第1章工程材料力學性能

版權(quán)所有,1997(c)DaleCarnegie&Associates,Inc.工程材料前言

工程材料是構(gòu)成機械的物質(zhì)基礎(chǔ)。機械的性能取決于其使用的材料，機械的進步依賴于材料的進步。目前，用于機械制造的材料有上千種，常用的也有上百種，并且還有許多新的材料不斷地被創(chuàng)造出來。要想在眾多材料中作出正確的選擇。既能保證使用性能、便于加工，經(jīng)濟性又好。只有了解這些材料，認識這些材料。工程材料的分類金屬非金屬復合材料碳鋼合金鋼鋁合金銅合金鈦合金鋼鐵有色金屬塑料橡膠陶瓷聚合物聚合物基復合材料金屬基復合材料碳鋼碳鋼又稱碳素鋼，其主要合金元素為碳，含量在0.1～1.3%之間。由于原料和冶煉工藝的限制，實際使用的鋼中都含有硅、錳、硫、磷等雜質(zhì)元素。碳鋼分類碳鋼常用的分類方法有三種：1.按碳含量進行分類可分為低碳鋼(＜0.25%C)、中碳鋼(0.25-0.55%C)、高碳鋼(＞0.55%C)。2.按其用途進行分類可分為結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼兩大類，前者用來制造各種金屬構(gòu)件和機械零件，后者用來制造各種刀具、模具和量具。3.按其質(zhì)量等級分類可分為普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼和高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼。合金鋼鐵、碳和合金元素是合金鋼的基本組元?；蛘哒f：合金鋼是加入合金元素的鋼。合金鋼的強度高，塑韌性優(yōu)于碳鋼，抗腐蝕性和抗氧化性也好。合金鋼分類1.按合金元素的含量分低合金鋼合金元素總含量＜5%中合金鋼合金元素總含量5-10%高合金鋼合金元素總含量＞10%2.按主要用途分合金結(jié)構(gòu)鋼:滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、軸承鋼合金工具鋼:刃具鋼、模具鋼、量具鋼特殊性能鋼:不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、磁鋼有色金屬材料除鋼、鑄鐵之外的金屬叫有色金屬。工程中常用的有色金屬有鋁、銅、鎂、鈦金屬及其合金等。有色金屬材料（一）鋁合金比重小，比強度高。在空氣中的抗蝕性好。容易加工。用以制造飛行器各種承力構(gòu)件，如蒙皮、壁板、槳葉、活塞及火箭上的液體燃料箱翼梁、螺旋槳葉、起落架等。也常用于汽車、摩托車、家用電器、建筑等。有色金屬材料（二）銅合金機械性能好摩擦系數(shù)小在空氣環(huán)境下具有良好的抗蝕性。容易加工。用途:制造滑動軸承、耐水蝕零件、導熱零件等。有色金屬材料（三）鈦合金比強度高?？刮g性好。耐高低溫。難加工。價格昂貴。鈦合金航空航天中，應用廣泛。用于制造工作溫度不超過400℃的各種飛機結(jié)構(gòu)和發(fā)動機零部件。如發(fā)動機壓氣機盤、葉片，蒙皮等。液體燃料火箭的儲氫罐也是鈦合金制造的，其工作溫度為-253℃。許多民用領(lǐng)域如氯堿化工業(yè)及海水用泵、閥、管道、換熱器、冷凝器等，也廣泛采用鈦合金，并取得了良好的經(jīng)濟效益。鑄鐵鑄鐵是含碳量在2.11%以上，并含有硅、錳、硫、磷等雜質(zhì)元素的鐵碳合金。常見鑄鐵有灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵和球墨鑄鐵?；铱阼T鐵應用較多，其的抗拉強度比鋼低得多，但是鑄鐵中有石墨，能有效地吸收震動能量。因石墨有潤滑作用，使鑄鐵有良好的耐磨性和減磨性。鑄鐵價格便宜，好加工。非金屬材料（一）塑料-

