01材料的力学行为.ppt

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1、第一章 材料的性能l使用性能：使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。材料在使用过程中所表现的性能。包括包括力学性能、物理性能力学性能、物理性能和和化学性能。化学性能。l工艺性能：工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。材料在加工过程中所表现的性能。包括包括铸造、锻压、焊接、热处理铸造、锻压、焊接、热处理和和切削性能等切削性能等。l材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形变形。l外力去处后能够恢复外力去处后能够恢复 的变形称为的变形称为弹性变形弹性变形，l外力去处后不能恢复外力去处后不能恢复 的变形称为的变形称为塑性变形塑性变形。低碳钢的应力

2、低碳钢的应力-应变曲线应变曲线拉伸试样拉伸试样拉拉伸伸试试验验机机应力应力 =P/F0应变应变 =(l-l0)/l0一、一、弹性和刚度弹性和刚度l弹性：弹性：材料承受最大弹材料承受最大弹 性变形时的应力。指标性变形时的应力。指标 为弹性极限为弹性极限 e。l刚度：刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量标为弹性模量E。e二、二、强度与塑性强度与塑性l强度：强度：材料在外力作用下抵抗材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。变形和破坏的能力。屈服强度屈服强度 s：材料发生微量塑性材料发生微量塑性变形时的应力值。变形时的应力值。条件屈服强度条件屈服强度 0.2

3、：残余变形量残余变形量为为0.2%时的应力值。时的应力值。抗拉强度抗拉强度 b：材料断裂前所承受材料断裂前所承受的最大应力值。的最大应力值。s0.2塑性：塑性：塑性：塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。指标为：指标为：指标为：指标为：伸长率：伸长率：断面收缩率：断面收缩率：断裂后拉拉伸伸试试样样的的颈颈缩缩现现象象l说明：说明：l 用断面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。用断面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。l 对于直径对于直径d0 相同的试样，相同的试样，l

4、0，。只有当只有当l0/d0 为常数时，塑性值才有可比性。为常数时，塑性值才有可比性。当当l0=10d0 时，伸长率用时，伸长率用 表示；表示；当当l0=5d0 时，伸长率用时，伸长率用 5 表示。显然，表示。显然，5 l 时，无颈缩，为脆性材料表征；时，无颈缩，为脆性材料表征；时，有颈缩，为塑性材料表征时，有颈缩，为塑性材料表征三、三、冲击韧性冲击韧性l是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。指是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。指标为冲击韧性值标为冲击韧性值ak。韧脆转变温度韧脆转变温度韧脆转变温度韧脆转变温度l材料的冲击韧性随温度下降而下降。材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度

5、范在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变韧脆转变。发生发生韧脆转变的温度韧脆转变的温度 范围称范围称韧脆转变韧脆转变温度温度。材料的使材料的使用温度应高于韧用温度应高于韧脆转变温度。脆转变温度。韧建造中的建造中的Titanic 号号Titanic 号钢板号钢板（左图）（左图）和近代船用钢板和近代船用钢板（右图）（右图）的冲击试验结果的冲击试验结果四、四、疲劳疲劳l材料在低于材料在低于 s的的重复交变应力作用下发生断裂的现象。重复交变应力作用下发生断裂的现象。l材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力

6、称为力称为疲劳极限疲劳极限。用。用-1表示。表示。l钢铁材料规定次数为钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为，有色金属合金为108。疲劳应力示意图疲劳应力示意图疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图疲劳断口通过通过改善材料的形状结构改善材料的形状结构，减少表面缺陷减少表面缺陷，提高表面提高表面光洁度光洁度，进行表面强化进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。等方法可提高材料疲劳抗力。轴的疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片疲劳辉纹（扫描电镜照片）五、五、硬度硬度 材料抵抗表面局部塑性变形的能力。材料抵抗表面局部塑性变形的能力。l布氏硬度布氏硬度HB l压压头头为为钢钢球球时时，布布氏氏硬硬度度用用

