第一章 材料的力學(xué)行為和性能1

主編：楊慧智出版社：機(jī)械工業(yè)出版社出版日期：2011年8月第三版材料科學(xué)制備緒論第12章機(jī)械零件用材料及成形工藝的選擇材料理論基礎(chǔ)常見工程材料材料基本成形工藝第一章材料的力學(xué)行為與性能

院系：機(jī)械工程學(xué)院主講人：張玉碧聯(lián)系方式箱：zhgyubi@第一章材料的力學(xué)行為和性能

本章重點(diǎn)：材料的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等靜態(tài)力學(xué)性能的基本概念及應(yīng)用。

本章難點(diǎn)：低應(yīng)力脆斷和材料的斷裂韌性。學(xué)習(xí)目標(biāo)：熟悉常用力學(xué)性能指標(biāo)的測試方法，掌握材料力學(xué)性能的表示方法及其應(yīng)用。主要內(nèi)容第一節(jié)在載荷作用下的力學(xué)行為第二節(jié)材料的靜態(tài)力學(xué)性能第三節(jié)材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能第四節(jié)斷裂韌性第五節(jié)材料的高、低溫性能第一節(jié)材料在載荷作用下的力學(xué)行為

一、彈性變形、塑性變形和斷裂材料在載荷作用下的行為，稱之為力學(xué)行為。（1）彈性變形：去除外力，物體發(fā)生變形消失，回復(fù)原狀的變形。（2）塑性變形：不能完全消失而一部分保留，進(jìn)入塑性變形階段。（3）斷裂：塑性變形產(chǎn)生的裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂。韌性斷裂和脆性斷裂二、服役條件和應(yīng)力和應(yīng)變1、服役條件：指零件在工作過程中承受的溫度、介質(zhì)環(huán)境、加載速度和載荷作用方式。材料的高、低溫性能，電場、磁場、輻射性能。應(yīng)力：單位面積上所受的力。應(yīng)變：單位長度的伸長量。二、服役條件和應(yīng)力和應(yīng)變第二節(jié)材料的靜態(tài)力學(xué)性能一、拉伸試驗(yàn)及材料的強(qiáng)度與塑性左圖為拉伸試驗(yàn)機(jī)下圖為拉伸試驗(yàn)過程中試樣的變形及斷裂。由上圖可知：在拉伸載荷作用下，試樣的變形分為三個(gè)階段：彈性變形階段；塑性變形階段；斷裂階段。在拉伸試驗(yàn)過程中，可測定的主要力學(xué)性能指標(biāo)有：(1)屈服強(qiáng)度σs

,(2)抗拉強(qiáng)度σb,(3)彈性模量E，(4)斷面收縮率Ψ,(5)斷后伸長率δ。

F0.2

σ0.2=

(Mpa)

S0試樣原始橫截面(mm2)試樣產(chǎn)生0.2%殘余塑性變形時(shí)的載荷(N)S0-Sk

ψ=×100%S0Fb

σb

=

(Mpa)

S0試樣原始橫截面(mm2)Fb

試樣斷裂前的最大載荷(N)

Lk–L0δ=×100%L0

δ<2~5%

屬脆性材料，δ≈5~10%屬韌性材料，δ>10%屬塑性材料。其斷口特征如圖所示低碳鋼力-拉伸曲線示意圖低碳鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線(a)陶瓷(b)低碳鋼(c)橡皮的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線塑膠件的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線大理巖的三向壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線混凝土的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線合成纖維的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線鋁合金的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線二、硬度硬度:指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力。1.布氏硬度（HBW）布氏硬度試驗(yàn)機(jī)布氏硬度試驗(yàn)機(jī)測試原理表示方法：120HBW10/1000/30；后面的數(shù)字依次表示：（1）球體直徑；（2）試驗(yàn)力；（3）試驗(yàn)力保持時(shí)間（10~15s不標(biāo)注）。主要用于測定組織粗大且不均勻的金屬材料的硬度，如鑄鋼、鑄鐵、供應(yīng)態(tài)鋼材等。硬度標(biāo)尺：HRA、HRB、HRC。其中C標(biāo)尺最常用。在批量的成品或半成品質(zhì)量檢驗(yàn)中廣泛使用.2.洛氏硬度2.洛氏硬度洛氏硬度表示方法：50HRC，80HRB，60HRA3.維氏硬度3.維氏硬度表示方法：如：640HV30/20測量精度高、范圍廣，但比較麻煩，主要用于研究工作。注：各硬度值之間大致有以下關(guān)系：布氏硬度值在200-600范圍內(nèi)，HBW≈10HRC；布氏硬度值小于450HBS，HBW≈HV參考書目：1、材料力學(xué)性能，劉春廷化，學(xué)工業(yè)出版社，2009年2、材料力學(xué)性能，時(shí)海芳，任鑫，北京大學(xué)出版社，2006年3、GB/T10623-2008金屬材料力學(xué)性能試驗(yàn)術(shù)語，2008年課后習(xí)題：系統(tǒng)的了解各種金屬材料的強(qiáng)度、硬度、的測試儀器及測試方法。歡迎進(jìn)入下一節(jié)的學(xué)習(xí)謝謝大家！第三節(jié)材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能動(dòng)載荷：指突加的、沖擊性的及大小、方向隨時(shí)間而變化的載荷。靜載荷：加載方式不影響材料的變形行為，加載速率較慢的載荷。一、沖擊韌性韌性：材料在斷裂前吸收變形能量的能力。影響材料韌性的因素：材料自身、加載速率、應(yīng)力狀態(tài)、溫度、介質(zhì)等。沖擊韌性：材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。工程中采用的表征方法：帶缺口的試樣，使之在沖擊載荷下折斷，計(jì)算其吸收的能量。第三節(jié)材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊吸收功Ak為:Ak=mgH–mgh(J)沖擊韌度ak

就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。AK

ak=(J/cm2)S0疲勞斷裂：材料在循環(huán)載荷的作用下，即使所受應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度也常常發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱之疲勞斷裂。危害：沒有明顯的塑性變形，難以檢測和預(yù)防。疲勞強(qiáng)度：表示材料經(jīng)無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)仍不斷裂的最大應(yīng)力值，用以表征材料抵抗疲勞斷裂的能力。測試方法：旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)。二、疲勞強(qiáng)度二、疲勞強(qiáng)度工程上規(guī)定，材料在循環(huán)應(yīng)力作用下達(dá)到某一基數(shù)N而不斷裂時(shí)，其最大應(yīng)力就作為該材料的疲勞極限。光滑試樣測得的疲勞強(qiáng)度用σ-1表示。疲勞曲線：材料所承受的應(yīng)力與其斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系曲線稱為疲勞曲線。鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取N=107有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取N=108如何避免疲勞斷裂：措施1：改善加載方式，加載在金屬上的強(qiáng)度不能忽大忽小。措施1：改善零件的結(jié)構(gòu)形式，避免尖角、降低表面粗糙度等避免應(yīng)力集中。措施2：表面強(qiáng)化，表面淬火，表面熱處理，化學(xué)熱處理，噴丸，滾壓，鍍層等。第四節(jié)斷裂韌性美國在二戰(zhàn)期間有5000艘全焊接的“自由輪”，其中有238艘完全破壞，有的甚至斷成兩截。20世紀(jì)50年代，美國發(fā)射北極星導(dǎo)彈，其固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體采用了高強(qiáng)度鋼D6AC,屈服強(qiáng)度為1400MPa，按照傳統(tǒng)的