塑料是由聚合物為基礎(chǔ)添加各種助劑而成的混合體系，塑料由組成樹脂：樹脂是塑料的主要成份，它聯(lián)系和粘結(jié)其它組分，對塑料的性能起決定性作用。填充劑：彌補或改善樹脂的性能不足，另外可以顯著地降低成本。增塑劑:增加材料塑性。固化劑：使線型高分子交聯(lián)成體型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。穩(wěn)定劑：用來抵抗老化延長塑料壽命物質(zhì)。其它諸如發(fā)泡劑，抗靜電劑，染料，潤滑劑等等.非金屬材料（二）橡膠橡膠也是以有機高分子化合物為基礎(chǔ)的材料，它具有高彈性和蓄能作用，因此是工程制造中不可缺少的彈性材料、密封材料和減震材料。橡膠組成(1)生膠：未經(jīng)硫化的橡膠叫生膠，是橡膠主要成份，對橡膠性能起決定作用，但單純生膠高溫發(fā)粘，低溫性脆，常加入各種助劑并經(jīng)硫化制成工業(yè)用橡膠。(2)硫化劑：提高橡膠的彈性和強度，常用的是硫磺。(3)軟化劑：增加橡膠塑性、降低硬度。(4)補強劑：提高橡膠強度，耐磨性。目前效果最好的補強劑是碳黑。此外還有填充劑、防老化劑、著色劑等。橡膠分類

橡膠種類繁多，若以原料來區(qū)分，有天然橡膠與合成橡膠，按合成橡膠性能及用途又可分為通用橡膠及特種橡膠。非金屬材料（三）陶瓷用純度較高的人工合成原料制造的，能滿足高溫、高強、功能性等要求的特種陶瓷。常見的有氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等，而特種陶瓷除燒結(jié)體外還包括單晶(晶須)、纖維、薄膜及超細粉體等。復合材料由兩種或更多材料經(jīng)人工復合而成的，性能優(yōu)于單一材料的合成材料。如玻璃鋼。復合材料中主要起增強作用的叫強化相；主要起粘接作用的叫基體。按基體分：聚合物基、金屬基、陶瓷基按強化相分：顆粒增強、纖維增強、層疊復合材料牌號牌號是代表材料的符號，牌號可表明材料的種類、成分、性能等。各類材料的編號方法是不同的。鋼鐵材料的編號方法有色金屬的編號方法其他材料的編號方法鋼鐵材料的編號方法（一）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號由代表屈服點的字母、屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級符號、脫氧方法符號等四個部分組成。例：Q235A·F其中Q表示屈服點“屈”字漢語拼音第一個字母；235表示鋼材厚度≤16mm時的屈服點值不小于235MPa；A表示質(zhì)量等級A、B、C、D四級中的A級，F(xiàn)表示沸騰鋼。除此以外b表示半鎮(zhèn)靜鋼，Z表示鎮(zhèn)靜鋼，TZ表示特殊鎮(zhèn)靜鋼。鋼鐵材料的編號方法（二）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號以平均碳含量的萬分數(shù)，用兩位數(shù)字表示。例如平均碳含量為0.45%的鋼，其牌號表示為45。高級優(yōu)質(zhì)鋼則在其后加一個“A”字。如45A。鋼鐵材料的編號方法（三）碳素工具鋼的牌號是以其平均含碳量的千分之幾表示，并在數(shù)字之前冠以“T”字。例如：T10鋼表示平均含碳量為1.0%的碳素工具鋼。如為高級優(yōu)質(zhì)鋼，則在數(shù)字之后再加一個“A”字，如T10A。鋼鐵材料的編號方法（四）合金鋼編號方法用漢字或化學元素符號代表合金元素。碳含量與合金元素含量用數(shù)字表示。對于結(jié)構(gòu)鋼，碳含量以萬分一為單位，用兩位數(shù)字表示；對于工具鋼和不銹鋼，碳含量以千分之一為單位，用一位數(shù)字表示。合金元素以百分之一為單位，當含量小于1.5%時，一般不標出含量。例如：牌號為30CrMnSiA表示含0.30%C、0.95%Cr、1.05%Mn、1%Si的高級優(yōu)質(zhì)鋼。識別下列材料牌號牌號 類別 成分12Cr2Ni4A 3Cr2W8V 40CrNiMo

