材料力學(xué)教案

1、材料力學(xué)教案第一篇力學(xué)基礎(chǔ)2.2材料的力學(xué)性能教學(xué)目標(biāo)：通過學(xué)習(xí)材料力學(xué)性能使學(xué)生能夠從各種機(jī)械零件或構(gòu)件最常見的服役條件和失效現(xiàn)象出發(fā)，了解時(shí)效現(xiàn)象的微觀機(jī)制，提出衡量材料時(shí)效抗力的力學(xué)性能指標(biāo)；掌握各種指標(biāo)的物理概念、實(shí)用意義和測(cè)試方法；明確它們之間的相互關(guān)系；分析各種因素對(duì)力學(xué)性能指標(biāo)的影響，為機(jī)械設(shè)計(jì)與制造過程中正確選擇和合理使用材料提供依據(jù)，重點(diǎn):單向靜拉伸力學(xué)性能；沖擊載荷下的力學(xué)性能；應(yīng)力腐蝕和氫脆。難點(diǎn).單向靜拉伸力學(xué)性能；金屬的斷裂韌度；復(fù)合材料的力學(xué)性能。教學(xué)課時(shí)：4教學(xué)內(nèi)容：材料的性能包括：物理性能，力學(xué)性能，化學(xué)性能，和加工工藝性能。材料的力學(xué)性能：指材料在外力作用下在

2、強(qiáng)度和變形方面所表現(xiàn)出的性能。材料的力學(xué)性能是通過力學(xué)實(shí)驗(yàn)得到的。四種力學(xué)實(shí)驗(yàn)：拉伸（壓縮）實(shí)驗(yàn)；金屬的缺口沖擊實(shí)驗(yàn)；硬度實(shí)驗(yàn)；彎曲實(shí)驗(yàn)；低碳鋼拉伸時(shí)的力學(xué)性能含碳量從0.10%至0.30%低碳鋼易于接受各種加工如鍛造，焊接和切削，常用於制造鏈條，鉚釘，螺栓，軸等。碳含量低于0.25%的碳素鋼，因其強(qiáng)度低、硬度低而軟，故又稱軟鋼。GB/T228.1-2010：金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法代替了GB/T228-2002電子拉伸試驗(yàn)機(jī)據(jù)鬭社：GB/T228測(cè)量對(duì)象：金屬、非金屬、高分子材料的拉伸、壓縮、彎曲、剪切等曲線：力位移、力時(shí)間、位移時(shí)間、應(yīng)力應(yīng)變曲線低碳鋼是指含碳量在0.3%以下

3、的碳素鋼。兩端粗一便于裝夾、防止在裝夾部分破壞。試驗(yàn)段一中間較細(xì)等截面部分。標(biāo)準(zhǔn)試件圓截面試件：標(biāo)距1與直徑d的比例為，L=10d,L=5d；d=10mm矩形截面：標(biāo)距1與橫截面面積A的比例為，實(shí)驗(yàn)過程：將試件裝到試驗(yàn)機(jī)上，開動(dòng)機(jī)器，使之受到從零開始逐漸增加的拉力P，自動(dòng)繪圖儀便繪出P-AL曲線：拉伸曲線或拉伸圖。1）拉伸圖（卩一山厶）由于p_AL曲線與試樣的尺寸有關(guān)，為了消除試件尺寸的影響，釆用應(yīng)力應(yīng)變曲線，即。一曲線來代替PAL曲線。2）應(yīng)力應(yīng)變曲線（oe）彈性階段Cob）屈服階段（呢）強(qiáng)化階段（皿）頸縮階段（df）彈性變形階段（ob段）：應(yīng)力與應(yīng)變?yōu)橹本€關(guān)系，仇點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值稱為比例極

4、限opo它是應(yīng)力與應(yīng)變成正比例的最大極限。ii=Eg勺：即胡克定律，它表示當(dāng)工作應(yīng)力小于op時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比。當(dāng)應(yīng)力增加到b點(diǎn)時(shí)，再將其降為零，應(yīng)變隨之消失；一旦應(yīng)力超過點(diǎn)，卸載后，有一部分應(yīng)變不能消除；b點(diǎn)的應(yīng)力定義為彈性極限oeoE值的大小反應(yīng)材料抵抗彈性變形能力的高低。不同材料的E值不同虎克定律的又一形式。可用于計(jì)算縱向變形量。EAo抗拉抗壓剛度。E值的大小反應(yīng)材料抵抗彈性變形能力的高低。不同材料的E值不同。鋼的E值為2X105MPa,銅的E值為1X105MP哪個(gè)抵抗變形能力強(qiáng)？E值大抵抗材料彈性變形能力就大。設(shè)dl桿件拉（壓）后的直徑；d原來的直徑。貝|橫向變形量：Ad=dl-d橫

