第1章 材料的力学性能.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,1,章 材料的力学性能,材料的性能是评价和选择材料的依据。,学习材料课，应当熟悉各种常用材料的性能。,1.1,材料性能的分类,材料的力学性能,1.1,材料的性能的分类,材料的力学性能,1.1,材料的性能的分类,材料的力学性能,1.2,基本概念和术语,1.2,基本概念和术语,力学性能,材料受载荷作用时表现出的与变形、断裂相关的一系列性能。,载荷,材料（或零件、构件）所受的力（,N,）或应力。,应力,材料（或零件、构件）的单位横截面积上所受的力（,N/m,2,),。,应力的单位：,Pa,，,1Pa=1N/m,2,MP,，,1MPa=10,6,Pa=1N/mm,2,材料的力学性能,1.2,基本概念和术语,静载荷,大小和方向都不随时间改变或缓慢变化的载荷。,动载荷,大小或方向随时间改变的载荷。,载荷 载荷,冲击载荷,交变载荷,时间 时间,静载荷,动载荷,材料的力学性能,1.2,基本概念和术语,材料受载荷作用时可能发生的现象：,材料的力学性能,1.3,拉伸试验,1.3.,拉伸试验,通过拉伸试验可以测定材料的强度、刚度和塑性。,材料的力学性能,1.3,拉伸试验,oe,段：弹性变形，伸长量与,L,与拉力,F,成正比。,S,平台：屈服现象，开始塑性变形。,Sb,段：均匀塑性变形。,bk,段：颈缩（局部塑性变形）,K,点：断裂,低碳钢拉伸曲线,F,拉力,L,伸长量,材料的力学性能,1.4,强度,1.4,强度,强度,材料受静载荷作用时，抵抗塑性变形和断裂的能力。,1.,屈服强度,s,材料受静载荷作用时，抵抗塑性变形的能力。,MPa,材料的力学性能,1.4,强度,如果材料所受的载荷达到或超过其屈服强度，材料就会发生塑性变形。,在设计和使用机器零件时，必须保证零件的工作载荷低于零件材料的屈服强度（,工作,s,）,，否则零件就会发生塑性变形而失效。,练习（见下页）,材料的力学性能,1.4,强度,练习：,要制造一根受拉力的圆杆，已知圆杆直径为,20 mm,，拉力为,93 kN,。现有两种钢，其中,Q235,钢的,s,为,235 MPa,；,45,钢的,s,为,355 MPa,。用这两种钢来制造此圆杆，是否都能保证不发生塑性变形？,解：圆杆所受应力为：,若选用,Q235,钢制造制造此圆杆，其,s,，会发生塑性变形；,选用,45,钢制造制造此圆杆，其,s,，能保证不发生塑性变形。,材料的力学性能,1.4,强度,2.,抗拉强度（强度极限）,b,材料受静载荷作用时，抵抗断裂的能力。,MPa,材料的力学性能,1.4,强度,如果材料所受的载荷达到其抗拉强度，材料就会发生断裂。,在设计和使用机器零件时，必须保证零件的工作载荷低于零件材料的抗拉强度（,工作,b,）,，否则零件就会发生断裂而失效。,材料的力学性能,1.5,刚度,1.5,刚度,刚度,材料受静载荷作用时，抵抗弹性变形的能力。,衡量刚度大小的指标是,弹性模量,E,。在拉伸曲线上，,E,体现为,oe,段的斜率。,材料的力学性能,1.5,刚度,常用材料的弹性模量,E/MPa,在一定的载荷作用下，弹性模量（,E,）大的材料发生的弹性变形比较小。,材料的弹性模量是一个常数，不会因热处理、合金化等外部条件而改变。,铁,镍,钛,铝,铜,镁,214000,210000,118010,72000,132400,45000,材料的力学性能,1.6,塑性,1.6,塑性,塑性,材料在受载荷作用时，在断裂之前发生永久性变形的能力。,材料的力学性能,1.6,塑性,衡量材料塑性好坏的指标：,1.,延伸率,延伸率,又称,伸长率,，是试样被拉断后，塑性伸长量与试样原始标距长度的百分比：,材料的力学性能,1.6,塑性,2.,断面收缩率,断面收缩率,是试样被拉断后，颈缩处的横截面积收缩量（,S,0,-S,1,）与原始横截面积,S,0,之百分比：,材料的力学性能,1.6,塑性,材料的,、,值越大，表明其塑性越好。,材料的塑性在工程上的实用意义：,1,）塑性是变形加工（锻压）的条件。塑性较好的材料才可以进行变形加工。,2,）塑性好的材料，不易脆断，应用时安全性比较好。,材料的力学性能,1.7,硬度,1.7,硬度,硬度,用来衡量材料软硬程度的性能指标。,测试硬度的方法有多种，相应的也有多种硬度指标。