W18Cr4V

45 T8,T12 合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼第一章工程材料的性能材料的性能中最主要的是力學性能，包括：強度、硬度、塑性、沖擊韌性、疲勞強度、斷裂韌性等等。1.1強度與塑性強度MPa(MN/m2)

在外力作用下材料抵抗塑性變形和斷裂的能力。試件用被測材料制成，有圓形、板形兩種形狀，有大小不同的一系列尺寸：如圓形試樣d0:5、10、…loLDdoaoloLbo(a)園試樣(b)板材試樣應力、應變應力：試樣單位面積上所承受的平均力σσ=F/A。F--力，A。--試樣的面積應變：試樣單位長度的伸長量e=DL/LDL–試樣的伸長，L-試樣的原長材料拉伸

specimen2.1材料拉伸時的應力-應變

OA:彈性變形elasticdeformationABC:屈服yield

CDE:塑性變形plasticdeformation

E:斷裂fracture

拉伸曲線﹡彈性變形階段

0-p-e﹡彈塑性變形階段（屈服-強化-縮頸）e-ss-s’s’-bb-k﹡斷裂koσs應力MPabkss’pe應變e=DL/Lσb屈服強化頸縮彈性變形斷裂材料承受載荷的限度是多大？不允許斷裂（特殊情況除外）允許塑性變形么？允許彈性變形么？材料承受載荷的限度是設(shè)計時的依據(jù)，規(guī)定為強度指標。1.抗拉強度(σb)抗拉強度：指材料所能承受的最大應力。σb=Fb/A0Fb

－試樣斷裂前承受的最大載荷。A0

－試樣原始截面積 oσsMPabkss’pe

e=Dl/LσboσsMPabkss’pe

e=Dl/Lσb2.屈服強度屈服強度：指材料產(chǎn)生屈服時的應力。σs=Fs/A0Fs

－屈服時的載荷A0

－試樣原始截面積 條件屈服強度(σ0.2)

殘余應變量為0.2％時的應力值。σb0.2σ0.2卸載曲線﹡彈性變形階段去除外力，則應變隨應力下降沿著拉伸曲線回到原點。﹡彈塑性變形階段去除外力，應變不會完全恢復，應變沿與線彈性階段斜率相同的直線卸載。oσs應力MPabkσb屈服強化頸縮彈性變形斷裂塑性變形σ’s加工硬化經(jīng)過塑性變形的金屬再次拉伸時，將產(chǎn)生塑性變形的應力高于原來的屈服強度。這種現(xiàn)象叫做加工硬化或冷變形硬化。oσs應力MPabkσb屈服強化頸縮彈性變形斷裂塑性變形σ’s3剛度與彈性模量★剛度是指零件或構(gòu)件抵抗彈性變形的能力。取決于材料的彈性模量與結(jié)構(gòu)形狀。ΔL=PL/AEo1

2★彈性模量

是指在比例極限(σp)范圍內(nèi)，材料所受的應力與產(chǎn)生的應變之比。

E=s/e材料1的彈性模量大于材料2。4.塑性在外力作用下材料產(chǎn)生永久變形而不被破壞的能力。伸長率(δ)L1-L0δ=———×100％

L0斷面收縮率(Ψ)。

F0-F1y=———×100％ F0

lodol1d1＊δ、Ψ值越大，表示金屬的塑性越好。4.按GB699規(guī)定,15號鋼材出廠時,力學性能指標應不低于下列數(shù)值:σb=372MN/m2、σs=225MN/m2、δ=27%、=55%。現(xiàn)購進一批15號鋼材,用它制成d0=10mm,L0=50mm拉伸試樣,作拉伸試驗的結(jié)果是:Fb=33844N,Fs=20699N、d1=6mm,L1=65mm。試計算這批鋼材的力學性能是否合格。x=1.2硬度