7、符符号号HBS表表示示，适适用用于于布氏硬度值在布氏硬度值在450以下的材料。以下的材料。l压压头头为为硬硬质质合合金金时时，用用符符号号HBW表表示示，适适用用于于布布氏氏硬度在硬度在650以下的材料。以下的材料。l符符号号HBS或或HBW之之前前的的数数字字表表示示硬硬度度值值，符符号号后后面面的的数数字字按按顺顺序序分分别别表表示示球球体体直直径径、载载荷荷及及载载荷荷保保持持时时间间。如如120HBS10/1000/30表表示示直直径径为为10mm的的钢钢球球在在1000kgf（9.807kN）载载荷荷作作用用下下保保持持30s测测得得的的布布氏硬度值为氏硬度值为120。l布氏硬度的优

8、点：布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。测量误差小，数据稳定。l缺点：缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。的材料。l适于测量适于测量退火、正火、调质钢退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。铸铁及有色金属的硬度。l材料的材料的 b与与HB之间的经验关系：之间的经验关系：对于低碳钢对于低碳钢:b(MPa)3.6HB 对于高碳钢：对于高碳钢：b(MPa)3.4HB 对于铸铁：对于铸铁：b(MPa)1HB或或0.6(HB-40)洛氏硬度洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛洛氏氏硬硬度度计计l洛洛 氏氏 硬硬 度度

9、用用 符符 号号 HR表表 示示，HR=k-(h1-h0)/0.002l根根据据压压头头类类型型和和主主载载荷荷不不同同，分分为为九九个个标标尺尺，常用的标尺为常用的标尺为A、B、C。l符号符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。lHRA用于测量高硬度材料，如硬质合金、表面淬火层用于测量高硬度材料，如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。和渗碳层。lHRB用于测量硬度较低的材料，如有色金属和退火、用于测量硬度较低的材料，如有色金属和退火、正火钢等。正火钢等。lHRC用于测量中等硬度的材料，如调质钢、淬火钢等。用于测量中等硬度的材料，如调质钢、淬火钢等。l洛氏硬

10、度的优点：洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。操作简便，压痕小，适用范围广。l缺点：缺点：测量结果分散度大。测量结果分散度大。维氏硬度维氏硬度维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度计维氏硬度计l维氏硬度用符号维氏硬度用符号HV表示表示，符号前的数字为硬度值，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。l根据施加的载荷范围不同，规定了三种维氏硬度的测根据施加的载荷范围不同，规定了三种维氏硬度的测定方法定方法维氏硬度试验维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验小负荷维氏硬度试验、显微显微维氏硬度试验维氏硬度试验。l维氏硬度保

11、留了布氏硬度和洛氏硬度的优点维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点，既可测，既可测量由极软到极硬的材料的硬度，又能互相比较。既可量由极软到极硬的材料的硬度，又能互相比较。既可测量大块材料、表面硬化层的硬度，又可测量金相组测量大块材料、表面硬化层的硬度，又可测量金相组织中不同相的硬度。织中不同相的硬度。六、六、断裂韧性断裂韧性北极星导弹北极星导弹1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂裂纹扩展的基本形式裂纹扩展的基本形式l应力强度因子：应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。指标。断裂韧性：断裂韧性：材料抵抗内部裂材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。纹失

12、稳扩展的能力。C为断裂应力，为断裂应力，aC为临界裂纹为临界裂纹半长，单位为半长，单位为 七、高温性能七、高温性能l蠕变：材料长时间在一定温度和一定应力作用下，蠕变：材料长时间在一定温度和一定应力作用下，即使应力小于即使应力小于 0.2 0.2，也会缓慢发生塑性变形的情，也会缓慢发生塑性变形的情况；况；l蠕变极限：材料在高温长时间载荷作用下抵抗塑蠕变极限：材料在高温长时间载荷作用下抵抗塑性变形的能力。性变形的能力。1 1、在规定的时间内达到规定的变形量，记作：、在规定的时间内达到规定的变形量，记作：2 2、稳态如边速度达到规定值，记作：、稳态如边速度达到规定值，记作：l持久强度：材料在高温长时间载荷作用持久强度：材料在高温长时间载荷作用下抵抗断裂的能力下抵抗断裂的能力.一般记为：一般记为：l高温疲劳：又称蠕变范围内的疲劳。高温疲劳：又称蠕变范围内的疲劳。一般记为：一般记为：