第二章材料力學特性

會計學1第二章材料力學特性2.1工程材料概述

研究材料的成分、組織、性能以及三者的關系；同時研究加工方法對材料組織性能的影響和作用機理。第1頁/共36頁2.1工程材料概述工程材料的種類金屬材料工程陶瓷有機高分子材料復合材料第2頁/共36頁2.1工程材料概述使用性能工藝性能：對加工工藝的適應性力學性能物理性能化學性能工程材料性能第3頁/共36頁2.2工程材料的力學性能力學性能：外力作用下表現(xiàn)出的性能。

第4頁/共36頁2.2.1強度和塑性

當載荷的大小不變或變動很慢時，稱為靜載荷。強度和塑性指標都是在靜載荷條件下，通過拉伸實驗來測定的。第5頁/共36頁1.拉伸實驗實驗用試件標點L0d0（1）材料類型：

低碳鋼：

灰鑄鐵：塑性材料的典型代表；脆性材料的典型代表；（2）標準試件：標距：用于測試的等截面部分長度；尺寸符合國標的試件；圓截面試件標距：L0=10d0或5d0第6頁/共36頁第7頁/共36頁#低碳鋼拉伸實驗曲線OPDLPePpPsPb線彈性階段屈服階段強化階段頸縮階段屈服極限：強度極限：冷作硬化延伸率：斷面收縮率：比例極限和彈性極限PP,Pe第8頁/共36頁需要打印的幻燈片

8、10、15第9頁/共36頁aE=tga低碳鋼拉伸應力應變曲線D(ss下)(se)BC(ss上)A(sp)E(sb)gas(MPa)200400e0.10.2O低碳鋼壓縮應力應變曲線第10頁/共36頁seOsbL灰鑄鐵的拉伸曲線sby灰鑄鐵的壓縮曲線aa=45o~55o剪應力引起斷裂第11頁/共36頁2.強度材料在外力作用下，抵抗破壞的能力稱之為強度。材料在外力作用下，抵抗變形的能力稱之為剛度。2.2.1強度和塑性第12頁/共36頁OPDLPePpPsPb線彈性階段屈服階段強化階段頸縮階段屈服極限：強度極限：冷作硬化彈性極限和比例極限PePP第13頁/共36頁延伸率：斷面收縮率：3.塑性材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力稱為塑性。用延伸率和斷面收縮率表示。2.2.1強度和塑性第14頁/共36頁2.2.2.硬度硬度是材料抵抗局部塑性變形的能力硬度也反映材料抵抗其它物體壓入的能力通常材料的強度越高，硬度也越高工程上常用的硬度指標有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等第15頁/共36頁1.布氏硬度HBS（W）布氏硬度的測量方法如圖所示。用一定載荷P，將直徑為D的球體（淬火鋼球或硬質合金球），壓入被測材料的表面，保持一定時間后卸去載荷，測量被測試表面上所形成的壓痕直徑d，由此計算壓痕的球缺面積F，其單位面積所受載荷稱為布氏硬度。布氏硬度值HB=P/F布氏硬度的單位為kgf/mm2

第16頁/共36頁當測試壓頭為淬火鋼球時，只能測試布氏硬度小于450的材料，以HBS表示當測試壓頭為硬質合金時，可測試布氏硬度為450~650的材料，以HBW表示在測定材料的布氏硬度時，應根據(jù)材料的種類和試樣的厚度，選擇球體材質、球體直徑D、施加栽荷P和載荷保持時間等布氏硬度試驗是由瑞典的布利涅爾（J.B.Brinell）于1900年提出來的第17頁/共36頁2.洛氏硬度HR洛氏硬度的測量方法如圖所示將標準壓頭用規(guī)定壓力壓入被測材料的表面，根據(jù)壓痕深度來確定硬度值根據(jù)壓頭的材料及所加的負荷不同又可分為HRA、HRB、HRC三種第18頁/共36頁洛氏硬度操作簡便、迅速，應用范圍廣，壓痕小，硬度值可直接從表盤上讀出，所以得到更為廣泛的應用其缺點是：由于壓痕小，測量誤差稍大，因此常在工件不同部位測量數(shù)次取平均值洛氏硬度是由美國的洛克威爾（S.P.Rockwell和H.M.Rockwell）于1919年提出來的第19頁/共36頁3.維氏硬度HV維氏硬度的測量原理與布氏硬度相同，不同點是壓頭為一相對面夾角為136°金剛石正四方棱錐體，所加負荷為5~120kgf（49.03~1176.80N）它所測定的硬度值比布氏、洛氏硬度精確，壓入深度淺，適于測定經(jīng)表面處理零件的表面層的硬度，改變負荷可測定從極軟到極硬的各種材料的硬度，但測定過程比較麻煩第20頁/共36頁圖1.1-４為維氏硬度測試示意圖在用規(guī)定的壓力P將金剛石壓頭壓入被測試件表面并保持一定時間后卸去載荷，測量壓痕投影的兩對角線的平均長度d，據(jù)此計算出壓痕的表面積S，最后求出壓痕表面積上平均壓力（P/S），以此作為被測材料的維氏硬度值第21頁/共36頁其計算公式如下：維氏硬度試驗是由英國的史密斯（R.L.Smith）和桑德蘭德（G.E.Sandland）于1925年提出來的。

