碳钢的力学特性曲线

《碳钢的力学特性曲线》由会员分享，可在线阅读，更多相关《碳钢的力学特性曲线（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第二章 材料 12第二章 材 料 第二章 材 料 一、教学目标及基本要求 熟悉各种钢材的力学性能，并能根据金属结构设计对材料的要求做出正确的选择。 二、教学内容的重点及难点 重点：了解机械装备金属结构使用钢材的力学特性及影响因素，材料的类别和特征以及相关国家和行业标准。理解普通结构钢和低合金钢的特点及适用场合，环境温度、工作级别对材料的影响度，设计组合截面时配置材料的原则。 难点：掌握材料的选用原则、依据和规定材料的标准表示方法及考虑影响脆性破坏因素评价的钢材质量组别选择方法 三、教学方式与手段 课堂讲授，启发式教学。 四、教学内容的深化与拓宽 推荐与相关现代结构设计方法相关的参考书。 第一节

2、第一节 钢材的力学特性及影响因素钢材的力学特性及影响因素 一、钢材的力学性能 一、钢材的力学性能 1 静强度特性 （1）比例极限p （2）屈服点s （3）抗拉强度b 疲劳强度特性 疲劳破坏钢材在连续变化载荷作用下，开始是 其组织发生晶粒间的滑移使材料强度降低而丧失继续抵 抗外载荷的能力，继而转变为个别晶粒的撕裂而出现裂 纹，在连续变化载荷继续作用下，钢材的裂纹扩展加速直至断裂。 疲劳强度钢材疲劳破坏之前所能承受的最大应力，即在钢材的标准试件上施加一 定循环特性的等幅（交变 r = -1 或脉动 r = 0）应力，由实验得到经过 N 次循环后不发生疲 劳破坏的最大应力。 -N 曲线根据一定循环特

3、性实验得到的不同疲劳强度与相应循环次数 N 而绘制 的相关曲线，称为材料的疲劳特性 -N 曲线（图 2-2） 。 当循环次数 N103时， 相应于 -N 曲线的 AB 段， 极限应力s基本不变，因此可按静强度计算。 当循环次数 N=103104时， 相应于 -N 曲线的 BC 段，由于材料试件破坏时已伴随着塑性变形，此阶段 的疲劳现象称为应变疲劳。因该阶段循环次数较少又 称为低周疲劳。 当循环次数 N104时， 相应于 -N 曲线的 CD 段图 2-1碳素结构钢材受拉的-曲线图 2-2 钢材的疲劳特性 -N曲线 第二章 材料 13和 D 点以下的曲线所代表的疲劳，统称为高周疲劳，并分为无有限寿

4、命区和限寿命区。钢 材的疲劳强度远低于的抗拉强度，甚至远低于屈服点。因此疲劳强度是结构的承载能力的 下限。 破坏特点钢材疲劳破坏与塑性破坏不同，疲劳断裂是疲劳损伤的积累，疲劳裂纹 是在重复载荷长期作用下产生的，随着应力循环次数的增加，裂纹沿尖端逐渐扩展，直至 剩余未断裂截面不足以承担外载荷而发生突然断裂。因此疲劳破坏具有累积性和突发性的 特点。 疲劳破坏时无论是塑性材料或是脆性材料，其断口均表现为无明显塑性变形的脆性突 然断裂。因此疲劳破坏又具有脆性破坏的特点。 影响因素钢材的疲劳强度与钢材种类（标号） 、连接接头型式，结构特征，应力变 化幅度以及（应力）作用（循环）次数，应力集中等级系数等因

5、素有关，其值由疲劳试验 获得。 2 塑性特性 钢材的伸长率和截面收缩率分别为： 0100%L L=，0100%A A=（2-1） 通常比能更好地表达钢材的塑性性质。 由于钢材的伸长率容易测量，通常以计算长度（标距）为5d或10d（d为试件直径） 的试件进行拉伸试验，并用5或10表示钢材的塑性。 或值越大，钢材塑性越好，对局部应力集中的敏感性越小。由于塑性变形能使局 部应力趋于均匀，所以使结构突然断裂的危险性变小。 4韧性特性 钢材的韧性是表征材料破坏前吸收机械能（冲击吸收功KA）的能力。钢材单位面积吸收的冲击功（J/cm2）成为冲击韧性。韧性好，表明钢材脆性差，结构抗脆性破坏的能力强。 因此，

6、韧性（脆性）是表示钢材脆断性能的指标。 目前，对普通结构钢常用冲击试验来确定钢材韧性的大小。钢材的冲击试验应按 GB/T 229-2007金属材料 夏比摆锤冲击试验方法的规定进行。 钢材韧性常受到温度变化的影响，低温时钢材韧性急剧下降并且不稳定。 断裂应力c、裂纹深度a和钢材韧性之间的关系为： caK=（常数）（2-2） 常数 K 的大小，标志着材料抵抗脆性破坏能力的高低，常用应力强度因子 K1来度量。 强度因子 K1是根据线弹性理论计算的，不同材料不同裂纹的 K1计算式也不同。 对于某一种材料，当 K1增大到临界值 K1c时，裂纹就迅速扩展，使构件产生断裂破坏， 此时 K1c值被称为材料的断