,材料的力学性能,1.7,硬度,1.,布氏硬度,HB,1,）试验原理,以压力,F,将直径为,D,的球形压头压入材料表面，形成直径为,d,的压痕，以压痕单位面积上承受的压力大小来衡量材料的硬度。,F,材料的力学性能,1.7,硬度,kgf/mm,2,式中,F,试验压力，,kgf,；,S,压痕面积，,mm,2,；,D,压头直径，,mm,；,d,压痕直径，,mm,。,材料的力学性能,1.7,硬度,2,）标注示例,120HBS 10/1000/30,500HBW 5/750,3,）特点和应用范围,（,1,）试验结果较准确，数据的重复性较好；,（,2,）操作较繁琐；,（,3,）试验压力较大，压痕大，可能损坏薄壁零件,;,（,4,）适合于测试厚度较大的、较软的原材料、毛坯。,材料的力学性能,1.7,硬度,2.,洛氏硬度,HR,1,）试验原理 用一定的压力将压头压入材料表面，以压痕深度来衡量材料的硬度。,洛氏硬度计的指示表直接显示出硬度值。压痕越浅，硬度值越大，表明材料硬度越高。,试验原理示意图,洛氏硬度计,材料的力学性能,1.7,硬度,2,）几种常用的洛氏硬度标尺,标尺,标注,符号,压头,类型,试验压力,数值,有效范围,适用对象,A,HRA,金刚石,圆锥,60 kgf,(588.4 N),20-88HRA,很硬的材料，如钢的表面硬化层、硬质合金等。,B,HRB,钢球,100 kgf,（,980.7 N),20-100HRB,较软的材料，如退火的钢、铜合金、铝合金等。,C,HRC,金刚石,圆锥,150 kgf,(1471 N),20-70HRC,较硬的材料，如淬火的钢件,材料的力学性能,1.7,硬度,3,）洛氏硬度的特点,（,1,）测试操作简便，效率高；,（,2,）适应的材料种类较多；,（,3,）压痕小，对零件损伤小；,（,4,）测试准确度和数据重复性稍差；,（,5,）,HRA,、,HRB,、,HRC,测试值不能直接对比。例如,:,不能认为,60HRB,代表的硬度高于,40HRC,。,材料的力学性能,1.7,硬度,3.,其它硬度,维氏硬度、肖氏硬度,，等等。,材料的力学性能,1.7,硬度,4.,硬度试验的应用,1,）对于有耐磨性要求的零件，其硬度是主要的质量指标。,2,）多数金属材料的硬度与强度有一定正比关系。在实际工作中，常常通过测试零件的硬度来换算出强度，既简便，成本又低。,材料的力学性能,1.7,硬度,黑色金属硬度及强度换算表,钢的,HBS,与,b,的换算关系,：,b,0.36 HBS,材料的力学性能,1.8,冲击韧性,1.8,冲击韧性,ak,有些零件在工作时会受冲击载荷。如冲压模、錾子、飞机起落架等。,材料的强度、塑性等在静载荷下测定的力学性能指标，不能体现材料的抗冲击性能。,冲击韧性,ak,材料受冲击载荷时，抵抗断裂的能力。,材料的力学性能,1.8,冲击韧性,冲击韧性,试样,冲击试验示意图,冲击试验机,材料的力学性能,1.8,冲击韧性,材料的力学性能,1.8,冲击韧性,冲击韧性,a,k,在数值上等于冲断试样消耗的能量,A,K,与试样缺口处横截面积,S,之比：,J/cm,2,冲击韧性高的材料，使用安全性好。,材料的力学性能,1.8,冲击韧性,材料脆断引发的事故,材料的力学性能,1.9,疲劳强度,1.9,疲劳强度,1.9.1,材料的疲劳现象,演示,自行车,。提问,疲劳,零件（材料）在交变载荷长时间作用下，产生裂纹并逐渐扩展，最终导致突然断裂的现象。,实例,在裂纹萌生和扩展的较长一段时间中，是不易被发现的，而最终的断裂是在瞬间发生的。因此，疲劳现象对于运行中的机器，尤其对飞行中的飞机，是危害性极大的事故隐患。,据统计，机器零件的断裂有,80%,是疲劳引起的。,材料的力学性能,1.9,疲劳强度,1.9.2,疲劳强度,疲劳强度,-1,材料在受交变载荷时，抵抗疲劳破坏的能力。,钢的疲劳强度与抗拉强度有一定的比例关系：,-1,0.4,b,材料的力学性能,1.9,疲劳强度,1.9.3,提高零件抗疲劳性的措施,疲劳裂纹通常在零件薄弱部位的表面萌生。下列方法能提高零件抗疲劳性：,1.,提高零件表面光洁度（降低表面粗糙度）。,2.,零件截面和形状变化之处，设计为圆弧过渡，以减小,应力集中,。,3.,采用表面热处理、喷丸等方法对零件表面进行强化。,4.,防止零件表面被划伤、腐蚀。,此外，采用,无损检测,技术定期对重要零件进行检测，争取在早期发现零件上的疲劳裂纹，也是预防疲劳断裂恶性事故的有效手段。,