第22頁/共36頁2.2.3.沖擊韌性ak沖擊韌性是在沖擊載荷作用下，材料抵抗沖擊力的作用而不被破壞的能力，通常用沖擊吸收功Ak和沖擊韌性ak指標來度量第23頁/共36頁有些機件在工作時要受到高速作用的載荷沖擊，如鍛壓機的錘桿、沖床的沖頭、汽車變速齒輪、飛機的起落架等瞬時沖擊引起的應力和應變要比靜載荷引起的應力和應變大得多，因此在選擇制造該類機件的材料時，必須考慮材料的抗沖擊能力第24頁/共36頁為了討論材料的沖擊韌性ak值，常采用一次沖擊彎曲試驗法由于在沖擊載荷作用下材料的塑性變形得不到充分發(fā)展，為了能靈敏地反映出材料的沖擊韌性，通常采用帶缺口的試樣進行試驗標準沖擊試樣有兩種，一種是夏比Ｕ形缺口試樣，另一種是夏比Ｖ形缺口試樣同一條件下同一材料制作的兩種試樣，其Ｕ形試樣的ak值明顯大于Ｖ形試樣的ak，所以這兩種試樣的值ak不能相互比較第25頁/共36頁第26頁/共36頁試驗時，將試樣放在試驗機兩支座上，如圖所示。將一定重量G的擺錘升至一定高度H1，使它獲得位能為G·H1；再將擺錘釋放，使其刀口沖向圖中箭頭所指試樣缺口的背面；沖斷試樣后擺錘在另一邊的高度為H2，相應位能為G·H2，沖斷試樣前后的能量差即為擺錘沖斷試樣所消耗的功，或是試樣變形和斷裂所吸收的能量，稱為沖擊吸收功Ak，即Ak=G·H1―G·H2，單位為J。第27頁/共36頁試驗時，沖擊功的數(shù)值可從沖擊試驗機的刻度標盤上直接讀出沖擊吸收功除以試樣缺口底部處橫截面積F獲得沖擊韌性值ak

，即ak=Ak/F，單位為J/cm2。有些國家（如美、英、日等國）直接用沖擊吸收功

Ak作為沖擊韌性指標第28頁/共36頁材料的ak

值愈大，韌性就愈好；材料的ak值愈小，材料的脆性愈大通常把ak

值小的材料稱為脆性材料研究表明，材料的ak

值隨試驗溫度的降低而降低。當溫度降至某一數(shù)值或范圍時，ak

值會急劇下降，材料則由韌性狀態(tài)轉變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，這種轉變稱為冷脆轉變，相應溫度稱為冷脆轉變溫度。材料的冷脆轉變溫度越低，說明其低溫沖擊性能越好，允許使用的溫度范圍越大。因此對于寒冷地區(qū)的橋梁、車輛等機件用材料，必須作低溫（一般為–40℃）沖擊彎曲試驗，以防止低溫脆性斷裂第29頁/共36頁2.2.4疲勞強度工程上一些機件工作時受交變應力或循環(huán)應力作用，即使工作應力低于材料的屈服強度，但經(jīng)過一定循環(huán)周次后仍會發(fā)生斷裂，這樣的斷裂現(xiàn)象稱之為疲勞

零件的疲勞斷裂過程可分為裂紋產(chǎn)生、裂紋擴展和瞬間斷裂三個階段第30頁/共36頁2.2.4疲勞強度當零件所受的應力低于某一值時，即使循環(huán)周次無窮多也不發(fā)生斷裂，稱此應力值為疲勞強度或疲勞極限

第31頁/共36頁材料的疲勞強度通過實驗得到隨著應力σ的減小，循環(huán)次數(shù)Ｎ在增加，當應力σ降到一定值后，σ－Ｎ曲線趨于水平，這就意味著材料在此應力作用下無限次循環(huán)也不會產(chǎn)生斷裂，用σ-l表示，單位為MＰa第32頁/共36頁在疲勞強度的實驗中，不可能把循環(huán)次數(shù)作到無窮大，而是規(guī)定一定的循環(huán)次數(shù)作為基數(shù)，超過這個基數(shù)就認為不再發(fā)生疲勞破壞常用鋼材的循環(huán)基數(shù)為107，有色金屬和某些超高強度鋼的循環(huán)基數(shù)為108影響疲勞強度的因素甚多,其中主要有循環(huán)應力特性、溫度、材料的成分和組織、表面狀態(tài)、殘留應力等鋼的疲勞強度約為抗拉強度的40一50％，有色金屬約為抗拉強度25—50