7、裂韧性，是材料的一种机械性能，其单位为 N/mm3/2。低温下 K1c 值急剧降低，钢材容易脆断。 断裂韧性 K1c随材料的化学成分、热处理状态、加载速度、应力状态、工作温度、钢材 轧制方向的不同而异，其大小根据国家标准的试验方法，采用带裂纹的试样在材料试验机 上测定。K1c值越大，表示钢材抵抗脆断的能力越强，反之钢材容易发生脆性破坏。 二、钢材的加工性能 二、钢材的加工性能 钢材的加工性能是指焊接性能和冷弯性能。 可焊性钢材在焊缝冷却后，连接具有完整性（无裂缝）和坚固性，即在各种静、 动载荷长期作用和低温下，连接具有足够的强度和完整性的能力。常以连接的抗裂性和力 学性能来检验钢材可焊性的好坏

8、。 第二章 材料 14影响可焊性的因素： 1）焊接工艺 2）含碳量 冷弯性能钢材的冷弯性能表示其在常温下作 180冷弯变形试验而不出现裂缝的 性能。按照钢材牌号和厚度（直径）规定出弯心直径与试件厚度的不同比值，此比值越小， 表明钢材的冷弯性能越好，塑性越大。 三、钢材的耐久性能 三、钢材的耐久性能 钢材的耐久性主要以钢材的时效、防锈性来表征。 自然时效钢材在无外载荷作用而长期存放时，因温度变化或因机械作用产生塑性 变形，使晶粒中的碳、氮等元素被分离析出，并在晶粒之间形成坚硬的渗碳体，从而使钢 材强度提高，塑性、韧性降低的现象。 加工时效冷加工（如冷轧、冷拔、喷丸）的过程改变钢材的强度、塑性、韧

9、性的 现象称为加工时效硬化。 四、影响钢材性能的主要因素 四、影响钢材性能的主要因素 1化学成分 2应力状态 在同号平面应力状态下，钢的弹性工作范围及强度极限均有所提高，塑性变形大为降 低。破坏时很少表现出塑性破坏的特征，没有明显的流动阶段和径向收缩，材料变得硬脆。 在异号平面应力状态下，情况则完全相反钢的弹性工作范围和强度极限都有所下降 塑性变形却大为增加，容易使结构丧失承载能力。 对同号的立体应力状态和异号的立体应力状态，情况与平面应力完全相仿。 在动载荷作用下，处于低温工作的承受平面或立体同号拉应力的构件就容易 发生脆断。 因此，在动载荷作用下，处于低温工作的承受平面或三向同号拉应力的构

10、件极易发生 脆断破坏。 以第四强度理论来表征多向应力状态下钢材进入塑性状态的条件： ()()2222223zhxyzxyyzzxxyyzzx =+（2-3） 当zhs时，钢材处于塑性状态，当zhSG时，才考虑此因素对脆性破坏的影响。评价系数AZ按下式计算： 13 . 0=SG AZ（2-4） 式中 AZ（钢材质量组别选择的）残余应力影响评价系数； G结构构件纵向拉伸应力，单位为 N/mm2； S钢材的屈服点。 类焊缝：只有纵向焊缝的结构，脆性破坏的危险性增加。评价系数AZ按下式计算：AZ=SG 3 . 0（2-5） 类焊缝：焊缝汇聚，高度应力集中，脆性破坏的危险性最大。评价系数AZ按下式计 算

11、： AZ=13 . 0+SG （2-6） 在有条件时，宜对类焊缝进行消除残余应力的热处理（温度宜为 600650） ，处 理后可视为类焊缝选取钢材组别。 当钢材的屈强比Sb0.7 时，式（2-4）式（2-6）中的S以（bS35. 05 . 0+）代之。 2）构件材料厚度的影响 构件材料的厚度越大，脆性破坏危险性增大。当 5mm20mm 时评价系数BZ按式（2-7）计算；当 20mm100mm 时评价系数BZ按式（2-8）计算： 2 25009=BZ（2-7） 05. 081.1465. 0=BZ（2-8） 式中 BZ（钢材质量组别选择的）材料厚度影响评价系数； 构件材料厚度，单位为 mm。 对

12、轧制型材和矩形截面用假想厚度来进行评价，按下述规定确定： a）对轧制型材： 对圆截面 =1.8b；对方截面 =1.8。 b）对截面长边为b、短边为d的矩形截面： 当两边之比b d1.8 时，=1.8b；当两边之比1.8b d时，=d。 3）工作环境温度的影响 在室外的起重机结构的工作环境温度取为起重机使用地点的年最低日平均温度。当起第二章 材料 18重机的结构工作环境温度在 0以下时，随着温度的降低，材料脆性破坏的危险性增大。不 低于-30时，评价系数CZ按式（2-9）计算；低于-30、高于-55时，评价系数CZ按式（2-10）计算： CZ=2 16006T（2-9） CZ=1075.3325

13、. 2T（2-10） 式中 CZ（钢材质量组别选择的）工作环境温度影响评价系数； T起重机结构的工作环境温度，单位为。 2所要求的钢材质量组别的确定 1）综合评价法 将评价系数AZ、BZ、CZ相加，得到总评价系数Z，由表 2-11 查出所要求的钢材质量组别。表 2-12 给出了各组对应的钢材牌号及相应的冲击吸收功值。 本章小结 本章小结 本章主要介绍了钢材的力学特性及影响因素，阐述材料的类别和特征，并根据材料的 选用原则进行材料的选择，最后给出了考虑影响脆性破坏因素评价的钢材质量组别的确定 方法。 本章应了解机械装备金属结构使用钢材的力学特性及影响因素，材料的类别和特征以 及相关国家和行业标准。 本章应理解普通结构钢和低合金钢的特点及适用场合，环境温度、工作级别对材料的 影响度，设计组合截面时配置材料的原则。 本章应掌握材料的选用原则、依据和规定材料的标准表示方法及考虑影响脆性破坏因 素评价的钢材质量组别确定方法。