5、向應(yīng)變：J=Ad/d拉：Ad0拉：J0壓：卩=匕7=const.0橫向變形系數(shù)（屈服階段（be段）：繼續(xù)對(duì)材料加載，會(huì)出現(xiàn)一種現(xiàn)象，即在應(yīng)力增加很少或不增加時(shí)，應(yīng)變會(huì)很快增加，這種現(xiàn)象叫屈服。開始發(fā)生屈服的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力叫屈服極限。s。在屈服階段應(yīng)變不斷增加，而應(yīng)力不變；當(dāng)屈服時(shí)，材料產(chǎn)生顯著的塑性變形，是衡量材料強(qiáng)度的重要指標(biāo)。強(qiáng)化階段（ed段）：經(jīng)過屈服階段以后，材料又具有了較弱的抵抗變形的能力,要使材料繼續(xù)變形必須增加拉力，這種現(xiàn)象稱為材料的強(qiáng)化。Q235鋼:b沁400MPab頸縮階段（df段）:變形特點(diǎn)：大比例的塑性變形伴有少量的彈性變形。ab強(qiáng)度極限。強(qiáng)化階段最高點(diǎn)d點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。為

6、材料所能承受的最大應(yīng)力。為塑性材料重要強(qiáng)度指標(biāo)。此階段試件橫向尺寸有明顯縮小。頸縮階段（df段）：過d點(diǎn)后，局部截面急劇縮小，出現(xiàn)”頸縮”現(xiàn)象，因此試件繼續(xù)伸長(zhǎng)所需拉力也相應(yīng)減小，降至f點(diǎn)試件被拉斷。斷后彈性變形消失，塑性變形依然保留，標(biāo)距由原長(zhǎng)10變?yōu)?1,橫截面積由原始值A(chǔ)0變?yōu)锳1（斷口處）。_延伸率（相對(duì)伸長(zhǎng)率）截面收縮率8，表示材料直到被拉斷時(shí)塑性變形所能達(dá)到的最大程度。數(shù)值越大，說明塑性越好。85%塑性材料。低碳鋼（8=2030%,巾=6070%）,Cu，Al等。8V5%脆性材料。鑄鐵、玻璃等。卸載定律：拉伸實(shí)驗(yàn)過程中，如果應(yīng)力尚未達(dá)到材料的彈性極限，就將載荷去掉，那么試件將恢復(fù)原

7、來的形狀，材料性能不會(huì)發(fā)生任何變化。冷加工硬化：在常溫下將材料預(yù)先加載才到強(qiáng)化階段（e點(diǎn)），然后卸載，再次加載時(shí)（O1e1為加載線），比例極限提高，但塑性（O1g）降低的現(xiàn)象。其他材料的拉伸實(shí)驗(yàn)二欣扣載線o1011、無明顯屈服階段的塑性材料特點(diǎn)：只有彈性和強(qiáng)化階段，但塑性良好。如：錳鋼，鎳鋼，青銅國(guó)標(biāo)規(guī)定以產(chǎn)生0.2%的塑性變形所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為材料的名義屈服極限，用。02表示。脆性材料：無明顯塑性變形；無頸縮現(xiàn)象；突然拉斷，變形小；應(yīng)力應(yīng)變不存在嚴(yán)格的正比關(guān)系；拉斷時(shí)之應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度極限。b。如：鑄鐵、玻璃鋼、陶瓷等。0b是衡量脆性材料強(qiáng)度的唯一指標(biāo)。ob很低，脆性材料不宜作承拉件。壓縮實(shí)驗(yàn)

8、金屬材料壓縮試件做成圓柱形，為避免壓彎，取h=（15-3）d對(duì)于塑性材料，屈服前表現(xiàn)的性質(zhì)曲線與拉伸時(shí)重合，比例極限與彈性模量與拉伸時(shí)大致相同，所以塑性材料一般不作壓縮試驗(yàn)。對(duì)于脆性材料，如鑄鐵：無明顯直線部分，無屈服階段，在很小的塑性變形下即被突然壓壞。破斷面與軸線約成45斜截面上?？箟簭?qiáng)度比抗拉強(qiáng)度高3-4倍，宜做承壓件。如機(jī)床床身、機(jī)座、軸承座等。溫度對(duì)材料的力學(xué)性能的影響短時(shí)靜載實(shí)驗(yàn)。短時(shí)間，逐漸加載完成。高溫或低溫情況下，強(qiáng)度指標(biāo)（os，0b）和塑性指標(biāo)（6，巾）有什么變化？高溫對(duì)短期靜載試驗(yàn)的影響：低碳鋼：aSt-E|，os/，抵抗彈性變形的能力下降；溫度t-ob先t后急劇，溫度t

