《机械工程材料 第3版 教学课件 ppt 作者 王运炎课件 第一章 金属材料的力学性能》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械工程材料 第3版 教学课件 ppt 作者 王运炎课件 第一章 金属材料的力学性能（28页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第一章 金属材料的力学性能,第一节 强度、刚度、弹性及塑性 第二节 硬度 第三节 冲击韧性 第四节 断裂韧度 第五节 疲劳,第一节 强度、刚度、弹性及塑性,金属的强度、刚度、弹性及塑性一般可以通过金属材料室温拉伸试验来测定。它是按GB/T228-2002规定，把一定尺寸和形状的金属试样（如上图所示）装夹在试验机上，然后对试样逐渐施加拉伸载荷，直至把试样拉断为止。根据试样在拉伸过程中承受的载荷和产生的变形量之间的关系，可测出该金属的拉伸曲线，并由此测定该金属的强度、刚度、弹性及塑性。,图1-1 圆形拉伸试样,（一）拉伸曲线,一、拉伸曲线与应力-应变曲线,低碳钢试样在拉伸过程中，可分为弹性变形、塑
2、性变形和断裂三个阶段。,图1-2 低碳钢的拉伸曲线,当力不超过Fp时，拉伸曲线Op为一直线，即试样的伸长量与力成正比地增加，完全符合胡克定律，试样处于弹性变形阶段。力在Fp-Fe间，试样的伸长量与力已不再成正比关系，拉伸曲线不呈直线，但试样仍处于弹性变形阶段。 力超过Fe后，试样开始有塑性变形产生。当力达到Fs时，试样开始产生明显的塑性变形，在拉伸曲线上出现了水平的或锯齿形的线段，这种现象称为“屈服”。 当力继续增加到某一最大值Fb时，试样的局部截面缩小，产生所谓“缩颈”现象。由于试样局部截面的逐渐减小，故力也逐渐降低，当达到拉伸曲线上k点时，试样随即断裂。,（二）应力-应变曲线,应力：把试样
3、承受的力除以试样的原始横截面积A0 ，则得到试样所受的应力，即,应变：把试样的伸长量l除以试样的原始标距l0 ，则得到试样的相对伸长，即应变（或），即,应力-应变曲线： 以和为坐标，绘出应力-应变的关系曲线，叫做应力-应变曲线,图1-3 低碳钢的应力-应变曲线,二、刚度和弹性,在应力-应变曲线上，弹性模量就是试样在弹性变形阶段应力-应变线段的斜率，即引起单位弹性变形所需的应力。因此，它表示金属材料抵抗弹性变形的能力。工程上将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。,（一）弹性模量,弹性模量是指金属材料在弹性状态下的应力与应变的比值，即,（二）弹性极限,弹性极限e是材料在不产生塑性变形时所能承受的最大应
4、力值，即,式中 Fe-试样在不产生塑性变形时的最大力； e-试样的原始横截面积。,（三）弹性比功,图1-4弹性比功的图解计算法,弹性比功e又称弹性比能或应变能，它表示材料发生弹性形变时可吸收能量的能力，在外力去除时，又能完全释放能量而使材料恢复原状。因此，金属拉伸时的弹性比功可用图1-4应力-应变曲线下影线面积表示，其值为,三、强度,强度：指金属材料在静力作用下，抵抗永久变形和断裂的性能。由于力的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切等形式，所以强度也分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。,（一）屈服强度与条件屈服强度,屈服强度s是材料开始产生明显塑性变形时的最低应力值，即,式中 Fs-试样
5、发生屈服时的载荷，即屈服力； A0-试样的原始横截面积。,（二）抗拉强度,抗拉强度b是材料在破断前所承受的最大应力值，即,式中 Fb-试样在破断前所承受的最大力； A0-试样的原始横截面积。,四、塑性,塑性：指金属材料在静力作用下，产生塑性变形而不破坏的能力。伸长率和断面收缩率是表示材料塑性好坏的指标。,（一）伸长率（断后伸长率）,伸长率是指试样拉断后标距增长量与原始标距之比，即,式中 lk -试样断裂后的标距； l0 -试样原始标距。,（二）断面收缩率,断面收缩率是指试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积之比，即,式中 AK-试样断裂处的最小横截面积； A0-试样的原始横截面积。,第二节