材料抵抗表面局部塑性變形及破壞的能力。常用硬度測定方法:硬物壓入法劃痕法工業(yè)常用壓入法。1.布氏硬度(HB)布氏硬度計

硬物：球形壓頭(D=10、5、2.5、2、1mm)載荷：PHBS:普通淬火鋼球硬度值在450以下HBW:硬質(zhì)合金球硬度值在450～650

HBS(HBW)=———

PF布氏硬度測量壓坑面積大，受材料不均勻度影響小，故測量誤差小，硬度值準確、真實。但當材料太硬時(布氏硬度值大于650)，球形壓頭可能產(chǎn)生變形，不宜采用布氏硬度。另外，由于布氏硬度壓坑較大，也不宜用來檢測成品、小件、薄件的硬度。2.洛氏硬度(HR)載荷：▲初載荷98N并壓入深度h1▲主載荷(490N或882N或1372N)使壓入深度達h2

；▲卸除主載荷、保留初載荷， 壓入深度減小為h3。洛氏硬度的計算深度值 △h=h3-h1。

HR=———

01230123h1h3h2K=0.2壓頭被測材料硬物：頂角120°金鋼石圓錐(或Φ1.588mm淬火鋼球)K-△h0.002幾種常用洛氏硬度標度壓頭主載荷測量范圍應用材料HRA金剛石490N20～88表面硬化層、硬質(zhì)合金等HRB淬火鋼球882N20～100有色金屬，退火、正火鋼等HRC金剛石1372N20～70淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等洛氏硬度法測量簡便迅速，可直接讀數(shù)，表面壓坑小，多用于較薄材料或成品檢測。但由于壓坑過小，測量誤差稍大，常采用不同部位多點測量，取其平均值。3.維氏硬度(HV)壓頭：頂角為136°的金剛石正四棱錐體

HV=———載荷P：分為六級(49,98,196,294,490,980N)。ddP136

PF維氏硬度不隨載荷變化，即不同載荷下的維氏硬度可以相互比較。在一般情況下，選用30kg載荷。測定表面薄層時，可用小載荷。維氏硬度的優(yōu)點是測量精度高，測量的硬度范圍寬（可高達1300HV），應用廣泛，特別是用于測定工件表面硬化層、金屬鍍層及薄片金屬的硬度。硬度指標在生產(chǎn)中應用廣泛，在產(chǎn)品設(shè)計的技術(shù)條件中，硬度是一項重要的技術(shù)指標。對于工具、模具和有耐磨性要求的零件，硬度是直接的使用性能指標，如高速鋼車刀要求硬度>HRC62、熱鍛模要求硬度HRC35～47。另外硬度與強度之間存在著一定的內(nèi)在聯(lián)系，硬度測量迅速簡便，又不破壞成品零件，常用零件的硬度估算強度，如對于低碳鋼，也可采用硬度與強度換算表。1.3沖擊韌性沖擊韌性是材料在沖擊力作用下抵抗斷裂的能力。許多機械零件（如飛機起落架、發(fā)動機渦輪軸、汽車變速齒輪等）在工作中受到?jīng)_擊載荷的作用，能引起材料斷裂。因此，對此類零件進行設(shè)計時，不但要考慮前述的靜態(tài)力學性能指標，還要考慮韌性等動態(tài)力學性能指標。沖擊試驗機沖擊試樣和沖擊試驗示意圖沖擊韌性 Ak=G(H-h)

ak=——(J/cm2)（AK）：沖斷試樣所消耗的功(J)

（aK）：沖擊韌性(J/cm2)

