塑性應(yīng)變值不超過(guò)的塑性應(yīng)變值不超過(guò)1%1%，允許試件能夠承受的最高，允許試件能夠承受的最高應(yīng)力值，單位應(yīng)力值，單位MPaMPa。 持久強(qiáng)度持久強(qiáng)度（D D ）：試件在某高溫下，在規(guī)定的試件在某高溫下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)不斷裂所允許試件承受的最高應(yīng)力，單位時(shí)間內(nèi)不斷裂所允許試件承受的最高應(yīng)力，單位MPa MPa 。 36應(yīng)力松弛：應(yīng)力松弛：總變形量保持不變，初始的總變形

13、量保持不變，初始的彈性變彈性變形形隨時(shí)間的推移逐漸轉(zhuǎn)化為隨時(shí)間的推移逐漸轉(zhuǎn)化為塑性變形塑性變形并引起構(gòu)件并引起構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力減小的現(xiàn)象內(nèi)應(yīng)力減小的現(xiàn)象 37材料塑性隨溫度降低而下降材料塑性隨溫度降低而下降材料對(duì)微觀缺性的敏感性材料對(duì)微觀缺性的敏感性：材料或構(gòu)件中：材料或構(gòu)件中的微觀缺陷對(duì)構(gòu)件出現(xiàn)脆性斷裂的影響的微觀缺陷對(duì)構(gòu)件出現(xiàn)脆性斷裂的影響 四四 金屬的缺口沖擊實(shí)驗(yàn)金屬的缺口沖擊實(shí)驗(yàn)38 將帶有缺口具有標(biāo)準(zhǔn)尺寸的長(zhǎng)方形試件放在擺將帶有缺口具有標(biāo)準(zhǔn)尺寸的長(zhǎng)方形試件放在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上, ,利用擺錘下落時(shí)的沖擊力利用擺錘下落時(shí)的沖擊力, ,將試將試件沖斷的一種試驗(yàn)件沖斷的一種試驗(yàn)金

14、屬的缺口沖擊試驗(yàn)金屬的缺口沖擊試驗(yàn)39沖擊功沖擊功A Akv kv ：擺錘沖斷試件所消耗的功擺錘沖斷試件所消耗的功 材料的沖擊韌性材料的沖擊韌性a akvkv= A= Akv kv /F(J/cm/F(J/cm2 2）40 冷脆現(xiàn)象冷脆現(xiàn)象：溫度降低，：溫度降低， A Akv kv , , a akvkv值下降值下降脆性轉(zhuǎn)變溫度脆性轉(zhuǎn)變溫度：防止材料出現(xiàn)脆性斷裂，：防止材料出現(xiàn)脆性斷裂，對(duì)明顯冷脆現(xiàn)象的材料規(guī)定的溫度。對(duì)明顯冷脆現(xiàn)象的材料規(guī)定的溫度。41五五. . 硬度的概念硬度的概念金屬材料表面抵抗其它硬物壓入的能力。金屬材料表面抵抗其它硬物壓入的能力。 硬度高材料強(qiáng)度也高，耐磨性較好；硬度高材料強(qiáng)度也高，耐磨性較好；綜合性能指標(biāo)。綜合性能指標(biāo)。42 常用硬度指標(biāo)：常用硬度指標(biāo)： 布氏硬度（布氏硬度（HBS);HBS); 洛氏硬度（洛氏硬度（HRAHRA、HRBHRB、HRC);HRC); 硬度和強(qiáng)度間有一定關(guān)系：硬度和強(qiáng)度間有一定關(guān)系： 如：低碳鋼如：低碳鋼b b36HBS;36HBS;43