9、-ut抵抗橫向變形能力下降。低碳鋼在350以后，屈服階段消失。高溫對(duì)長(zhǎng)期加載的影響：高溫蠕變一在高溫下承載的構(gòu)件（碳鋼超過300-350C，合金鋼超過350-400C）,雖然載荷大小不變，變形（塑性）卻隨時(shí)間不斷增加的現(xiàn)象。危害：引起外觀尺寸改變。如：汽輪機(jī)葉片與輪殼相碰而打碎。應(yīng)力松弛一由于蠕變使彈性變形逐漸轉(zhuǎn)化為塑性變形，從而引起構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力減小的現(xiàn)象?，F(xiàn)象：高溫容器法蘭聯(lián)結(jié)螺栓松弛后使法蘭與墊片間壓緊力減小而發(fā)生泄漏（密封失效）；汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與軸之間的緊配合松脫。蠕變速度與溫度和應(yīng)力成正比。在允許的最大變形量一定時(shí)，蠕變速度越高，工作壽命越短。材料的高溫強(qiáng)度指標(biāo)蠕變極限on：在一定高溫下，為

10、使蠕變速度不超過一定值時(shí)所允許的最大應(yīng)力，稱為該溫度、該蠕變速度下材料的蠕變極限。發(fā)生蠕變的試件，經(jīng)過一段時(shí)間將發(fā)生斷裂。持久強(qiáng)度限oD:在一定高溫下，在規(guī)定時(shí)間t內(nèi)不發(fā)生斷裂所允許的最高應(yīng)力，稱為材料在該溫度下經(jīng)歷時(shí)間為t的持久強(qiáng)度限。低溫對(duì)短期靜載試驗(yàn)的影響：低碳鋼：低碳鋼、低合金鋼一強(qiáng)度t塑性（一具有低溫脆性（冷脆現(xiàn)象）不銹鋼、銅、鋁等無此現(xiàn)象。低溫脆斷需要引起高度重視。在一20C操作的容器，且器壁應(yīng)力達(dá)到材料常溫屈服限的1/6時(shí)，專門定為低溫壓力容器。低溫容器在選材，設(shè)計(jì)，制造，檢驗(yàn)方面有特殊要求和規(guī)定金屬的缺口沖擊實(shí)驗(yàn)沖擊一極短的時(shí)間內(nèi)速度發(fā)生極大的變化。如汽錘鍛造、落錘打樁、高速飛

11、輪突然剎車等均屬?zèng)_擊問題。金屬缺口沖擊試驗(yàn)：將帶有缺口并具有標(biāo)準(zhǔn)尺寸的長(zhǎng)方形試件放在擺錘式?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)機(jī)上，利用擺錘下落時(shí)的沖擊力，將試件從缺口處沖斷。沖擊功AK：擺錘沖斷試件消耗的功（焦耳）。試件上的缺口是為了造成應(yīng)力集中，使斷裂從這里開始。根據(jù)測(cè)得的沖擊功值3敏感程度h/-H)Nm|。=A/SJ/cm2KVKV判斷材料對(duì)缺口的沖擊功：沖擊韌性：?jiǎn)挝粩嗫诮孛娴臎_擊功。沖擊韌性說明的問題：K（1）材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力。（2）材料對(duì)微觀缺陷的敏感性一防止材料在低溫下工作時(shí)出現(xiàn)低應(yīng)力脆性斷裂。硬度實(shí)驗(yàn)硬度一材料抵抗其它物體壓入其表面的能力。與耐磨性（精度保持性）及強(qiáng)度都有一定關(guān)系。對(duì)鋼材：ob=3.6HB常用的有布氏硬度和洛氏硬度。布氏硬度（HBS）在布氏硬度試驗(yàn)機(jī)上，將一直徑為D的標(biāo)準(zhǔn)硬鋼球，以規(guī)定載荷（如3000Kgf1牛頓（N）=0225磅力（lbf）=0102千克力（kgf）壓入試樣表面，保持一定時(shí)間（如10s)，測(cè)出壓痕直徑d，則單位壓痕面積上的平均壓力即布氏硬度值：P材料越硬，壓痕越小，HB值越高。HB二二S0.5冗D(D-JD2-d2)洛氏硬度（HRGHRB,HRA）（1）HRC（在洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)上）以120金剛石圓錐為壓印頭，先加10Kgf的初載荷，同時(shí)將機(jī)上刻度盤指針對(duì)準(zhǔn)零點(diǎn)