AkF沖擊

h試樣擺錘

H注：金屬材料的ak不能直接應用于零件的設(shè)計計算金屬材料的ak值不能直接用于零件的設(shè)計計算，但對承受沖擊載荷的零件，應當有一定的ak值要求，以保證零件使用的安全性。如航空發(fā)動機軸ak＝80－100Ｊ/cm2；一般零件則要求ak＝30－50Ｊ/cm2便可滿足要求。1.4疲勞斷裂和疲勞強度疲勞斷裂機械零件在交變載荷作用下，其工作應力遠小于抗拉強度，甚至小于屈服強度時，在長時間工作后發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。交變載荷是指只有應力數(shù)值變化，沒有方向變化的重復應力和既有應力數(shù)值變化，又有方向變化的交變應力。機床主軸、齒輪、彈簧、聯(lián)桿等作旋轉(zhuǎn)或往復運動的零件就是在上述應力作用下工作。疲勞源裂紋擴展最終破斷區(qū)疲勞機理缺陷處首先產(chǎn)生疲勞裂紋，并隨應力循環(huán)不斷擴展，直至突然斷裂。由于疲勞斷裂是突然發(fā)生的，常常會引起嚴重事故。疲勞試驗

試樣負荷計數(shù)器電機軸承支座

疲勞曲線107σ力應σ-1疲勞曲線材料所受的交變應力σ與其斷裂前應力循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系曲線稱為疲勞曲線，疲勞強度

是指材料經(jīng)無限多次應力循環(huán)仍不斷裂時的最大應力。它表征了材料抵抗疲勞斷裂的能力。一般鋼鐵的循環(huán)基數(shù)N取107

次，有色金屬的循環(huán)基數(shù)N取108

次。材料承受對稱循環(huán)交變應力時的疲勞強度用σ-1

表示。鋼材的σ-1

只有σb

的50％左右。如何防止疲勞斷裂采取改進設(shè)計(避免尖角連接、降低表面粗糙度值等)和表面強化工藝(表面淬火、化學熱處理、噴丸、滾壓等)都可提高零件的疲勞強度。加強原材料和零件成品的內(nèi)部缺陷檢查也可減少或避免疲勞斷裂。1.5材料高溫性能很多零件長期在高溫下工作?！案邷亍笔窍鄬υ摻饘俚娜埸c而言，常采用約比溫度，即T/Tm(T為試驗或工作溫度，Tm為金屬熔點，均為絕對溫度)。當約比溫度大于0.5時為高溫，反之為低溫。高溫材料的力學性能，不能使用常溫下短時拉伸的應力—應變曲線來評定，1、蠕變?nèi)渥兙褪墙饘俨牧祥L時間的在一定溫度、一定應力作用下，即使應力小于σ0.2，也會緩慢地發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象。這種變形最后導致的材料斷裂稱為蠕變斷裂。蠕變曲線分為三個階段：蠕變起始階段（又稱蠕變減速階段）。穩(wěn)態(tài)蠕變階段或最小蠕變速度階段。蠕變加速階段，直至d點材料斷裂。。aabcdo

變形e第2階段第3階段第1階段時間溫度壓力恒定圖1-10典型蠕變曲線蠕變強度蠕變強度是指材料在高溫長時載荷作用下抵抗塑性變形的能力。(1)在規(guī)定時間內(nèi)達到規(guī)定變形量的蠕變強度，記為σδ/t

，（MPa）。例如

σ0.2/1000=60MPa,表示試樣在800℃，經(jīng)過1000小時，發(fā)生0.2%變形量的應力為60MPa。這種蠕變強度一般用于需要提供總?cè)渥冏冃蔚臉?gòu)件設(shè)計。800T(2)穩(wěn)態(tài)蠕變速度達到規(guī)定值時的蠕變強度，記為σv

，（MPa）。

例如

σ1×10-5=60MPa,

表示試樣在600℃，穩(wěn)態(tài)蠕變速度為1×10-5％/h時的蠕變強度為60MPa。這種蠕變強度一般用于受蠕變變形控制的且工作時間較長的構(gòu)件設(shè)計。600T1.5.2持久