6、硬度,一、布氏硬度,图1-5 布氏硬度试验原理示意图,试验方法：用一定直径D的硬质合金球，在规定试验力F的作用下压入被测试金属的表面，停留一定时间后卸除试验力，测量被测试金属表面压痕直径d，由此计算压痕的球缺面积S，然后再求出压痕的单位面积所承受的平均压力（F/S）。,布氏硬度用符号HBW表示 当试验力F的单位为牛顿（N）时，,二、洛氏硬度,试验方法：用一个压头（锥顶角120角的金刚石圆锥体、一定直径的钢球或硬质合金球），在规定试验力作用下压入被测试金属表面，由压头在金属表面所形成的压痕深度来确定其硬度值。,式中N、S为常数，用金刚石圆锥体作压头时，N为100；用钢球作压头时，N通常为130；
7、S为0.002。,图1-6 洛氏硬度试验原理示意图,洛氏硬度用符号HR表示，根据h值及常数N和S，用下式计算洛氏硬度值：,三、维氏硬度,试验方法：用一个相对面夹角为136 的金刚石正四棱锥体压头，在规定试验力F作用下压入被测试金属表面，保持一定时间后卸除试验力。然后再测量压痕投影的两对角线的平均长度d，进而计算出压痕的表面积S，最后求出压痕表面积上平均压力（F/S）。,图1-7维氏硬度试验原理示意图,维氏硬度用符号HV表示 当试验力F的单位为牛顿（N）时，,第三节 冲击韧性,冲击韧性：金属材料在冲击力作用下，抵抗破坏的能力。,一、冲击试验方法与原理,图1-10 试样安放位置,摆锤冲断试样失去的
8、位能为GHg-Ghg，这就是试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功AK ，即 AK=Gg(H-h),图1-11 冲击试验原理图,二、冲击试验的应用,冲击弯曲试验主要用途是揭示材料的变脆倾向，其具体用途有： 1.评定材料的低温变脆倾向 2.反映原材料的冶金质量和热加工产品质量,图1-12 冲击吸收功-温度曲线示意图,断裂韧度：在断裂力学基础上建立起来的材料抵抗裂纹扩展的性能。,第四节 断裂韧度,式中 -工作应力； -许用应力； n-安全系数。,机械零件（或构件）的传统强度设计都是用材料的屈服强度0.2确定其许用应力，即,一、裂纹扩展的基本形式,当外力作用于含有裂纹的材料时，根据应力与裂纹扩展面
9、的取向不同，裂纹扩展可分为张开型（I型）、滑开型（II型）和撕开型（III型）三种基本形式。,图1-13 裂纹扩展的基本形式,二、应力场强度因子KI,衡量裂纹尖端附近应力场强弱程度的力学参量称为应力场强度因子KI。,I型裂纹应力场强度因子KI的值与裂纹尺寸a和外加应力呈如下关系,式中 Y-与裂纹形状、试样类型及加载方式有关的系数 （一般Y=1 2）； KI-单位为Mpa.m。,三、断裂韧度KIc及其应用,裂纹扩展时的临界状态所对应的应力场强度因子，称为材料的断裂韧度，用KIc表示。,根据应力场强度因子KI和断裂韧度KIc的相对大小，可判断含裂纹的材料在受力时，裂纹是否会失稳扩展而导致断裂，即,
10、式中 c-裂纹扩展时的临界状态所对应的工作应力， 称为断裂应力； c-裂纹扩展时的临界状态所对应的裂纹尺寸， 称为临界裂纹尺寸。,第五节 疲劳,一、疲劳现象,疲劳断裂： 承受交变应力或重复应力的零件，在工作过程中，往往在工作应力低于其屈服强度的情况下发生断裂的现象。 疲劳断裂的特点： 不管是脆性材料还是韧性材料，疲劳断裂都是突然发生的，无明显的塑性变形的预兆，属低应力脆断，具有很大的危险性。 疲劳失效过程： 疲劳裂纹产生、疲劳裂纹扩展和瞬时断裂三个阶段。,二、疲劳曲线与疲劳极限,交变应力max与疲劳寿命N的关系曲线称为疲劳曲线，或S-N曲线。,根据零件的工作条件和使用寿命，规定一个疲劳极限循环
11、基数N0，并以循环基数N0所对应的应力作为“条件疲劳极限”以r(N0)表示。,疲劳曲线(S-N曲线)示意图 1一般钢铁材料 2有色金属、高强度钢等,图1-15 曲轴的疲劳宏观断口形貌,三、提高疲劳极限的途径,疲劳极限除与选用材料的本性有关外，还可通过以下途径来提高： 1.合理的零件结构设计，避免尖角、缺口和截面突变。 2.降低零件表面粗糙度，提高表面加工质量。 3.采用各种表面强化处理，如化学热处理、表面淬火和喷丸、滚压等表面冷塑性变形加工。,四、其他疲劳,1.低周疲劳 在机件承受的交变应力（或重复应力）较低，加载的频率较高，而在断裂前所经受循环周次也较高情况下发生的，故也成为高周疲劳。,2.冲击疲劳 承受小能量冲击载荷的零件，在经过千百万次冲击后发生断裂的现象。 冲击疲劳抗力是一个取决于强度和塑性、韧性的综合力学性能。,3.热疲劳 由于温度循环发生变化而产生热应力循环变化引起的疲劳。 热应力大小=ET(E材料的弹性模量；材料的线膨胀系数；T温度差),4.接触疲劳 接触表面在接触压力的反复长期作用后，引起的材料表面因疲劳损伤而使局部区域产生小片金属剥落。,5.腐蚀疲劳 零件在腐蚀环境中承受变动载荷所产生的一种疲劳现象。,
